Det tyvende århundredes videnskab: Den ny labyrint
Peter Whitfield
Indhold:Indledning
INDLEDNINGI de få år mellem
1900 og 1930 fremsatte en række fysikere teorier, som
fuldstændigt væltede alle tidligere opfattelser af stoffets
natur, kræfterne som organiserer det og universets struktur. Disse
teorier rakte hinsides laboratoriet, for de udfordrede etablerede filosofiske
ideer om rum, tid og årsagssammenhæng og om selve muligheden for
objektiv viden. De ville også blive udgangspunktet for nye teknologier,
som ville påvirke verdenspolitikken og udførelsen af socialt liv
dybt. Disse teorier - atomets struktur, relativitet og kvantemekanik - skabte
en form for videnskab, som, for første gang, beboede sin egen
intellektuelle verden, på en måde som Galileos eller Newtons,
Helmholtz' eller Kelvins ikke havde: de syntes at opløse den normale
menneskelige opfattelse af virkeligheden og åbne en afgrund mellem
sandheden om dagligdagens liv og videnskabens sandhed. De gjorde dette gennem
deres afsløringer af den uendeligt lille, ufattelige skala af stoffets
grundpartikler, uforudsigeligheden af de kræfter, der styrer dem og
opløsningen af en fast struktur af rum og tid. Hvor klassisk fysik fra
Newton og fremad tilsyneladende havde rationaliseret og forenet naturens
kræfter og således havde åbnet nye broer for filosofisk og
endda religiøs tænkning, rejste fysikken i det tidlige tyvende
århundrede strukturer, der var unikke for den selv og tilsyneladende irrationale.
Hvis det nittende århundredes fysik var opdagelsen af det usynlige, har
det tyvende århundredes fysik til tider forekommet at være
opdagelsen af det umulige. Den har ført os ind i en ny labyrint, hvor
hvert sving blot fører til en ny og ethvert svar kaster et frisk
mysterium af sig. Denne nye fysik blev hovedsagelig skabt af tyske forskere,
med vigtige bidrag fra England og Frankrig. Var det et uheld, at denne
intellektuelle revolution fandt sted i de år, hvor så meget i
europæisk civilisation også opløstes? Den sociale og
politiske orden, der havde blomstret i det nittende århundrede blev
næsten ødelagt i den Store Krig, som fremskridtets religion blev
det, mens litteraturen, musikken og kunsten blev overvældet af
udfordringer til den formelle struktur og af ønsket om at
afsløre skjulte og muligvis destruktive kræfter. Det var en
tidsalder med spænding og usikkerhed og videnskaben spillede en central
rolle i Europas faustiske drama mellem 1900 og 1940. Den nye fysik, der blev skabt i
denne æra, er fysikken, vi lever med nu - ideerne er moderne og
velkendte og hver ny generation af forskere undervises i dem. Det
følgende vil derfor ikke så meget være en fremstilling af
disse ideer som en krønike om de folk og omstændigheder, som var
involverede i at frembringe dem. Ideerne selv er ofte mærkelige og
paradoksale og deres beviser hviler på avanceret matematik. Man
må erkende, at der nu findes et sproggab mellem det videnskabelige
samfund og verden som helhed, som idehistorikeren simpelthen ikke kan
overvinde, fordi historien er smeltet ind i nutiden. Atomets struktur og naturen af
atomare processer blev forstået, i det mindste foreløbigt,
omkring 1910 og den forståelse blev nået gennem sammensmeltningen
af adskillige stier af forskning og tilfældige opdagelser. Atomernes
fysiske virkelighed var langt fra universelt accepteret, selv i Mendeleyevs
æra, og atomet blev stadig betragtet som en arbejdshypotese af mange
forskere. Alligevel var det første forsøg på at vurdere
atomers størrelse bemærkelsesværdigt nøjagtig. I
1865 lavede Johann Loschmidt fra Wien nogle meget raffinerede beregninger ved
brug af gaskinetik og kom til tallet 10-7 mm (0,00000009 mm) som
diameteren på et luftmolekyle. Meget senere, i 1908, anviste den
franske kemiker Jean Perrin et fintfølende eksperiment til at vise, at
reaktionen af små partikler i vand både på gravitation og
varmestrømme var direkte proportional med deres substansers atomvægt;
efter Perrin var der få forskere, der fortsatte med at tvivle på
atomers fysiske virkelighed, men det var nu klart, hvorfor selv de kraftigste
mikroskoper ikke kunne håbe på at afsløre individuelle
atomer: de var langt mindre end selve lysets bølgelængde. Et af de vigtigste apparaturer,
der blev brugt af fysikerne i det nittende århundrede var det
elektriske vakuum rør, eller røret der indeholdt fortyndede
luftarter, i hvilket både luftarternes spektre og de elektriske
udladninger kunne studeres; disse tekniker førte til mange uventede
resultater. I Würtzburg opdagede Wilhelm Röntgen (1845-1923) i 1895
at et sådant rør udstrålede ukendte stråler, som
ikke kunne reflekteres eller brydes og som, mærkeligst af alt, syntes
at gennemtrænge fast stof. De var på en måde relateret til
lys, for de reagerede med lysfølsomme kemikalier, så
Røntgen kunne bruge dem til at lave fotografier af genstande inde i
lukkede kasser og mest iøjnefaldende af det hele, knogler i den menneskelige
krop. Röntgen var ude af stand til at forklare, hvad de var, men disse
"Röntgenstråler" forårsagede en videnskabelig og
offentlig sensation og forskere i laboratorier i hele Europa begyndte at
studere dem. I Paris fandt Henri Becquerel og Marie og Pierre Curie i 1896 at
lignende stråler blev frembragt kontinuerligt af uranium og radium og
fremkom med termen 'radioaktivitet' for at beskrive deres udstråling.
Becquerel og Curierne forstod den centrale kendsgerning, at radioaktiv
adfærd ikke var kemisk, at dens energi og evne til at trænge ind
i andre stoffer skyldtes en egenskab ved selve atomerne. Disse tidlige
forskere var helt uvidende om naturen af de materialer, de arbejdede med og
mange af dem, inkluderende Marie Curie og hendes datter Irêne
Joliot-Curie, som også var en fremtrædende atomfysiker,
døde af deres virkninger. Det traditionelle synspunkt, at atomer var
de endelige, stabile og udelelige bestanddele af stof - et synspunkt der blev
udtalt af Newton og accepteret af forskere i det nittende århundrede -,
blev undermineret af denne opdagelse af radioaktive grundstoffers ustabilitet
og af ioniseringen af luftarter under elektrisk ladning. I Cambridge udførte Joseph Thomson mellem 1895 og 1897 en serie
eksperimenter, ud fra hvilke han konkluderede, at udstrålinger fra
katoden (den negative elektrode) i et vakuum rør slet ikke var
stråler, men opførte sig som partikler - de blev f.eks.
afbøjet af et magnetisk felt. De var ikke atomer, da han fandt, at disse
partikler (som snart ville blive kaldt elektroner) var negativt ladet og,
mest forbavsende af det hele, beregnede, at de måtte være mindre
end en tusindedel af hydrogenatomets masse, det letteste kendte grundstof.
