Hvordan kosmologi blev til en videnskab

Opdagelsen af den kosmiske mikrobølge baggrund i 1960'erne etablerede big bang teorien og gjorde kosmologi til en empirisk videnskab

Stephen G. Brush*

Begyndte universet eller har det altid eksisteret? Forskere betragtede længe dette spørgsmål som liggende udenfor deres område, i filosoffers og teologers rige. Ikke før midten af dette århundrede begyndte fysikere og astronomer at udstyre sig med teorier, der var kraftfulde nok, og eksperimentelle teknikker, der var følsomme nok, til at behandle emnet.
    Så dukkede to konkurrerende kosmologier frem. Den ene, som populært blev kaldt big bang, antager, at universet udviklede sig fra begyndelsesforhold, der var så varme og tætte, at kun stråling og elementarpartikler kunne eksistere; så udvidede og afkøledes universet og dannede stjernerne og galakserne. Den modsatte model tilbyder et univers, der altid har eksisteret; spredningen af stof, der er resultatet af den observerede udvidelse af universet, kompenseres ved den fortløbende skabelse af stof.
    Big bang teorien har sejret hovedsagelig på grund af forudsigelsen, observationen og tolkningen af et fænomen kaldet den kosmiske baggrundsstråling. Denne stråling, som af de fleste betragtes som eftergløden af big bang, gennemtrænger himlen i alle retninger ved mikrobølgefrekvenser. Arno A. Penzias og Robert W. Wilson fra Bell Laboratories opdagede den kosmiske baggrund i 1964-65, mens de prøvede at fjerne mikrobølgestøjen fra deres antenne. Modellen med stabil tilstand for universet forudsagde ingen sådan stråling og kunne ikke plausibelt redegøre for den. Således havde hypoteser om universets oprindelse for første gang stået over for en empirisk afprøvning, som efterlod en vinder og en taber.

      Det er sjældent, at teorier står eller falder med resultatet af en enkelt afprøvning. Denne gang ændrede opfattelsen sig imidlertid næsten med det samme. I løbet af nogle få år havde de fleste kosmologer enten adopteret big bang teorien eller var holdt op med at offentliggøre papirer om emnet. Penzias og Wilson vandt Nobelprisen i fysik i 1978 for deres bedrift. Så sent som i april måned (1992, o.a.) godtgjorde variationer i baggrundsstrålingen en anden af big bang teoriens forudsigelser.
    Men ingen kunne have været klar over betydningen af den kosmiske mikrobølge baggrund uden den mængde viden, som mange andre forskere havde opbygget i århundredets løb. Historien om opdagelsen giver en anden slags indsigt. Ved at følge historien forbi 1965, for at se hvordan opdagelsen påvirkede status af rivaliserende kosmologiske teorier, kan vi afprøve konkurrerende ideer om det videnskabelige fremskridts natur.
    Big bang kosmologi begyndte at komme i fokus i 1930'erne, efter at Edwin Hubble, den glimrende amerikanske astronom, viste, at galakser ser ud til at vige fra hinanden og at de fjerneste viger med den største hastighed. Hubbles opdagelse betyder, at universet udvider sig. Den blev også tolket til at betyde, at universet engang havde været koncentreret i et meget lille områ til et bestemt tidspunkt. Alexander A. Friedman, en russisk fysiker, og Georges Lemaître, en belgisk præst, brugte hver Albert Einsteins almene relativitetsteori til at beskrive, hvordan et sådant ekspanderende univers kunne udvikle sig.
    Atomfysikken spillede en rolle ved at sørge for de værktøjer, man skulle bruge til at lave modeller af syntesen af grundstoffer fra fundamentale partikler. Disse værktøjer tjente ikke blot George Gamov, big bangs helt, og hans kolleger Ralph A. Alpher og Robert Herman men også Fred Hoyle - som da var på University of Cambridge - som foretrak den rivaliserende stabil tilstand teori.
    Vigtige for det teoretiske arbejde var de bidrag som Einstein og Max Planck kom med ved århundredskiftet, mens de formulerede sortlegemestrålingens fysik. Det sorte legeme får sit navn fra dets idealiserede egenskab ved at absorbere al indkommende stråling og så udstråle den igen. Denne genudstrålede energi er fordelt over spektrummet i et yderst karakteristisk mønster, forudsagt af Planck. Fordi den oprindelige ildkugle, i sine tidlige faser, ville have bragt energi og stof i perfekt termisk ligevægt, ville den første stråling, der blev frigjort fra den afkølende eksplosion, skulle udvise sortlegememønstret.

