Kosmisk udforskning er i fremragende grad det 20. århundredes
præstation. Først i 1920'erne forstod
vi, at vor Mælkevej, med dens 100 milliarder
stjerner, kun er én galakse blandt millioner. Vort
empiriske kendskab til universet har hobet sig op lige
siden. Vi kan nu placere hele vort solsystem i en stor
evolutionær sammenhæng og spore de atomer,
det består af, tilbage til de første øjeblikke
af Big Bang. Hvis vi nogensinde opdagede fremmede intelligenser,
ville en ting vi kunne dele med dem - måske den
eneste - være en fælles interesse for det
kosmos, hvorfra vi alle er dukket op.
Ved brug af den nuværende generation af jordbaserede
observatorier og observatorier i kredsløb kan
astronomerne se tilbage i fortiden og se klare vidnesbyrd
om universets udvikling. Storslåede billeder
fra Hubble Space Telescope afslører galakser,
som de var i fjerne tider: kugler af glødende
diffus gas plettet af massive, hurtigtbrændende
blå stjerner. Disse stjerner omdannede den oprindelige
brint fra Big Bang til tungere atomer og når
stjernerne døde tilsåede de deres galakser
med de grundlæggende byggesten til planeter
og liv - carbon, oxygen, jern og så videre. En
skaber behøvede ikke at dreje 92 forskellige
knapper for at lave alle de naturligt forekommende
grundstoffer i den periodiske tabel. Istedet virker
galakserne som umådelige økosystemer,
smedende grundstoffer og genbrugende gas i successive
generationer af stjerner. Selve den menneskelige race
er sammensat af stjernestøv - eller, mindre
romantisk, kerneaffaldet fra det brændstof, der
får stjerner til at skinne.
Astronomer har også lært meget om den tidligere,
prægalaktiske æra ved at studere mikrobølgebaggrundsstrålingen, som luner selv det intergalaktiske
rum en smule. Denne skabelsens efterglød fortæller
os, at hele universet engang var varmere end stjerners
centrum. Forskere kan bruge laboratorie data til at
beregne hvor megen kernefusion, der ville have fundet
sted i løbet af de første minutter efter
Big Bang. De forudsagte proportioner af brint, deuterium
og helium stemmer godt overens med det, astronomerne
har observeret og bestyrker derved Big Bang teorien.
Ved første øjekast kan det forekomme
overmodigt og forhastet at forsøge at fatte
kosmos, selv i det 20. århundredes sidste dage.
Ikke desto mindre har kosmologerne gjort virkelige
fremskridt i de seneste år. Det skyldes, at det,
der gør tingene forbløffende, er deres
grad af kompleksitet, ikke deres rene og skære
størrelse - og en stjerne er enklere end et
insekt. Den heftige varme inde i stjerner og i det
tidlige univers garanterer, at alt nedbrydes til dets
enkleste bestanddele. Det er biologerne, hvis rolle
det er at studere den indviklede struktur i mange lag
hos træer, sommerfugle og hjerner, som står
over for den vanskeligste udfordring.
Fremgangen i kosmologi har bragt nye mysterier i skarpere
fokus og rejst spørgsmål, som vil udfordre
astronomerne et godt stykke ind i næste århundrede.
Hvorfor indeholder universet for eksempel dets observerede
blanding af ingredienser? Og hvordan hævede det,
fra sin tætte begyndelse, til så enorm
størrelse? Svarene vil føre os hinsides
den fysik, vi kender og vil kræve nye indsigter
i rummets og tidens natur. For virkelig at forstå
universets historie, skal forskerne opdage de dybe
forbindelser mellem det stores kosmiske rige og det
meget lilles kvanteverden.
Det er forvirrende at indrømme, men astronomerne
ved stadig ikke, hvad vort univers er lavet af. De objekter,
der udsender stråling, som vi kan observere -
som stjerner, kvasarer og galakser - ,udgør kun
en lille brøkdel af universets stof. Størstedelen
af stoffet er mørkt og ikke gjort rede for.