Disse partiklers masse og ladning så ud til altid at være den
samme, ligemeget hvilken gas, der blev brugt i røret, så det
forekom, at man havde opdaget en fundamental partikel, som var fælles
for alt stof. Med Thomsons ophidsede ord var det 'stof i en ny tilstand ...
dette stof der er substansen, af hvilken alle de kemiske grundstoffer er
opbygget.' Således var atomet ikke udeleligt, men bestod igen af endnu
mindre ladede partikler. Men hvorfor skulle stof på dette mest
elementære niveau være elektrisk ladet? Var elektriciteten
virkelig fordelt gennem rummet i de felter, der blev beskrevet af Maxwell
eller var den koncentreret i partikler og var ladning og masse derfor
fundamentalt det samme? Cavendish laboratoriet i
Cambridge blev i nogle år centrum for atomforskning og atomets uventede
ustabilitet, som afsløret af Thomson og Curie, tilbød en sti
ind i dets struktur. Et fundamentalt spørgsmål var
øjeblikkeligt indlysende: hvis elektronerne alle var negativt ladede,
hvad udbalancerede dem så for at give stoffet dets elektriske
neutralitet? I begyndelsen gættede Thomson på, at i atomet var
positive og negative partikler alle presset sammen i et berømt billede
som 'frugt i en budding', skønt det var klart, at nogle kunne snittes
af, af f.eks. elektromagnetisk kraft. I en serie historiske eksperimenter
mellem 1898 og 1910 udsatte Ernest Rutherford (1871-1937) Thomsons partikler
for et antal fysiske prøver, som resulterede i, at det lykkedes ham at
bygge en ny og forbavsende model af atomet, hvilket han bekendtgjorde i 1911.
Det mest afgørende eksperiment var at sende radioaktive partikler
gennem yderst tynd guldfolie; som forventet gik næsten alle partiklerne
igennem, men en lille del af dem blev reflekteret, hvilket gav anledning til
Rutherfords berømte bemærkning: 'Det var næsten lige
så utroligt, som hvis man affyrede en 15 tommers granat mod et stykke
papir og den kom tilbage og ramte en.' Rutherford blev ført til den
konklusion, at næsten hele atomets masse består af en tæt
kerne, at denne er omgivet af meget mindre partikler, som er fjernet fra
kernen af et relativt enormt tomt rum. Hans reflekterede partikler havde ramt
kernen, medens størstedelen passerede gennem det tomme rum. De
første bøger, der forsøgte at popularisere atomare
opdagelser, beskrev kernen som størrelsen af spidsen af en nål i
centrum af en enorm katedral med de endnu mindre elektroner kredsende i
kuplen. Den ydre partikel, elektronen, kredser så hurtigt (ved omtrent
en tiendedel af lysets hastighed), at atomet opfører sig som et fast
stof, på samme måde som mellemrummene mellem bladene på en
højhastighedsturbine i praksis forsvinder. Kernen bærer en
positiv elektrisk ladning, elektronen en negativ ladning, så hele
atomet er elektrisk neutralt. Dette billede af atomet som et solsystem i
miniature var i mange henseender overforenklet, men det er altid forblevet et
symbol i moderne fysik. Forskning med atomer af forskellige grundstoffer
afslørede, at de har et forskelligt antal elektroner og partikler i
deres kerner: pludselig begyndte vægtene af grundstofferne i den
periodiske tabel at give mening: relaterede grundstoffers karakteristika
stammede fra deres atomare struktur. At ændre antallet af atomare
partikler ville være at ændre grundstof og det er
nøjagtigt, hvad Rutherford gjorde, da han sønderdelte atomer af
nitrogen og frembragte oxygen; alkymistens drøm om forvandling blev
endelig opnået i et Cambridge laboratorium i 1919. Det var også
Rutherford, som erkendte, at atomare processer i jordens indre, virkede som
en varmekilde, der ville vare i hundreder af millioner år og
således besvarede det nittende århundredes fysikeres indvending
mod Darwinismen. Atomets struktur, som afsløret af Rutherford,
forbliver et af naturens centrale mysterier: princippet, der helligholdes af
videnskaben og almindelig sund fornuft, at stof er 'fast, massivt,
hårdt, uigennemtrængeligt' blev erstattet af en vision om stof
som næsten er spøgelsesagtig, som nødvendigvis
bestående hovedsageligt af tomt rum fordi dets kernemateriale var
så tæt, at en skefuld af det ville veje en million tons. Det store problem med
Rutherfords model af atomet var dette: ifølge klassisk fysik vil en
ladet partikel, der bevæger sig i en krum bane, udsende
elektromagnetisk stråling, hvilket vil forårsage et tab af
energi. Således burde elektronen flyve i en spiral ned i kernen og hele
atomets struktur burde være så ustabil, at det ikke kunne
eksistere. Dette var klippen, på hvilken den klassiske fysik
mislykkedes: Newtons og Laplaces fysik, Kelvins og Maxwells fysik virkede
ikke på det subatomare niveau. Løsningen blev foreslået af
den danske fysiker Niels Bohr (1885-1962), som på atomet anvendte en ny
slags fysik, der fornylig var blevet udviklet i Tyskland - kvanteteori.
Grundlæggeren af kvanteteori var Max Planck (1858-1947), som opfandt
begrebet for at forklare store uregelmæssigheder i strålingen af
varme og lys fra visse opvarmede legemer, der blev studeret. Forsøg
på at kortlægge en jævn fremadskriden i den strålings
spektre og bølgelængder slog fejl; det forekom, på mystisk
vis, at energien ikke blev udstrålet eller absorberet på en
kontinuerlig skala af værdier, som man naturligt ville forvente, men
på diskrete niveauer. Planck anede, at energien blev udvekslet i
endelige mængder, i pakker, som han kaldte kvanter. Kun ved at fordele
disse energikvanter i statistiske mængder over hele
stråleprocessen, kunne spektrene for forskellige temperaturer
forudsiges korrekt. Plancks konstant er et utroligt lille tal, som, når
det ganges med strålingsfrekvensen, giver energien af hvert af disse
diskrete kvanter. Formlen er E = hv, hvor E er energien, v er strålingsfrekvensen
og h er Plancks konstant. Plancks konstant giver derfor et mål for
energi ganget med tid og man refererer ofte til den som et virkningskvant.