 

    Hvad der yderligere skulle tilføjes, var en præcis beregning af hvor energifyldt det spektralmønster ville fremstå i dag, mange milliarder år efter ildkuglen begyndte at udvide sig og afkøles. Hvad var temperaturen af strålingen i rummet? Et svar på det spørgsmål skulle først komme efter forskerne udviklede en kvantitativ teori for udviklingen af ildkuglen efter big bang.
    Udviklingen af denne kvantitative teori begyndte med Gamov, en russiskfødt fysiker som var blevet kendt ved at forklare radioaktivt henfald. I 1930'erne kom han til U.S.A., underviste først på George Washington University og så på University of Colorado. På George Washington koncentrerede han sig om de astrofysiske og kosmologiske sider af kernereaktioner - mest af alt mekanismerne ved hvilke de første grundstoffer var blevet syntetiseret.
    Gamov ledte efter sit svar i begge ender af den kosmiske skala. I de tidlige 1930'ere viste astronomer, at de fleste stjerner overvejende var sammensat af brint og helium. Det var rimeligt at antage, at brint var det første grundstof, der dannedes, fordi dets kerne kun indeholder en enkelt proton og at helium - det næsttungeste grundstof, hvis kerne indeholder to protoner og to neutroner - var det første "højere" grundstof dannet ved sammensmeltningen af brint. Men protoner vil kun smelte sammen, hvis en eller anden kraft overvinder den umådelige elektrostatiske frastødning mellem dem. Denne proces syntes at kræve så megen varme og tryk, at kun en oprindelig begivenhed eller en stjernes indre kunne have sørget for de rette forhold.

 

    Den regerende teori for stjerners kernefysik, som i det store og hele forbliver gyldig i dag, var blevet udviklet i 1938 af den tyskfødte fysiker Hans Bethe fra Cornell University. Bethe ønskede at forklare, hvordan Solen skinner. Han gjorde det ved at antage, at kernefusion i stjerners indre omdanner masse til energi. Specifikt foreslog Bethe, at to fusionsrektioner kunne finde sted i stjerner som Solen: en sammensmelter protoner til heliumkerner og en anden tilfører protoner til kulkerner og danner tungere grundstoffer.
    Men hvor kom kullet fra? Det spørgsmål blev ikke besvaret før 1950'erne, da Hoyle foreslog en reaktion, der kunne frembringe kul fra tre heliumkerner under de særlige forhold, som findes i en stjernes kerne. Den reaktion og andre, som var nødvendige for at skabe tungere grundstoffer, blev bekræftet eksperimentelt i en højenergi partikelaccelerator af William A. Fowler og hans gruppe på California Institute of Technology. Hoyle og E.E. Salpeter gav vigtig teoretisk hjælp. I 1957 var et skema, som forklarede, hvordan stjerner kunne have frembragt de fleste af grundstofferne fra brint og helium, blevet udarbejdet af Fowler, Hoyle og Margaret Burbidge fra Caltech sammen med Geoffrey Burbidge, som da var på Mount Wilson og Palomar observatorierne. Arbejdet blev udført uafhængigt af A.G.W. Cameron, som da var på Atomic Energy of Canada. Dog forblev den kosmiske mængde helium et mysterium.
    Gamov havde allerede formuleret en vovet hypotese, som til sidst førte til løsningen på helium mysteriet. I sin version af big bang foreslog Gamov, at grundstofferne kunne være blevet dannet, før stjernerne blev skabt, i en utrolig varm og tæt gas af neutroner. Nogle af neutronerne ville så være henfaldet til protoner og elektroner - brints byggestene. I 1948 blev Gamov, som både var kendt for sin utålmodighed med detaljer og sit geni, tildelt opgaven med at udvikle teorien for Ralph Alpher, en studerende på George Washington. Alpher slog sig senere sammen med Robert Herman fra Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory. Alpher gav Gamovs begyndelsessubstans navnet "ylem" fra et græsk ord, der betyder "oprindeligt stof".