De fleste kosmologer tror, at mørkt stof er
sammensat af svagt vekselvirkende partikler, som er
tilovers fra Big Bang, men det kunne være noget
endnu mere eksotisk. Hvad tilfældet end er, er
det klart, at galakser, stjerner og planeter kun er
efternølere i et kosmos, som domineres af helt
anderledes materiale. Eftersøgninger af mørkt
stof, hovedsagelig via følsomme underjordiske
eksperimenter, som er konstrueret til at detektere
flygtige subatomare partikler, vil rask fortsætte
i det kommende årti. Indsatsen er høj:
succes ville ikke alene fortælle os, hvad det
meste af universet er lavet af, men ville sandsynligvis
også afsløre nogle fundamentalt nye typer
partikler.
Astronomerne er heller ikke sikre på, hvor meget
mørkt stof der er. Vort univers' endelige skæbne
- om det fortsætter med at udvide sig uendeligt
eller om det med tiden ændrer kurs og kollapser
til det såkaldte store knas - afhænger
af den totale mængde sort stof og den gravitation
det udøver. Nuværende data indikerer,
at universet kun indeholder omkring 30 procent af det
stof, som ville være nødvendigt til at
stoppe udvidelsen. (I kosmologers jargon, omega - forholdet
mellem den observerede tæthed og den kritiske
tæthed - er 0,3.) Odds, som begunstiger evig
vækst, er fornyligt blevet forstærket yderligere:
interessante observationer af fjerne supernovaer antyder,
at universets ekspansion måske sætter farten
op i stedet for at gå langsommere. Nogle astronomer
siger, at observationerne er vidnesbyrd om en ekstra
frastødende kraft, som overvinder gravitationen
på kosmiske skalaer - det Albert Einstein kaldte
den kosmologiske konstant. Juryen er stadig ude om
dette emne, men hvis eksistensen af den frastødende
kraft bekræftes, vil fysikerne lære noget
radikalt nyt om den latente energi i tomt rum.
Det er også sandsynligt, at forskningen vil fokusere
på udviklingen af universets struktur i stor
skala. Hvis man skulle besvare spørgsmålet
"Hvad er der sket siden Big Bang?" med blot
en sætning, kunne det bedste svar være,
at tage en dyb indånding og sige, "Lige
siden begyndelsen har gravitationen forstærket
uensartetheder, opbygget strukturer og forstærket
temperatur kontraster - en forudsætning for fremkomsten
af den kompleksitet, som ligger omkring os og som vi
er del af." Astronomerne lærer nu mere om
denne 10 milliarder års proces ved at skabe "virtuelle
universer" på deres computere. I de kommende
år vil de kunne simulere universets historie
med stadig forbedret realisme og så sammenligne
resultaterne med det teleskoperne afslører.
Spørgsmål om struktur har optaget astronomer
siden Isaac Newtons tid. Newton undrede sig over, hvorfor
alle planeterne kredsede om Solen i samme retning og
i næsten det samme plan. I sit arbejde fra 1704,
Opticks, skrev han: "Blind tro kunne aldrig få
alle planeterne til at bevæge sig på en
og samme måde i koncentriske baner." Newton
mente, at en sådan vidunderlig ensartethed i
planetsystemet måtte være den guddommelige
forudseenheds virkning.
Nu ved astronomerne, at det, at planeterne bevæger
sig i samme plan, er et naturligt resultat af solsystemets
oprindelse som en spinnende skive af gas og støv.
Vi har faktisk udvidet vor videns fronter til endnu
tidligere tider; kosmologerne kan i grove træk
opridse universets historie tilbage til selve det første
sekund efter Big Bang. Forestillingsmæssigt er
vi imidlertid kun i lidt bedre form end Newton var.