Plancks resultat blev først offentliggjort i 1900 og i de
følgende ti år kom fysikerne til at se det som en kraftig model
til at analysere ikke blot energi, men ladning eller
bevægelsesmængde. En af de første til at antage begrebet
var Einstein, som brugte det til at forklare den fotoelektriske virkning ved
at behandle lyset som 'kvantiserede' partikler - senere kaldet fotoner. I
1916 postulerede Niels Bohr, at elektronens mystiske bane er kvantiseret,
dvs. at dens bane kun kan ligge i diskrete afstande fra kernen.
Energiudveksling på det atomare niveau resulterer i, at elektronen
hopper fra en bane til en anden og absorberer energi, når den
bevæger sig længere væk fra kernen og udstråler
energi, når den hopper tilbage mod kernen. Atomets stabilitet
forklares, fordi elektronen ikke kan miste mere energi end den har i den
mindste bane, hvor n = 1. Således er den klassiske mekaniks
solsystem-model, hvor elektroner kredser i faste baner som planeterne, styret
af newtonske love, forsvundet, for at blive erstattet af en serie mulige
baner, til hvilke elektronen bevæger sig, når den afgiver og
modtager energi. Hastigheden og skalaen på hvilke disse
kvantevirkninger finder sted, ville gøre det umuligt at bygge en sand,
visuel model af atomet: det kan kun beskrives i matematiske mønstre. Selv Bohrs model var imidlertid
ikke fleksibel nok til at behandle de tungere atomer, der har mange
elektroner. I 1920'erne gjorde kvantefysikken dramatiske fremskridt ved at
antage det paradoksale princip, at stråling, inkluderende elektronens
energi, samtidigt opfører sig som partikler og bølger. For
eksempel fandt man, at lys, der var blevet beskrevet som en bølge af
den elektromagnetiske teori gennem det nittende århundrede, kunne
analyseres som diskrete energikvanter, nu kaldet fotoner. Denne dualitet blev
foreslået intuitivt af den franske fysiker Louis de Broglie og givet matematisk
form af Erwin Schrödinger (1887-1961). Schrödingers
bølgeligninger fra 1926 behandler elektroner som bølger, der
stiger i energi og frekvensniveau, når de bevæger sig
længere væk fra kernen. Elektronernes energiniveauer og deres
overgange blev analyseret året før Schrödinger af Werner
Heisenberg ved brug af en helt anderledes, men matematisk ækvivalent,
model. Den fundamentale fornyelse, som Heisenberg bidrog med og som blev
accepteret af de fleste af kvantepionererne, var det berømte
ubestemthedsprincip, at atomare partiklers adfærd er så kompleks,
at deres individuelle positioner i rum og tid aldrig kan beskrives
præcist og at de kun kan forudsiges ved hjælp af statistisk
sandsynlighed. Heisenberg (1901-1976) insisterede på, at
kvantespringets diskontinuitet gjorde det nødvendigt
fuldstændigt at opgive forsøget på at visualisere atomet i
konventionelle termer og kun tænke på det matematisk. Matematik
og fysik hævder derfor ikke at skildre virkeligheden som den er,
for deres anliggende er kun, hvad vi kan sige om den. Tilføjet
til dette er observationens paradoks: ingen prøve kan anvises til at
bestemme en elektrons position, for enhver observation må indeholde et
input af energi, som vil forårsage, at dens position flytter sig. Som ved
en mønt, der spinner i luften, kan spørgsmålet om plat
eller krone kun bestemmes ved radikalt at gribe ind i dens bevægelse.
Observatøren vekselvirker med sin genstand på en måde, som
udelukker muligheden for objektiv viden om stof på det dybeste niveau.
Udvidelsen af kvantemekanik til elektroner, der bevæger sig ved
hastigheder, som nærmer sig lysets, førte Paul Dirac (1902-1984)
til i 1928 at postulere eksistensen af subatomare partikler med ladninger,
der er modsatte af dem, der allerede kendtes. Opdagelsen i 1932 af
positronen, som annihilerer elektroner og derfor fik omdømmet, at den
var en form for 'antistof', var en triumf for Diracs teori. Fremskridtene i
partikelforskning siden da har afsløret en kompleks verden af
subatomare partikler, der lignede rene ladninger af høj energi, som
kan kaldes til eksistens i et flygtigt øjeblik, men som ikke har nogen
selvstændig tilværelse. Billedet - det kan ikke kaldes strukturen
- af Rutherford-Bohr atomet er sandsynligvis lige så gyldigt som
billedet af Gud i et Renaissance maleri: det udtrykker snarere en menneskelig
intuition end selve virkeligheden. I stedet for virkeligheden har vi nu kun
sandsynlighed, kun funktionen af udvalgte målinger. Kvanteteoriens betydninger var
ikke tabt for dens forslagsstillere. Påstanden, at stoffets struktur
på dets dybeste niveau var flydende, ubestemt og hinsides direkte
observation, var dybt forstyrrende og mange blev mindet om den gamle tro, at
naturen var en Heraklitisk ild, hvor forandring er den eneste virkelighed.
Mænd som Planck og Schrödinger var produkter af konservative,
dannede familier, velbevandrede i filosofi og de tøvede med at
følge den nihilistiske retning, som deres arbejde syntes at
føre dem i. Den indeterminisme, som var skjult i kvanteteorien, var i
konflikt med deres intuitive opfattelser af naturen. Planck var en mand af
usvigelig integritet og moralsk styrke, som forblev i Tyskland gennem hele
krigen og åbent bekæmpede Nazismen; men det store internationale
ry, der beskyttede ham, kunne ikke redde hans søn fra henrettelse for
hans del af juli sammensværgelsen mod Hitler. Schrödinger havde et
underfundigt sind, som blev tiltrukket af orientalske filosofier om helhed og
han modstod intuitivt den vision om ubestemthed, der er iboende
kvantemekanikken. Både Planck og Schrödinger bibeholdt deres tro
på, at menneskelig fornuft og dens strukturer på en eller anden
måde deltog i naturens love og at de to derfor ikke burde være i
strid med hinanden, sådan som kvanteteorien syntes at vise. Selv
Heisenberg selv, ubestemthedens apostel, kom senere i sit liv til at blive
utilfreds med partikelfysikken og til at tro, at naturen ikke kan fungere
uden symmetrier og at disse i princippet skulle være til at opdage.
Ikke desto mindre skal det understreges, at kvantemekanikkens gyldighed er
blevet demonstreret igen og igen; princippet om diskret, kvantiseret energi
ligger til grund for vor forståelse af emner, der strækker sig
fra kemisk binding til kosmologi og den fungerer i al elektronisk teknologi.