Ifølge Gamovs teori, som den blev udarbejdet af Alpher og Herman, dannedes større kerner i det oprindelige inferno, når de mindre, begyndende med brint, voksede gennem den fortløbende indfangning af neutroner. Processen fortsatte, indtil forsyningen af frie neutroner løb tør, temperaturen faldt og partiklerne spredtes.
    Hoyle søgte at forklejne denne nye rival til hans egen stabil tilstand teori ved at kalde den big bang teorien. Forsøget på nedgørelse mislykkedes: udtrykket var så livagtigt, at teoriens fortalere tog det til sig som deres eget.
    Alpher og Herman indså snart, at strålingen, der gennemtrængte deres modelunivers, ville bibeholde spektrummet som en sortlegemekilde, når det afkøledes. Desuden kunne de beregne, hvordan universets udvidelse ville have dæmpet denne stråling og reduceret dens temperatur. De to forskere brugte estimater af den nuværende stoftæthed i universet til at forudsige temperaturen af den kosmiske baggrundsstråling i dag og udledte en værdi på omkring fem kelvin (grader Celsius over absolut nul).
    Astronomer havde ikke travlt med at bekræfte forudsigelsen, måske fordi de ikke vidste, hvordan de skulle udvælge den kosmiske baggrund fra andre strålingskilder eller måske fordi de ikke tog den kosmologi alvorligt på hvilken, forudsigelsen var baseret. Den oprindelige version af big bang teorien havde to store ulemper. For det første forklarede den ikke dannelsen af grundstofferne ud over helium, som har et massetal på fire. Fordi der ikke er nogen stabile isotoper, der har massetal på fem og otte, kan man ikke lave tungere grundstoffer af helium ved at tilføje neutroner en af gangen. Dette problem kunne kun løses ved at inddrage Hoyles, Fowlers og samarbejdspartneres stellare kernesyntese, et begreb der er forbundet med stabil tilstand teorien. Faktisk antager den moderne version af big bang teorien, at grundstoffer ud over helium først opstod efter dannelsen af den første generation stjerner.
    En anden indvending mod et big bang univers involverede spørgsmålet om alder. Astronomiske målinger af afstandene og galaksernes vigehastigheder, i forbindelse med Hubbles lov for udvidelse, betød, at universet var to milliarder år gammelt. Dog beviser alderen af klipper på jordens overflade, at planeten er betydeligt ældre end det.
    Stabil tilstand teorien blev undfanget for at løse denne tilsyneladende modsætning. En aften i 1946 gik tre unge forskere i Cambridge, England - Hoyle, Herman Bondi og Thomas Gold - i biografen for at se en spøgelsesfilm, Dead of Night. Som Hoyle senere erindrede filmen "havde den fire adskilte dele genialt sammenkædet på en sådan måde, at filmen blev cirkelformet, så dens slutning var den samme som begyndelsen". Gold spurgte sine venner, om universet kunne være konstrueret på samme måde. I den påfølgende diskussion skitserede forskerne en dynamisk, men ikke cyklisk, model af universet, som altid ville se ens ud, skønt det hele tiden ændrer sig.
    Ifølge Hoyle, Bondi og Gold havde universet ingen begyndelse. De argumenterede for, at det at galakserne suser bort fra os, ikke medfører en fortsat dæmpning af stof: vor egen galakse vil aldrig blive efterladt alene, sagde de, fordi stof fortsat bliver skabt med en hastighed, der lige er tilstrækkelig til at kompensere for det stof, der forsvinder fra det synlige univers. Dette nye stof vil med tiden danne stjerner og galakser, så universet vil altid se omtrent ens ud for enhver observatør på ethvert tidspunkt.
    Man kunne indvende, at skabelsen af stof fra ingenting overtræder loven om bevarelse af masse og energi. Svaret er indlysende: big bang overtræder også denne lov og gør det ved at skabe stof på en gang ved tidens begyndelse, når hændelsen er udenfor rækkevidde af videnskabeligt studium. (I en senere version af stabil tilstand teorien foreslog Hoyle, at tyngdemæssig energi skaber stof, en forfining som genskaber den overordnede bevarelse af masse-energi, men som indfører andre problemer.)