Vor forståelse af begivenhedernes årsagskæde
strækker sig nu længere tilbage i tid,
men vi løber stadig mod en mur, lige så
sikkert som Newton gjorde. Det store mysterium for
kosmologer er den serie begivenheder, som fandt sted
mindre end et millisekund efter Big Bang, da universet
var ekstraordinært lille, varmt og tæt.
De fysiklove, vi kender, giver meget få retningslinier
for forklaringen på, hvad der skete i denne kritiske
periode.
For at løse dette mysterium må kosmologerne
først fastholde - ved at forbedre og forfine
nuværende observationer - nogle af universets
kendetegn, da det kun var et sekund gammelt: dets udvidelseshastighed,
størrelsen af dets tæthedsfluktuationer
og dets proportioner af almindelige atomer, mørkt
stof og stråling. Men for at begribe hvorfor
vort univers blev skabt sådan, må vi gå
længere tilbage, til den allerførste lille
brøkdel af et mikrosekund. En sådan bestræbelse
vil kræve teoretiske fremskridt. Fysikere må
finde en måde at relatere Einsteins almene relativitetsteori,
som styrer vekselvirkninger i stor skala i kosmos,
med de kvanteprincipper der gælder på meget
korte afstande [se "A Unified Physics by 2050?,"
af Steven Weinberg, Scientific American, december 1999],[En forenet fysik i år 2050?].
En forenet teori ville behøves til at forklare,
hvad der skete i de første afgørende
øjeblikke efter Big Bang, da hele universet
var presset ind i et rum mindre end et enkelt atom.
Astronomi er et emne i hvilket, observation er konge.
Nu er det samme sandt i kosmologi - i modsætning
til før-1965 æraen, da spekulation var
ubegrænset. Svarene på mange af kosmologiens
langvarige spørgsmål kommer mest sandsynligt
fra nye teleskoper, der tages i brug nu. De to Keck
Teleskoper på Mauna Kea på Hawaii er langt
mere følsomme end tidligere observatorier og
kan således skimte svagere objekter. Endnu mere
imponerende er Very Large Telescope, som bygges i det
nordlige Chile; det vil være verdens førende
optiske facilitet, når det fuldføres.
Astronomer kan drage fordel af Chandra X-ray Observatory,
som blev sat i kredsløb denne sommer og adskillige
nye radioteleskoper på Jorden. Og om et årti
vil den næste generation af rumteleskoper føre
foretagendet langt hinsides det, Hubble kan opnå.
I god tid før 2050 vil vi sandsynligvis se konstruktionen
af gigantiske observatorier i rummet eller måske
på Månens bagside. Disse apparaturers følsomhed
og evne til billeddannelse vil langt overstige den,
nuværende instrumenter har. De nye teleskoper
vil som mål have sorte huller og planeter i andre
solsystemer. De vil også forsyne os med billeder
af hver kosmologisk æra helt tilbage til det
første lys, da de tidligste stjerner (eller
måske kvasarer) kondenserede fra Big Bangs ekspanderende
stumper. Nogle af disse observatorier kan måske
endda måle gravitationsbølger og lade
forskerne undersøge vibrationer i selve rumtidens
klæde.
Mængden af data, som indsamles af alle disse
instrumenter, vil være så kolossal, at
hele processen med analyse og opdagelse sandsynligvis
vil være automatiseret. Astronomer vil fokusere
deres opmærksomhed på tungt forarbejdede
statistikker for hver population af objekter, de studerer
og på denne måde finde de bedste eksempler
- for eksempel, de planeter i andre solsystemer, som
ligner Jorden mest. Forskere vil også koncentrere
sig om ekstreme objekter, der kan indeholde tegn på
fysiske processer, som endnu ikke er fuldt forstået.
Et sådant objekt er gammastråle udbruddene,
som på nogle få sekunder udsender lige
så megen kraft som en milliard galakser. Astronomerne
vil i stigende grad bruge himlene som et kosmisk laboratorium
til at undersøge fænomener, der ikke kan
simuleres på Jorden.