Den mest berømte skeptiker af kvanteteori var ingen ringere
videnskabsmand end Albert Einstein (1879-1955), som indvarslede sin egen
ligeså dybe revolution i videnskaben, men som ikke kunne acceptere
kvantemekanikkens ubestemthed. Einstein blev ofte opfordret til
at komme med en hurtig definition af sine teorier og ved et tilfælde
svarede han ved at sige, at før relativiteten antog man altid, at hvis
alt stof forsvandt fra universet, ville rum og tid forblive, men at
ifølge relativiteten var dette ikke længere sandt; det ville
være vanskeligt at finde en bedre ikke-teknisk opsummering af hans
bedrift. Einsteins teorier blev offentliggjort i adskillige trin (kvanter?)
mellem 1905 og 1916, i begyndelsen uden han havde en stilling i akademisk
fysik og det kan delvist være grunden til, at vi ikke har nogen
præcis ide om, hvordan hans tanker blev kanaliseret så yderst
originalt. Den første fase af relativitetsteorien fremkom i et papir
fra 1905, i hvilket Einstein gjorde opmærksom på problemet med
relativ bevægelse oplevet inde i forskellige referencerammer.
Adskillige af hans postulater var i modstrid med vor intuitive opfattelse af
tid og rum, men essensen af hans argument var, at begivenheder defineres af
lys og da lys tager tid om at bevæge sig, kan der ikke være nogen
absolut overensstemmelse mellem observatører i forskellige
referencerammer om tidtagningen af hændelser; der er faktisk ingen
samtidige hændelser. Den vigtigste konsekvens, der følger af
dette, er, at rum og tid må ses som et kontinuum, som rumtid. I
forskellige referencerammer sker der mærkelige uoverensstemmelser: ved
større hastigheder bevæger tiden sig langsommere og massen
forøges. Kulminationen af den sidste virkning er, at stof og energi er
mellem-foranderlige, at et legemes masse er et mål for dets
energiindhold, udtrykt i den berømte formel E = mc2;
energien, der frigøres i denne omdannelse, er kerneenergi. Virkningerne af relativitet er naturligvis ikke detekterbare i vor dagligdags oplevelse, men de har vigtige konsekvenser på det atomare niveau, hvor partiklernes høje hastighed giver dem en masse, der ikke står i forhold til deres størrelse. Den er også revolutionær i kosmologiens felt, hvor omdannelsen mellem stof og energi fører til den konklusion, at lys er underkastet gravitation, at det krummes omkring massive legemer som stjerner. Men hvis lys definerer hændelser, ja endog definerer rummet, og hvis det er krumt, følger det, at rumtidskontinuet ikke er en serie euklidiske planer, men er krumt; gravitation kan derfor ses som krumningen af rumtiden på grund af tilstedeværelsen af masse i universet. Hvis der ikke var nogen masse-energi i universet, ville der ikke være nogen rumtid. Afbøjningen af lys i en stjernes gravitationsfelt blev verificeret i et berømt eksperiment i 1919, som blev organiseret af den britiske astronom Sir Arthur Eddington. Resultatet var, at Einstein blev indhyllet i en tidevandsbølge af berømmelse og hyldet som forfatteren af en ny vision for universet. Det mærkelige ved hans ideer øgede hans berømmelse og hans mystiske paradokser, f.eks. at universet må betragtes som endeligt men uden rande, blev diskuteret i en uendelighed. Det blev alment sagt, at Newtons fysik var blevet kuldkastet, men newtonsk fysik styrer stadig vor jordiske oplevelse - den er f.eks. alt, hvad der behøves til fremstilling af fly og navigation af fly eller til rumfart i solsystemet. Det er på de atomare og kosmologiske niveauer, at Einsteins ekstraordinære ideer har vist sig så epokegørende. De sidste tredive år af Einsteins liv blev brugt i søgen efter en 'forenet feltteori', som ville omfatte gravitation og elektromagnetisme, kosmos og atomet. Han var dybt mistroisk over for kvanteteorien og følte, at det måtte være muligt at bygge en model af den fysiske virkelighed som den er og ikke kun et sandsynlighedssystem. Hans kritik af Niels Bohr, at 'Gud ikke spiller med terninger' er blevet berømt; men måske fortjener Bohrs svar tilsvarende vægt, at 'vi bør ikke fortælle Gud, hvordan han skal organisere universet'.
KOSMOLOGIAf alle fremskridt og opdagelser
i det tyvende århundredes astronomi har dem i kosmologiens felt gjort
det dybeste indtryk, både indenfor og uden for det videnskabelige
samfund. Nutidige ideer om dimensioner, alder og universets sandsynlige
oprindelse er smeltet sammen til en moderne skabelsesmyte, som er overvældende
i sin skala og skræmmende i sin upersonlige energi. Moderne
observationskosmologi begyndte med William Herschels interesse for
tåger og hans arbejde blev fortsat af hans søn John, som i 1964
kunne offentliggøre et katalog, som stedfæstede omkring 5.000 af
dem. Selv dette blev overskygget af arbejdet af den danske astronom Johann
Dreyer, som i 1908 havde offentliggjort et massivt katalog over næsten
15.000 tåger. Ved denne dato havde de første tegninger og
derefter fotografier også afsløret den mærkelige
skivelignende eller spiralform af mange af tågerne; dog var deres natur
og betydning stadig temmelig usikker. Denne situation ændrede sig med
indvielsen af de nye, gigantiske teleskoper i Californien, 60 tommer Mount
Wilson reflektoren, der blev færdiggjort i 1908 og så 100
tommeren fra 1918. Disse instrumenter viste, at nogle tåger faktisk var
diffuse skyer af stjernestøv, som den berømte Hestehoved
Tåge i Orion, men at hovedparten af dem kunne opløses til
stjernefelter. Men hvor store var disse stjernefelter og hvorfor skulle
stjerner danne så veldefinerede skivelignende grupperinger?
