Udforskning
af vort univers og andre
I det 21. århundrede vil kosmologerne opklare
mysteriet om vort univers' fødsel - og måske også bevise
eksistensen af andre universer
Martin Rees*
Indledning
Antydninger af et multivers?
En udfordring til det ny årtusinde
Yderligere information
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.
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.
*Martin Rees er Royal Society Research Professor på
University of Cambridge og bærer titlen Astronomer Royal. Han
var tidligere direktør for Cambridge Institute of Astronomy og
før det professor ved University of Sussex. Hans forskningsinteresser
inkluderer sorte huller, galaksedannelse og højenergi astrofysik. Han
giver også forelæsninger og skriver omfattende for det almene
publikum. Hans seneste bøger er Gravity's Fatal
Attraction (Scientific American Library, 1996, med Mitchell C. Begelman),
Before the Beginning (Perseus Books, 1998) og Just Six Numbers
(Basic Books, i trykken).
Fra Exploring Our Universe and Others, Scientific American, december 1999, ss. 44-49.
27. juni, 2006.
Indhold
Kvantefilosofi :Én sti:
Det Antropiske Princip
Kosmologisk antigravitation
Det selv-reproducerende inflatoriske univers
Index
|