    Fortalere for den stabile tilstand forsikrede, at deres teori var mere videnskabelig end big bang, fordi den postulerede en proces - fortløbende skabelse - som i princippet kunne observeres. Desuden, argumenterede de, gjorde deres teori bestemte forudsigelser af en slags, som astronomer kunne afprøve i den nære fremtid.
    Ved at satse deres model på resultatet af et lille antal observationer påkaldte Bondi, Gold og andre fortalere for stabil tilstand teorien udtrykkeligt doktrinen, som blev fremsat af Karl Popper, en østrigskfødt filosof, som nu lever i England. Popper definerer videnskab som en disciplin, der er grundlagt på skabelsen af hypoteser, der forudsiger fænomener - helst nye - der kan afprøves. Hvis en forudsigelse fejler, forlader forskeren hypotesen; hvis hypotesen overlever, hævder forskeren ikke at have bevist den, men kun at have etableret hypotesen som grundlag for yderligere forskning.
    Poppers princip hævder, at mulighed for afprøvning, snarere end sandhed, bør være kriteriet for at bedømme videnskabelige teorier. For eksempel forkaster Popper marxisme og psykoanalyse som "pseudovidenskab", fordi han tror, at disse teorier er så fleksible, at de kan forklare enhver kendsgerning og således undgå enhver afprøvning.
    Bondi foreslog at udfordre stabil tilstand teorien ved, at sammenligne universet som det er med universet, som det engang var. Fordi stabil tilstand teorien siger, at universet altid ser ens ud, forudsiger den, at galakser dannet for nylig vil ligne dem, der blev dannet for længe siden. Hvis man ser ud i rummet - og således tilbage i tiden fordi lysets hastighed er endelig - og ser, at fjerne galakser er forskellige fra nærtliggende, konkluderede Bondi, "så er stabil tilstand teorien stendød". Som andre, der skrev før 1965, manglede Bondi imidlertid at nævne en anden afprøvning af stabil tilstand teorien: den forudsiger ikke en kosmisk mikrobølge baggrund.
    Teorien fejlede den afprøvning, Bondi havde sat for den. I 1950'erne og de tidlige 1960'ere viste en variation af astronomiske observationer, at universet havde forandret sig væsentligt med tiden. Martin Ryle fra Cambridge talte både fjerne og nærtliggende radiokilder og viste at de fjernere signaler havde været længere om at ankomme og således afspejlede et tidligere trin i kosmisk historie. Ryle konkluderede, at der havde været færre kilder i fortiden. Skønt nogle astronomer argumenterede for, at han ikke havde bevist sin påstand, dukkede der yderligere bekræftende vidnesbyrd op, da astronomer opdagede, hvad der forekom at være de ældste udstrålende kilder - kvasistellare objekter, eller kvasarer. Disse objekter havde overhovedet ingen moderne parallel.
    I mellemtiden blev det vanskelige emne om uoverensstemmelsen mellem universets alder og jordens alder løst på en måde, som favoriserede big bang. I 1952, ved at følge lederskabet af Walter Baade fra Mount Wilson Observatory, reviderede astronomer deres skala for galaktiske afstande opad med en faktor to. Den estimerede alder af universet fordobledes derfor. Senere arbejde hævede den til et minimum af 10 milliarder år, hvorimod jordens alder forblev fast på 4,5 milliarder år.
    Alligevel var der mange forskere, især i England, som kunne lide enkelheden i stabil tilstand teorien og derfor fortsatte med at klynge sig til begrebet. De pegede på, at man ikke behøvede at gøre tilfældige antagelser om et big bang eller bekymre sig om, hvad der skete før big bang. Fortalere for stabil tilstand modellen blev også opmuntret af de tidligere fejlslagne forsøg på tilbagevisning, optegnelser der gjorde dem mistænksomme overfor nye angreb.
    Efterhånden som tilhængerne af stabil tilstand brugte mere og mere tid på at bortforklare de vidnesbyrd, der samlede sig mod deres teori, blev deres fastholden af Poppers metoder stadig mindre troværdig. I stedet syntes de at illustrere Plancks mere kyniske syn på videnskab. I sin Scientific Autobiography and Other Papers (1949) argumenterede den store fysiker, "En ny videnskabelig sandhed triumferer ikke ved at overbevise sine modstandere og få dem til at se lyset, men snarere fordi dens modstandere med tiden dør og en ny generation vokser op, som er kendt med den."