Nøglen til problemet var deres afstand, for nogle astronomer begyndte
at have mistanke om, at de var ø-universer for sig selv, men med
manglen på en målelig parallakse hvordan kunne man så
bedømme deres afstand - hvorvidt de var indenfor vort eget
stjernesystem eller hinsides? Med forskellige metoder blev det forsøgt
at etablere en stige af afstande, f.eks. baseret på lysstyrke, men i
mange år var de førende forskere på dette felt
fundamentalt uenige om skalaen af det, de observerede. Amerikaneren Harlow
Shapley (1885-1972) reviderede alle forudgående vurderinger af
størrelsen af vor galakse ved at foreslå, at den var omkring
100.000 lysår tværs over og Shapley troede, at dette var stort
nok til at placere alle astronomiske objekter, inkluderende tågerne,
indenfor det enkelte system. Hans samtidige, Heber Curtis, var uenig og
troede, at vor galakse var mindre end Shapley hævdede og foretrak af
både tekniske og intuitive grunde det synspunkt, at tågerne var
ø-universer langt udenfor vort eget; han erklærede, at det
observerbare univers kunne strække sig over helt op til 100 millioner
lysår. I årene 1918-1924 fortsatte observationerne med det store
teleskop, men dødvandet herskede. Det var en anden forsker, som
var ankommet til Mount Wilson i 1919, Edwin Hubble (1889-1953), der anviste
en metode til at estimere afstandene til tågerne, som overbeviste hans
kolleger og afgjorde kontroversen. I 1923 opdagede Hubble i Andromeda
Tågen en type stjerne, der er kendt som en Cepheide variabel. Disse er
stjerner, som varierer i lysstyrke gennem en fast periode og der er et
konstant forhold mellem deres lysstyrke og deres periode; de fungerer som
naturlige forud indstillede fyr. Afstanden til de relativt nærliggende
cepheider var blevet fastsat ved parallaksemåling og perioden for de
mere fjerntliggende gjorde det muligt at bestemme deres absolutte lysstyrke,
ud fra hvilken deres afstand kunne beregnes. Hubble fandt ikke mindre end seksogtredive
sådanne variable stjerner i Andromeda Tågen og han var i stand
til at bestemme, at de måtte ligge på en afstand af næsten
en million lysår. Dette var langt hinsides selv Shapleys forestilling
om den store galakse og da Hubbles resultater blev bekendtgjort i december
1924, blev det alment erkendt, at man havde passeret en milepæl i
kosmologien, at en ny skala og muligvis en ny struktur for universet var
blevet afsløret. Vejen frem lå i et nærmere studium af
galaksernes karakter og af deres fordeling i rummet: hvor vigtige var de
forskellige galaktiske former, som allerede var blevet observeret og var
galakserne placeret tilfældigt eller var der en betydningsfuld struktur
i universet? Hubble spillede en førende rolle i begge disse felter og
i løbet af de følgende tre årtier frembragte han et
klassifikationssystem for galakser, som viste de mange variationer af de
grundlæggende elliptiske og spiral former, skønt han ikke
teoretiserede om nogen mulig udviklingsproces, som ville forklare disse
former. Hans anden fundamentale opgave var at opbygge en skala af afstande
ved brug af naturlige markører som variable stjerner, hvor muligt.
Omkring 1929 havde Hubble gjort observationer, som han troede udvidede den
kosmiske afstandsskala til omkring 250 millioner lysår. Hubble var klar
over, at hans estimater indeholdt en stor grad af risiko og dette blev
bekræftet da 200 tommer reflektoren på Mount Palomar blev taget i
brug i 1949. Men man fandt, at i stedet for at overdrive universets skala,
var alle Hubbles udengalaktiske afstande blevet undervurderet med en
faktor på to. De forbedrede teknikker til
afstandsvurdering tillod en ny indfaldsvinkel til den opgave der først
blev forsøgt løst af Herschel, nemlig at kortlægge
universet i tre dimensioner. I begyndelsen troede Hubble, at han havde fundet
et uregelmæssigt mønster, for han identificerede et stort
område af himlen, hvor der ikke kom nogen galakser til syne, den
såkaldte 'undgåelseszone' i Mælkevejens plan. Imidlertid
kunne han senere forklare, at dette er en afvigelse forårsaget af et
lag diffust interstellart støv, som absorberede lys og at hvis man
så bort fra det, så ville fordelingen af galakser forekomme at
være ensartet, når man betragtede den på en tilstrækkelig
stor skala. Denne observation blev udvidet af den engelske astronom E.A.
Milne til et 'kosmologisk princip', at universet er isotropt og ensartet i
enhver retning, et princip der skulle få stor betydning ved studiet af
universets dynamik. Senere arbejde på kortlægning af galakserne,
efter Hubbles død, har faktisk afsløret betydningsfulde hobe
eller store grupper af galakser, hvilket rejser et alvorligt
spørgsmål om dette princip om ensartethed; om disse hobe er
fremkommet først eller er opstået efterhånden som
eksisterende galakser drev sammen er stadig ubestemt. I 1929 havde Hubbles studier af
galakserne givet hans mest historiske opdagelse: når deres lys blev
udsat for spektral analyse, fandt man, at det var forskudt mod det
røde, et karakteristika ved en vigende lyskilde. Desuden var Hubble i
stand til at vise et konstant forhold mellem afstanden og vigehastigheden: de
fjerne galakser veg bort fra Jorden og jo længere væk, de var fra
Jorden, jo større var deres hastighed; nogle af de galakser, der blev
observeret af Hubble, så ud til at bevæge sig med hastigheder op
til en syvendedel af lysets hastighed. Denne opdagelse blev bredt
sammenlignet med en ny kopernikansk revolution, for i stedet for den evige,
uforandrede, bevægelsesløse himmel, fremkom der nu et univers
med intens, eksplosiv bevægelse. Der var heller ingen grund til at
antage, at denne vigen var specielt fra Jorden, for det var ikke muligt at
forestille sig, at Jorden kunne være universets centrum, snarere
måtte man antage, at denne vigen kunne observeres alle steder og var
endnu en egenskab ved det kosmologiske princip. Det forekom uundgåeligt
at konkludere, at alle galakserne i universet jagede væk fra hinanden
med enorm hastighed og at universet derfor udvidede sig. Det nye i denne
vision var sådan, at Hubble selv tvivlede på sine resultater og
troede, at det vigende kun var tilsyneladende og at der måske var en
uforklaret fysisk virkning på færde, så universet kunne
være sandt statisk trods alt. Det er vigtigt at bemærke, at ikke
alt i universet udvider sig: galakserne udvider sig ikke internt, selv om de
er i bevægelse og udvikler sig. Sirius bevægelse, som William
Huggins fandt i 1868, var stjernens bevægelse i forhold til andre
stjerner, ikke del af den kosmiske vigen. Det er galakserne, der er universets
enheder i stor skala og deres fordeling og adfærd er nøglen til
kosmisk struktur og oprindelse. Skønt nogle astronomer
delte Hubbles tvivl, erkendte mange teoretiske fysikere, at et
væsentligt nyt princip var blevet opdaget og de greb Hubbles resultater
som en bekræftelse af nogle af Einsteins forudsigelser. Hvis universet
udvidede sig, var de indlysende spørgsmål: Hvad havde det
udvidet sig fra og hvad udvidede det sig ind i? For at tage det andet
spørgsmål først, rummets relativitet til stof og lys
havde nu fundet et konkret udtryk: efterhånden som galakserne
bevægede sig ind i fjernere og fjernere rum, definerede de det rum og
dermed universets struktur. Paradokset, at universet på en gang var
endeligt, men uden rande, blev nu fornuftigt lige som rummets krumning, for
man kunne nu forestille sig universet som en ekspanderende kugle, i hvilken
afstanden mellem alle punkter samtidigt forøgedes. Måske var det
endnu mere interessant, at hvis filmen af det ekspanderende univers blev
kørt baglæns, hvad skete der så i begyndelsen? Selv
før Hubbles resultater blev bekendtgjort havde nogle fysikere -
russeren Aleksandr Friedman (1888-1925) og den belgiske jesuit, Georges
Lemaître (1894-1966) - forudsagt, på grundlag af Einsteins model,