En anden fordel ved automatik vil være åben
adgang til astronomiske data, som i fortiden kun var
til rådighed for nogle få privilegerede.
Detaljerede kort over himlen vil være til rådighed
for enhver, der kan få tilgang til dem eller
downloade dem. Entusiaster overalt i verden vil kunne
checke deres egne ideer, søge nye mønstre
og opdage nye objekter.
Kosmologer betragter universet som et indviklet tapet,
der har udviklet sig fra startforhold, der blev påført
i det første mikrosekund efter Big Bang. Komplekse
strukturer og fænomener har udfoldet sig fra
enkle fysiske love - vi ville ikke være her,
hvis de ikke havde. Enkle love fører imidlertid
ikke nødvendigvis til komplekse konsekvenser.
Overvej en analog fra det fraktale matematikfelt:
Mandelbrot sættet, et mønster med en uendelig
strukturdybde, indkodes af en kort algoritme, men andre
enkle algoritmer, som overfladisk betragtet ligner
den, giver meget kedelige mønstre.
Vort univers kunne ikke være blevet struktureret,
hvis det ikke ekspanderede med en særlig hastighed.
Hvis Big Bang havde frembragt færre tæthedsfluktuationer,
ville universet være forblevet mørkt og
uden kendetegn, uden galakser eller stjerner. Og der
er andre forudsætninger for kompleksitet. Hvis
vort univers havde mere end tre dimensioner, kunne
planeter ikke forblive i deres baner omkring stjerner.
Hvis gravitationen var ret meget stærkere, ville
den knuse levende organismer af menneskelig størrelse
og stjerner ville være små og kortlivede.
Hvis kernekræfterne var nogle få procent
svagere, ville kun brint være stabilt: der ville
ikke være nogen periodisk tabel, ingen kemi og
intet liv. Hvis, på den anden side, kernekræfterne
var lidt stærkere, kunne selve brinten ikke eksistere.
Nogen ville argumentere for, at denne finjustering af universet,
som forekommer så forudseende, ikke er noget
at være forbavset over, da vi ellers ikke ville
eksistere. Der er imidlertid en anden tolkning: der
kan eksistere mange universer, men kun nogle ville
tillade at skabninger som os dukkede op og vi finder
åbenbart os selv i ét af et sådant undersæt.
Vort univers' tilsyneladende konstruerede kendetegn
behøver således ikke at forårsage
nogen overraskelse.
Måske var vort Big Bang så ikke det eneste.
Denne spekulation forstørrer vort begreb om
virkeligheden dramatisk. Hele vort univers' historie
bliver blot en episode, en enkelt facet af det uendelige
multivers. Nogle universer kunne minde om vort, men
de fleste ville være "dødfødte".
De ville genkollapse efter en kort eksistens eller
lovene, der styrer dem, ville ikke tillade komplekse
konsekvenser.
Nogle kosmologer, især Andrei Linde fra Stanford
University og Alex Vilenkin fra Tufts University, har
allerede vist, hvordan visse matematiske antagelser,
i det mindste teoretisk, fører til skabelsen
af et multivers. Men sådanne ideer vil forblive
i den spekulative udkant af kosmologien, indtil vi virkelig
forstår - i stedet for blot at gætte på
- den ekstreme fysik, der herskede umiddelbart efter
Big Bang. Vil den længe ventede forenede teori
unikt bestemme partiklernes masse og de grundlæggende
kræfters styrke? Eller er disse egenskaber i
en forstand tilfældige resultater af, hvordan
vort univers afkøledes - sekundære manifestationer
af endnu dybere love, der styrer en hel samling universer?