FRED HOYLE, forkæmper for stabil tilstand universet, undfangede teorien med Hermann Bondi og Thomas Gold i 1946, efter at de tre havde set en film om en spøgelseshistorie, hvis handling endte med en tilbagevenden til åbningsscenen.

Plancks princip, som videnskabshistorikere nu kalder det, modsiger Poppers princip ved at lægge vægt på det menneskelige element i videnskab til skade for abstrakt logik. Ligesom astronomer kan vægte big bang mod stabil tilstand som en beskrivelse af universet, så kan videnskabshistorikere prøve at bestemme sig mellem Plancks og Poppers beskrivelser af videnskab. Lad os se hvad der forekommer mest nøjagtigt i dette særlige tilfælde, uden at skulle bedømme om videnskab altid virker på denne måde.
    I 1959 viste en undersøgelse, at et flertal af astronomer forkastede kontinuerlig skabelse, skønt kun en tredjedel af dem der stemte faktisk gik ind for big bang. Selv Hoyle opgav sin oprindelige model og erstattede den med en mere kompliceret hypotese. I 1964 konkluderede han, at den store mængde af helium i universet betød, at det havde været "kogt" ved temperaturer der oversteg 10¹⁰ kelvin. Alligevel nægtede Hoyle at opgive ideen om kontinuerlig skabelse af stof. En ny rystelse var nødvendig.
    Opdagelsen af den kosmiske mikrobølge baggrund gav den rystelse. Penzias og Wilson gjorde opdagelsen ved at måle rummets temperatur eller, som en fysiker ville sige, ved at detektere den Planck sortlegeme spektrale fordeling, som svarer til en særlig temperatur. Elektromagnetisk stråling gennemtrænger områderne mellem planeterne og stjernerne og den kan detekteres af instrumenter på jorden. Meget af denne stråling kommer ved specifikke frekvenser bestemt af de fysiske og kemiske egenskaber ved astronomiske kilder. Den kan således ikke karakteriseres nøjagtigt af en enkelt temperatur. I stedet ser forskerne efter stråling, der er i termisk ligevægt ved en bestemt temperatur. Det vil sige, at strålingen er kontinuerligt fordelt over forskellige frekvenser ifølge den lov, som blev opdaget af Planck i 1900.
    Planck fordelingen har en karakteristisk form for hver temperatur. For det univers, vi lever i, svarer baggrundsstrålingen til en temperatur, der er lidt mindre end tre kelvin. Fordelingen topper ved en bølgelængde på omkring 0,18 centimeter, som er i spektrummets mikrobølgeområde.
    Man kan udlede rummets temperatur indirekte. Som Arthur Stanley Eddington pegede på i 1926, vil mængden af lys, der kommer fra alle stjerner, - dvs. den totale energitæthed - svare til 3,2 kelvin, hvis den blev konverteret til termisk ligevægt. Men Eddington foreslog ikke en specifik procedure til at afprøve hans forudsigelse.
    På den tid ville selv en forsker af Eddingtons kaliber have fundet opgaven skræmmende. Det er indlysende, at almindelige termometre ville blive overvældet af energi kommende fra solen, andre himmelobjekter og jordens atmosfære. Kun yderst følsomme instrumenter, indstillet til bølgelængder mellem en millimeter og en centimeter og isoleret fra lokale kilder, kan håbe på at detektere de kosmiske mikrobølger.
    Omkring 15 år efter Eddington gjorde sin forudvidende forudsigelse, foreslog Andrew McKellar fra Dominion Astrophysical Observatory i Canada en praktisk måde at måle det, han kaldte rummets effektive temperatur. McKellar, som var en af de første astronomer til at foreslå, at molekyler såvel som atomer kunne eksistere i det interstellare rum, foreslog, at cyanogen (CN) molekylet kunne bruges som termometer. Han bemærkede, at cyanogen udstråler spektrallinier, hvis relative intensitet svarer til antallet af elektroner i højere energitilstande - i sig selv en funktion af rummets temperatur; McKellar estimerede den temperatur til at være 2,3 kelvin.
    Disse indirekte indfaldsvinkler kunne ikke udelukke interferens fra lokale kilder. For at gøre det må man detektere selve strålingen og kortlægge den hen over himlen. Radarudstyr udviklet på Massachusetts Institute of Technology under Anden Verdenskrig var kun lige i stand til at detektere den kosmiske baggrund direkte - for nogen der ønskede at lede efter den.
    I 1946 rapporterede en gruppe på M.I.T., ledet af Robert H. Dicke, atmosfæriske strålingsmålinger taget af et mikrobølge radiometer. Holdet bemærkede, at "strålingen fra kosmisk stof ved radiometer bølgelængder" var temmelig svag - mindre end det, der svarede til 20 kelvin - men fulgte ikke op på denne observation. Dicke, som efterfølgende flyttede til Princeton University, huskede senere, at "på tidspunktet for denne måling tænkte vi ikke på 'big bang' strålingen men kun på en mulig glød udstrålet af de mest fjerne galakser i universet."