at universet var ikke-statisk og at rummets krumning forøgedes med
tiden. Den eneste mulige konklusion var, at denne udvidelse havde en
begyndelse i tiden og i 1931 introducerede Lemaître kvantebegrebet, at
hvis vi går tilbage i tiden, vil der blive fundet færre og færre
energikvanter, indtil al universets energi er pakket sammen i et enkelt
kvant, et oprindeligt atom af uforstilbar tæthed. Dette Ur-atom
er sikkert et begreb, der ville have fornøjet de tyske naturfilosoffer
i det attende århundrede. Lemaître kunne ikke
gå videre på det tidspunkt, for der var ingen teori om
kerneprocesser til rådighed til at forklare, hvordan det oprindelige
atom kunne have udviklet sig eller eksploderet til vore dages univers. Det
element blev fremskaffet af en anden gruppe teoretiske fysikere, især
russeren George Gamow (1904-1968), som i 1938 havde konkluderet, at de
forskellige grundstoffer i universet kunne være blevet adskilt efter en
stor termonuklear eksplosion og han og hans elev, Ralph Alpher, forudsagde
senere, at strålingen fra denne begivenhed stadig burde kunne
detekteres. Da Arno Penzias og Robert Wilson identificerede en sådan
stråling i 1965, blev den betragtet som nærmest et bevis på
Gamovs model. Det er måske overraskende, at den mest fejrede teori i
det tyvende århundredes videnskab - universets Big Bang oprindelse -
ikke skulle forbindes med noget enkelt individ, som Newton er med gravitation
eller Darwin med evolution, men Lemaître og Gamow var utvivlsomt dens
to hovedarkitekter. Udtrykket Big Bang blev først brugt som et bespottende
udtryk i 1950 af den engelske astronom, Fred Hoyle, som blev den mest
berømte kritiker af teorien og i stedet foretrak en form for
stabil-tilstand (steady-state) skabelse, i hvilken universet ikke havde nogen
begyndelse, eksplosiv eller på anden måde. En logisk konsekvens af Big Bang
teorien er, at det burde være muligt at bestemme universets alder ved
at beregne de kendte hastigheder og afstande for de vigende galakser. Faktisk
er der så mange variabler vedrørende massen i universet og hastighedernes
bestandighed, at der ikke er blevet opnået nogen enstemmighed. Det
første estimat efter Hubble var to milliarder år,
foreslået af Eddington i 1932, men det er stadigt blevet revideret opad
og der er ingen grund til at det nuværende tal på femten
milliarder år er endeligt. Big Bang er ikke en enkelt teori men en
familie af relaterede ideer med mange konkurrerende redegørelser for,
hvordan det kunne have fundet sted. Nogle år før Gamows
termonukleare model var der blevet gjort et vigtigt teoretisk fremskridt af
den tyske astronom Karl Schwartzschild (1873-1916), som studerede
egenskaberne ved tætte stjerner. Schwartzschild forestillede sig
stjernestof, der voksede i tæthed til det punkt, hvor dets gravitation
var så stærk, at intet, hverken lys eller energi, kunne
opnå den nødvendige hastighed til at undslippe fra dets
overflade. I matematisk sprog var dette en 'singularitet', en punktmasse, der
er usynlig men alligevel detekterbar gennem dens gravitationsvirkninger.
Dette var begyndelsen til teorien om sorte huller, som var så vigtige,
fordi de giver eksempler på forhold, hvor fysikkens normale love ikke
gælder, men som meget vel kan have eksisteret ved universets oprindelse
og måske også ved dets slutning. Et sådant sort hul menes at
eksistere ved kernen af vor galakse, som ligger 6 grader vest for stjernen
gamma Sagittarius - Sagittarius pil peger direkte mod den. Sorte huller er en
side af det enorme problem med mørkt eller manglende stof i universet,
en opgave som blev påbegyndt af den schweiziske forsker, Fritz Zwicky
og er der, hvor teoretisk fysik og observationsastronomi vekselvirker og
sommetider har konflikter. Zwicky (1898-1974) beregnede forholdet mellem
masse og lysstyrke for Solen og andre enkelte stjerner og anvendte det
på hele galakser med det forbavsende resultat, at galakser syntes at
besidde halvtreds gange mere masse, end deres lysstyrke krævede. Denne
uoverensstemmelse blev bekræftet og endda forøget af andre
forskere og man tror nu, at usynligt eller diffust stof gennemtrænger
kosmos i enorm skala. Dette problematiske mørke stof spænder ben
for alle forsøg på at beregne universets masse og struktur og
den måde det kan have udviklet sig på; man tror f.eks. nu, at
galakserne virkelig er kugleformede, med det faste stof faldet til ro i en
skiveformation, som er omgivet af et enorm korona af diffust stof. Uden et
pålideligt estimat af universets masse viser det sig umuligt at
løse problemet om universet er åbent eller lukket - om dets
udvidelse vil fortsætte for evigt eller om den med tiden vil gå
langsommere, stoppe og vende og falde tilbage til en singularitetstilstand.
Det synlige stof i kosmos antyder at dets gravitationskraft ikke er
tilstrækkelig til at standse udvidelsen, som således kan
fortsætte for evigt, dog viser teoretiske resultater fra Zwicky og
videre det modsatte, at universets masse betyder, at det en dag må
begynde at trække sig sammen og implodere på sig selv; i
øjeblikket er der et dødvande, som hverken observation eller
teori kan løse. Den atomare revolution i fysikken havde en enorm indflydelse på astronomi ved at give en forklaring på naturen af stjerner og solenergi. Ilden i Solen og stjerner, som kunne brænde i tusinder af år, havde længe været et mysterium for astronomer - hvad var kilden til deres stabilitet, hvorfor brænder de simpelthen ikke op? Analysen af stjerner ved spektraltype var begyndt i 1860'erne og i de tidlige år af det tyvende århundrede var den berømte Hertzsprung-Russell model blevet anvist, som klassificerede stjerner ved deres lysstyrke og temperatur. I denne model fremkom der en umiskendelig linie af udvikling fra intens varme og lys, afkøling til reduceret aktivitet og med tiden udslettelse. Man forstod, at denne model faktisk viste de forskellige trin i udviklingen af en stjerne, men før fremkomsten af atomfysikken kunne ingen kendt energimekanisme redegøre for denne udvikling, som man da mente strakte sig over millioner af år. Det var interessant, at geologers estimater af Jordens alder i årene 1850-1910 var meget højere end fysikernes ideer om stjerners mulige alder. Men i 1917 var Sir Arthur Eddington (1882-1944) begyndt at bruge Einsteins ækvivalens af stof og energi som grundlag for en teori om, at stjernedannelse er transformationen af energi til stof og at stjerneenergi er atomenergi. I sit klassiske arbejde The Internal Constitution of the Stars, 1926, argumenterede Eddington for, at atomar fusion fandt sted i en stjernes varme kerne og frigav enorme mængder energi, medens det køligere, ydre lag af stjernen modstår kollaps gennem gravitation, fordi det bombarderes af denne intense energi fra kernen. Eddington gav et nøjagtigt, kvantitativt grundlag for denne teori og viste, at det var hydrogen der fusionerede til helium, der var i hjertet af processen. Solens spektrale sammensætning bekræftede dette og dens masse antydede en sollevetid på 10 milliarder år. Eddingtons model blev forfinet i 1938, da Hans Bethe (f. 1906) viste, at en flertrinscyklus virkede i Solen, hvis begyndelse var kollisionen af carbon og hydrogen atomer og hvis slutning var helium og mere carbon så cyklus kunne begynde igen. Den klassiske kemi fra det nittende århundrede blev i en vis forstand væltet, for trods alt var grundstofferne ikke uforanderlige; men det termodynamiske princip om bevarelsen af energi blev demonstreret igen, da man først forstod at stof og energi kunne omdannes til hinanden, som Einstein havde forudsagt. Atomets struktur og adfærd, som var så bizar og uventet, viste sig at være nøglen til kosmiske processer i stor skala, hvoraf en af de virkninger der hørte med var at opretholde liv på denne planet.