Dette emne kan forekomme mystisk, men multivers ideernes
status påvirker måden, hvorpå vi
bør placere vor satsning i nogle af de løbende
kosmologiske kontroverser. Nogle teoretikere har en
stærk forkærlighed for det enkleste billede
af universet, som ville kræve en omega på
1 - universet ville være lige tæt nok til
at stoppe sin egen udvidelse. De er utilfredse med
observationer, der antyder, at universet ikke er nær
så tæt og med ekstra komplikationer som
den kosmologiske konstant. Måske kunne vi drage
lære af astronomerne fra det 17. århundrede,
Johannes Kepler og Galileo Galilei, som blev bragt
ud af ligevægt, da de fandt, at planetbaner var
elliptiske. Cirkler, mente de, var enklere og smukkere.
Men Newton forklarede senere alle baner ved hjælp
af en enkel, universel lov for gravitation. Hvis Galileo
stadig havde været i live, ville han sikkert
fornøjet have tilsluttet sig ellipser.
Parallellen er indlysende. Hvis et univers af lav tæthed,
med en kosmologisk konstant, forekommer grimt, viser
det måske blot vort begrænsede udsyn. Ligesom
Jorden følger en af de få keplerske baner
omkring Solen, som tillader den at være beboet,
kan vort univers være et af de få beboelige
medlemmer af en større samling.
En udfordring til det ny årtusinde
Medens det 21. århundredes daggry nærmer
sig, udvider forskerne menneskehedens lager af viden
om tre store fronter: det meget store, det meget lille
og det meget komplekse. Kosmologi involverer dem alle.
I de kommende år vil forskerne fokusere deres
anstrengelse på at fastsætte de grundlæggende
universelle konstanter, som omega, og på at finde
ud af hvad mørkt stof er. Jeg tror, der er en
god chance for at nå begge mål inden for
10 år. Måske vil alt passe ind i standard
teoriens rammer og vi vil med held bestemme ikke blot
den relative mængde almindelige atomer og mørkt
stof i universet men også den kosmologiske konstant
og de oprindelige tæthedsfluktuationer. Hvis
det sker, vil vi have taget mål af vort univers,
ligesom vi gennem de sidste få århundreder
har lært størrelsen og formen af vor Jord
og vor sol. På den anden side kan vort univers
vise sig at være for kompliceret til at passe
ind i standard rammerne. Nogle vil måske beskrive
det første resultat som optimistisk; andre vil
måske foretrække at bebo et mere kompliceret
og udfordrende univers!
Desuden skal teoretikerne belyse den eksotiske fysik
i de allertidligste øjeblikke i universet. Hvis
det lykkes, vil vi finde ud af om der er mange universer
og hvilke kendetegn ved vort univers der kun er tilfældigheder
snarere end de nødvendige resultater af de dybeste
love. Vor forståelse vil imidlertid stadig have
grænser. Fysikere kan en dag opdage en forenet
teori, der styrer hele den fysiske virkelighed, men
de vil aldrig blive i stand til at fortælle os
hvad der ånder liv i deres ligninger og hvad
der virkeliggør dem i et virkeligt kosmos.
Kosmologi er ikke kun en fundamental videnskab; den
er også den største af miljøvidenskaberne.
Hvordan udviklede en formløs ildkugle sig i løbet
af 10 til 15 milliarder år til vort komplekse
kosmos af galakser, stjerner og planeter? Hvordan samlede
atomer sig - her på Jorden og måske på
andre verdener - til levende væsner, som er
indviklede nok til at overveje deres egne oprindelser?
Disse spørgsmål er en udfordring til det
nye årtusinde. At besvare dem kan meget vel være
en uendelig søgen.
The Astronomy and Astrophysics Encyclopedia. Edited by Stephen P. Maran. Van Nostrand Reinhold, 1992.
Planet Quest: The Epic Discovery of Alien Solar Systems. Ken Croswell. Free Press, 1997.
The Little Book of the Big Bang: A Cosmic Primer. Craig J. Hogan. Copernicus, 1998.
Fra Exploring Our Universe and Others, Scientific American, december 1999, ss. 44-49.