    Steven Weinberg foreslår i sin bog The First Three Minutes to grunde til hvorfor ingen lavede en systematisk eftersøgning af baggrundsstrålingen før 1965. For det første havde big bang mistet nogen troværdighed, da den ikke forklarede dannelsen af grundstoffer tungere end helium, så det forekom ikke vigtigt at afprøve teoriens andre forudsigelser. I modsætning hertil syntes kernesyntese i stjerner - en teori, der var forbundet med stabil tilstand kosmologi - at forklare, hvordan tunge grundstoffer kunne være blevet lavet fra brint og helium, selv om den ikke forklarede, hvordan helium i første række var blevet dannet.
    For det andet peger Weinberg på et nedbrud i kommunikationen mellem teoretikerne og eksperimentatorerne. Teoretikerne erkendte ikke, at man kunne observere strålingen med eksisterende udstyr og eksperimentatorerne erkendte ikke betydningen af deres observationer. Fra dette perspektiv er det bemærkelsesværdigt, at Dicke, som er både teoretiker og eksperimentator, spillede en vigtig rolle: sammen med P. James E. Peebles hjalp han med at forbinde en særlig mikrobølge støj med kosmologisk teori.
    Den mest bemærkelsesværdige tabte mulighed var resultatet af en misforståelse mellem Gamov og Hoyle. Skønt de hver kritiserede den andens teori, kunne de alligevel have venlige diskussioner. I sommeren 1956 fortalte Gamov Hoyle, at universet må være fyldt af mikrobølgestråling med en temperatur på omkring 50 kelvin. (Han kom til dette estimat alene, efter Alpher og Herman havde offentliggjort deres forudsigelse.)
    Men nu var det sådan, at Hoyle var bekendt med McKellars forslag om, at rummets temperatur er omkring tre kelvin. Så Hoyle argumenterede for, at temperaturen ikke kunne være så høj, som Gamov hævdede. Men ingen af dem erkendte, at hvis en direkte måling kunne bekræfte tre-kelvin værdien og også etablere Planck spektrummet, så ville det forkaste stabil tilstand teorien, som - hvilket Hoyle anerkendte - forudsiger en nul temperatur for rummet.
    En anden slags kommunikationsproblem - satellit forbindelser - førte til opdagelsen af den kosmiske mikrobølge baggrund. Bell Labs ønskede, at deres satellitter skulle overføre så megen information som muligt ved mikrobølgefrekvenser, en opgave som krævede, at deres arbejdere skulle finde og eliminere støj fra alle kilder. Forbindelseshardwaren, som var afledt fra firmaets krigsrelaterede arbejde på radar, bestod af en hornformet modtager, som Bell Labs ingeniørerne Harald T. Friis og A.C. Beck havde bygget i 1942. En anden Bell Labs ingeniør, Arthur B. Crawford, bragte ideen langt videre. I 1960 byggede han en 20 fods horn modtager på Crawford Hill fabrikken nær Holmdel, N.J. Den reflektor, som oprindelig blev brugt til at modtage signaler, der blev tilbagekastet fra en plasticballon højt oppe i atmosfæren, blev ledig til andre formål lige i rette tid for Penzias og Wilson.
    De to forskere ønskede at starte et forskningsprogram i radioastronomi. For at forberede det yderst følsomme instrument til deres arbejde måtte Penzias og Wilson først fjerne mikrobølgestøj fra det. De første få forsøg slog fejl. Endelig, i januar 1965, hørte Penzias, at Peebles havde en teori, som kunne forklare oprindelsen til det stædigt vedholdende signal.
    Peebles arbejdede med Dicke på Princeton omkring 25 miles fra Holmdel laboratoriet. Dicke forkastede antagelsen om, at universet nødvendigvis begyndte med big bang. Han mente, at det var mere sandsynligt, at universet gennemgik faser af udvidelse og sammentrækning. Ved slutningen af hver sammentrækning, gisnede han, ville alt stof gennemgå temperaturer og tætheder, som var intense nok til at nedbryde de tungere kerner til protoner og neutroner.
    Skønt Dickes univers ikke begyndte med et big bang, skulle det begynde med en lignende katastrofe. Desuden medførte Dickes kosmologi en begyndelsesildkugle med stråling af høj temperatur, som bibeholder sin Planck sortlegeme karakter, når den nedkøles og han anslog, at den nuværende temperatur af strålingen ville være 45 kelvin. Han havde åbenbart glemt sin egen måling fra 1946, der antydede eksistensen af baggrundsstråling ved en temperatur mindre end 20 kelvin. Peebles lavede yderligere beregninger fra Dickes teori og opnåede et estimat på omkring 10 kelvin.