GENETIKTo fundamentale opdagelser i det
nittende århundrede - udviklingen af livets former og det kemiske
grundlag for livets processer - er smeltet sammen og har anbragt den
genetiske videnskab i centrum af moderne biologi. Det siges ofte, at Mendels
arbejde blev genopdaget omkring år 1900, men det er mere
nøjagtigt at sige, at hans indfaldsvinkel og hans resultater blev
uafhængigt gentaget af biologer som Hugo de Vries (1848-1935) fra
Amstrerdam, som så gik videre og formulerede deres egne teorier om det
vanskeligste problem, hvordan evolutionens makro-proces virkede på
niveauet med forandringer i den individuelle organisme. De Vries var enig med
Mendel i, at arveligheden virkede gennem diskrete faktorer og han konkluderede,
at disse var virkelige, fysiske partikler, som han kaldte 'pangener'. Hans
eksperimentelle arbejde vendte ham mod en tro på naturlig
udvælgelse som evolutionens sande mekanisme og i stedet foreslog han,
at mutationer kunne finde sted spontant og frembringe pludselige variationer,
som ofte var betydningsfulde nok til at udgøre artsdannelse. I dette
var de Vries i overensstemmelse med den kontroversielle engelske mendeliker,
William Bateson (1861-1926), hvis syn på morfologisk forandring var
på kanten af vitalisme. Svagheden i den 'mutationistiske' skole var, at
de ikke kunne tilbyde nogen forklaring på, hvordan det var muligt, at
spontane variationer kunne opstå. Det var Bateson som fandt på
ordet 'genetik' i 1906, men nogle af videnskabens grundlæggende
terminologi skyldes Wilhelm Johannesen (1857-1927) fra København, som
i 1909 forkortede de Vries 'pangene' til det enkle 'gene' og som
introducerede den yderst vigtige skelnen mellem 'genotype', den genetiske
sammensætning en organisme er udstyret med og 'fænotype', den
modne organisme som formet af miljø og arvemæssige faktorer.
Fremskridtet fra genotype til fænotype giver den enorme fleksibilitet,
som redegør for hver skabnings individualitet. Usikkerheden om, hvordan
genetiske variationer finder sted, ville fortsætte i et halvt
århundrede, men i 1915 havde Thomas Hunt Morgan (1866-1945) forsikret
sig selv, at stedet for generne var i kromosomerne i cellekernen. Morgan
opdagede fordelene ved frugtfluen drosophila som et emne for genetisk
forskning: den reproducerer hurtigt og har kun fire store kromosomer. Morgan
bekræftede troen, at små genetiske mutationer konstant opstod i
frugtfluepopulationen og at naturligt selektivt tryk filtrerede dem, som gav
en adaptiv fordel. Morgan begyndte således oprejsningen af naturlig
udvælgelse, som havde forekommet at være så truet af den
mendelske opdagelse af de genetiske faktorers uforanderlighed. Man erkendte,
at en moden arts arvemønster, som menneskets, var mere kompleks end de
syv karakteristika, der blev studeret af Mendel, som repræsenterede det
enklest mulige tilfælde. I praksis er det sådan, at selv om hver
faktor kan være udsat for Mendels love, kan karakteristika faktisk
formes af mere end et gen, med det resultat, at dybe variationer konstant
dukker op. En af Morgans elever, Theodosius Dobzhansky (1900-1975) fortsatte
den yderst vigtige syntese af evolution og genetik ved at argumentere for, at
forandringer inde i kromosomerne først hænder på et
fysiologisk niveau og disse er de mutationer, der kan blomstre eller gå
tabt ved en tilfældighed. Men på et timeligt niveau 'former
indflydelsen af selektion, flytning og geografisk isolation populationens
genetiske struktur til nye former i overensstemmelse med det timelige
miljø og økologien, især arternes ynglevaner.' Denne
indfaldsvinkel var både statistisk og økologisk og den blev
forstærket af feltarbejde af Ernst Mayr (f.1904), som foreslog, at
geografisk adskillelse lå bag artsdannelse, at variationerne inde i
hver gen pulje ville akkumuleres til det punkt, hvor en ny art dukkede op. I
1940 løste Mayr en længerevarende gåde ved at definere
arterne som en naturligt ynglende gruppe, en definition som er blevet bredt
accepteret. Morgan, Dobzhansky og Mayr var nogle af de ledende skikkelser i
den 'nye syntese' i biologi, i hvilken det blev vist, at evolutionsprocessen
virkede gennem mikro-ændringer i individuelle gener, men man kan ikke
sige, at funktionen eller årsagerne til disse forandringer endnu var
forstået. Der var altid en fristelse til at tro, at evolutionen kun
kunne virke, hvis der fandtes en feedback mekanisme til at forbinde generne
med miljøet; hvis, f.eks., klimaet blev koldere, kunne en art have
behov for at udvikle pels eller fedt for at tilpasse sig, men hvordan kunne
genet, en mikroskopisk, biokemisk enhed, analysere en klimaændring og
foretage sig det nødvendige? At lamarckismens tiltrækningskraft
ikke var død ses af den mærkelige historie om genetik i
Sovjetunionen mellem 1930 og 1960, hvor Trofim Lysenko (1898-1976) ledede en
bevægelse, som forkastede naturlig selektion og bekræftede, at
afgrøder og besætning kunne forbedres selektivt på en
generation og at de forbedrede karakteristika ville blive direkte nedarvet.