SORTLEGEME STRÅLING, forudsagt af big bang teorien, indebærer, at den tidligste stråling i universet nu vil synes at udspringe fra en kilde nogle få grader over absolut nul. Penzias og Wilson bekræftede spektret i et enkelt punkt; andre har senere bekræftet det i et bredt område af frekvenser.

Så begyndte Dicke og Peebles sammen med to studerende, P.G. Roll og D.T. Wilkinson, at konstruere en antenne på Princeton for at måle den kosmiske baggrundsstråling. Før de havde en chance for at få nogen resultater, modtog Dicke et opkald fra Penzias, der foreslog, at de skulle mødes for at diskutere støjen i Crawford antennen, som svarede til en temperatur på omkring 3,5 kelvin. Det blev snart klart, at Penzias og Wilson allerede havde detekteret den stråling, Dicke og Peebles og tidligere Alpher og Herman havde forudsagt. Men indtil de to astronomer talte med Dicke og Peebles, vidste de ikke, hvad de havde fundet. Den teoretiske tolkning var vigtig for at vende blot detektion til sand opdagelse. Den opdagelse kom mere end et årti forsinket, fordi den videnskabelige verden helt enkelt havde overset det tidligere arbejde af Gamov, Alpher og Herman.
    Rapporterne fra grupperne på Bell Labs og Princeton blev sendt til Astrophysical Journal i maj 1965 og kom sammen i nummeret fra den 1. juli. Offentliggørelsen udløste en strøm af artikler i både massemedierne og de videnskabelige tidsskrifter. Selv Hoyle indrømmede, at stabil tilstand teorien, i det mindste i dens oprindelige form, "nu må kasseres", selv om han senere prøvede at holde fast i en modificeret version, der kunne forklare mikrobølgestrålingen. Men Bondis understregning af muligheden for afprøvning af stabil tilstand teorien var kommet tilbage for at plage dens fortalere. Ethvert forsøg på at bøje teorien for at forklare de ny opdagelser risikerede at blive kaldt pseudovidenskab.
    Skønt pressen var hurtig til at konkludere, at Penzias og Wilson definitivt havde bekræftet big bang, erkendte forskere, at deres resultater var begrænset til nogle få bølgelængder klumpet sammen i den ene ende af Planck kurven. Andre forklaringer på baggrundsstrålingen, som en kombination af radiokilder, kunne forklare disse datapunkter. Det var ikke før midten af 1970'erne, at nok målinger ved forskellige frekvenser var blevet udført til at overbevise skeptikerne om, at baggrundsstrålingen virkelig følger Plancks lov. CN molekylets spektrum spillede en vigtig rolle her, da astronomer genoplivede og byggede på McKellars tidligere arbejde.
    Sent i 1970'erne havde næsten alle de oprindelige støtter af stabil tilstand modellen udtrykkeligt forladt den eller var simpelthen holdt op med at offentliggøre papirer om emnet. En undersøgelse af amerikanske astronomer udført på det tidspunkt af Carol M. Copp fra California State University at Fullerton fandt, at en stor majoritet støttede big bang frem for stabil tilstand.
    Den hurtige afgang af stabil tilstand teorien efter 1965 viser, at Poppers princip, snarere end Plancks, gælder i dette tilfælde. Opdagelsen af den kosmiske mikrobølge baggrund, kombineret med argumenter om heliumudbredelse og observationer af fjerne radiokilder og kvasarer, overbeviste de fleste tilhængere af stabil tilstand om, at deres teori ikke længere var værd at forfølge. Den var blevet afprøvet og fundet mangelfuld.
    Alligevel prøvede Hoyle og nogle få af hans kolleger i 1990, da stabil tilstand teorien næsten var glemt, at genoplive den som en "mini big bang" teori og argumenterede for, at vidnesbyrdene ikke støtter hypotesen om, at en enkelt eksplosion skabte alt. Geoffrey Burbridge opsummerede fornylig dette synspunkt i et essay på disse sider [se "Why Only One Big Bang"; februar 1992].
    Skønt fortalere for big bang kunne afvise de fleste sådanne kritikpunkter, var der stadig nogle mysterier, der forblev uløste. For eksempel forekom mikrobølge baggrunden for jævn. Den manglede de små variationer i temperatur og, derfor underforstået, i tæthed, som syntes nødvendig for at tilså senere tyngdemæssig sammenklumpning. Uden en sådan tilsåen ville der ikke have været tilstrækkelig tid til at frembringe galakserne og de supergalaktiske strukturer, der observeres nu.
    Så i april i år (1992, o.a.) frigav George P. Smoot og hans kolleger på University of California at Berkeley og på Lawrence Berkeley Laboratory vidnesbyrd, som kan fylde dette gab i big bang teorien. De bekendtgjorde en analyse af målinger af den kosmiske baggrundsstråling indsamlet af et kredsende observatorium kaldet Cosmic Background Explorer (COBE). Data viste små temperaturvariationer i den kosmiske baggrund, ligesom det var ventet af big bang teoretikere. Forskerne tolker disse "krusninger" som svingninger i stoffets tæthed og energi i en meget tidlig fase af kosmisk historie. Sådanne krusninger kan hjælpe med at forklare, hvordan stof klumpede sig sammen under kraften fra sin egen gravitation i tide til at danne stjernerne, galakser og større strukturer i det moderne univers.
    Begyndte universet virkelig ved big bang eller var der en forudgående sammentrækningsfase - et "stort knas" - som førte til den høje temperatur og tæthed? Vil universet fortsætte med at udvide sig for evigt eller vil det med tiden kollapse til et sort hul? Involverer skabelsen af universet kvanteteori på en fundamental måde? Disse ideer dominerer nu fysiske tanker [se "Quantum Cosmology and the Creation of the Universe," af Jonathan J. Halliwell; Scientific American, december 1991], [Kvantekosmologi og universets skabelse]. At forskere finder sådanne spørgsmål værdige til seriøs undersøgelse er i sig selv hovedsagelig en konsekvens af opdagelsen af den kosmiske mikrobølge baggrund, som omdannede kosmologi til en empirisk videnskab.

Yderligere læsning

In Search of the Big Bang: Quantum Physics and Cosmology. John Gribbin. Bantam Books, 1986. På dansk: På sporet af The Big Bang: Kvantefysikken og kosmologien. John Gribbin. På dansk ved Mogens Nørgaard Olesen. Gyldendal, 1987.

The Cosmic Microwave Background: 25 Years Later. Edited by N. Mandolesi og N. Vittorio. Kluwer Academic Publishers, 1990.

Modern Cosmology in Retrospect. Edited by B. Bertotti et al. Cambridge University Press, 1990.

The Case for the Relativistic Hot Big Bang Cosmology. P.J.E. Peebles, D.N. Schramm, E.L. Turner og R.G. Kron i Nature, Vol. 352, No. 6338, siderne 769-776; 29 august, 1991.

* Stephen G. Brush har undervist i videnskabens historie på University of Maryland at College Park siden 1968. Før det forskede han i teoretisk fysik på Lawrence Livermore Laboratory og hjalp med at skrive teksten til et high school fysikkursus udviklet på Harvard University. Han har skrevet om udviklingen af den kinetiske teori om gasser, solsystemets oprindelse og andre emner i den moderne videnskabs historie. Han tilbringer det akademiske år 1992-93 på Institute for Advanced Study in Princeton, N.J., med at analysere hvordan empiriske afprøvninger påvirker forskeres valg af teorier.

Oversat fra How Cosmology Became a Science, Scientific American, august, 1992, ss.34-40.

27. februar, 2006.

Kvantekosmologi og universets skabelse

Index