Det er ofte blevet foreslået, at denne sovjettiske genetiske doktrin
var en spejling af den marxistiske tro på kraften i revolutionær
forandring. Forståelsen for, hvordan
mutationer eller variationer finder sted på det genetiske niveau, tog
et gigantisk skridt fremad med afsløringen af selve genets
molekylære arkitektur. DNA indtager nu en næsten mytisk plads i
offentlighedens bevidsthed, det kommer faktisk på højde med Big
Bang som en af de søjler, hvorpå vort syn på universet og
os selv nu hviler, for de repræsenterer de modsatte ender af den
fysiske virkeligheds skala. Ligesom Big Bang involverer at spore universet
tilbage gennem ufattelige strækninger af tid og rum, så
involverer DNA at reducere livets klæde til ufattelige små, men
tilsyneladende nyttige enheder. Analysen af DNA (deoxyribonucleic acid)
molekylet af Francis Crick (f. 1916) og James Watson (f. 1928) blev
bekendtgjort i 1953 og var blevet indledt af forskning, der gik tilbage til
sent i 1920'erne, da den engelske bakteriolog, Fred Griffiths, fandt, at
genetisk information kunne overføres fra en organisme til en anden og
i 1944 havde Oswald Avery i U.S.A. identificeret DNA som det involverede
materiale. I 1951 beviste Alfred Hershey og Martha Chase dette ved at
mærke DNA med radioaktive spor og de viste samtidig, at DNA replikerede
sig selv. Man vidste, at DNA bestod af carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen og
fosfor, men dets molekylære struktur var usædvanlig kompliceret
og Crick og Watson skyldte deres gennembrud den røntgenkrystallografi,
der blev udført af Maurice Wilkins og Rosalind Franklin. Især
Franklin synes at have haft alle de nødvendige data, men tøvede
med hensyn til den korrekte konklusion. Den bøjede stige, eller mere
videnskabeligt dobbeltspiralen, som blev afsløret af Crick og Watson,
viste, hvordan to strenge af skiftevis sukker og fosforsyrer virkede som
rammer, på hvilke fire relativt enkle aminer er ordnet i næsten
uendeligt varierende rækkefølger: denne struktur bliver en
skabelon og dens variation bestemmer alle karakteristika ved alle levende
organismer. Selve DNA er ikke livets grundlæggende byggemateriale: det
virker som et mønster eller kode, som dirigerer konstruktionen af
proteinmolekyler i hver celle; det har heller ikke grænseflade direkte
med protein, men sender koden via budskabs RNA (messenger RNA), ribonucleic
acid. Dette opnås gennem molekylær genetiks centrale proces -
transskription fra DNA til RNA, fulgt af oversættelse fra RNA til
protein. Et gen betragtes ikke
længere som en isoleret entitet, men snarere som en del af et kromosom
og det er mere fleksibelt end Mendels 'faktorer'. Hvert menneskeligt DNA
molekyle kan indeholde millioner af atomer og hver menneskelig celle
indeholder omkring 100.000 gener; hvert gen er en specifik
rækkefølge af aminer og i hvert gen er rækkefølgen
forskellig. Man har vurderet, at det mulige antal genrækkefølger
er 256 x 109, et enormt antal, som endda overskrider dem, man
alment bruger til at udtrykke astronomiske afstande. Hele
genrækkefølgen af enhver skabning, der har levet siden liv
fremkom på Jorden for tre milliarder år siden, har endnu ikke anvendt
halvdelen af de mulige kombinationer. Dette betyder, at evolutionen har
længere at gå, end den endnu er gået. Det betyder
også, at den menneskelige skabning er en vildt usandsynlig skabning,
medmindre en form for design, indbygget eller ydre, er i gang, for der er
sket millioner af variationer i genrækkefølgerne og de er enten
forsvundet eller er blevet givet videre gennem de æoner af udvikling,
som mennesket er produkt af. I kroppens struktur som helhed er der et enormt
paradoks: alle menneskelige celler indeholder alt menneskeligt DNA, hvilket
betyder, at kun en brøkdel af DNA bruges i en specifik celle,
når den differentierer til de mange væv og organer - knogle,
nerve, muskel, øje, hjerne, hud og så videre. Dette kræver
et yderst indviklet system af kemiske igangsættere og hæmmere til
at dirigere væksten af cellen på passende måde. Vi ved fra observation, at
ændringer i genetisk kopiering sker konstant, så opbygningen af
proteiner fra aminosyrer ikke altid duplikerer DNA mønstreret med
absolut præcision og resultatet er en mutation. Vi ved at mutationer
kan forårsages af virkemidler udenfor DNA, som kemikalier eller former
for stråling inkluderende ultraviolet lys eller
røntgenstråler. Men de kan også opstå spontant, som
hvis de er kopieringsfejl. De fleste af disse mutationer vil være
negative eller tilfældige og de vil ikke fremme tilpasningen af
organismen på nogen positiv måde til dens miljø
(tænk på analogien med en sætning sammensat korrekt af
bogstaver, ord og tegnsætning: det er usandsynligt at enhver
tilfældig fejl forårsaget gennem kopiering gør
sætningen klarere og kan faktisk gøre den ulæselig). Nogle
mutationer kan forårsage, at organismen fungerer forkert på en
alvorlig måde; dette er den 'indfødte fejl ved metabolisme'. Der
er fundet en vigtig skelnen mellem de reproduktive kønsceller og
resten af kroppens celler, soma cellerne. Mutationer i soma celler vil ikke
blive videregivet til afkom, men dem i kønscellerne vil. August
Weisman var intuitivt korrekt i sin kønsplasma teori. Disse mutationer
deltager i naturlig selektion ved enten at forsvinde eller, hvis de
overdrager en tilpasningsfordel, bliver permanente. Så det centrale,
filosofiske spørgsmål om evolution kan nu reduceres til dette:
er mutationsprocessen blot tilfældig og hvis den er, er det så
tænkeligt at tilfældet alene har styret udviklingen af livsformer
fra primitive amøber til den menneskelige hjernes kompleksitet?
Så central er DNA's rolle i biologisk historie, at genetikeren Richard
Dawkins har talt om livet som hørende til DNA, som kun bruger
organismen som en vært til at forevige sig selv. Ifølge dette
synspunkt har hele evolutionsprocessen en slags hemmelig historie, der kan
omskrives som udtrykt af kemiske koder; formerne for det udtryk er
næsten tilfældige, for det er koderne, der har kontrollen. Denne
kemiske cyklus med replikation, mutation og replikation er sandsynligvis
endnu mere forbavsende i sin upersonlige fremdrift end ideen om biologisk
evolution plejede at være. Åbenbaringen af DNA's struktur har været en milepæl i vor forståelse af mekanikken i arvelighed og evolution, men kompleksiteten af DNA er sådan, at den har skubbet vore chancer for at afsløre det største biologiske problem af alle - livets oprindelse længere væk. Lige siden biologisk evolution kom til at dominere biologisk tankegang, havde man naturligt antaget, at videnskabelig logik med tiden kunne køre filmen baglæns og at man, ved at spore processen tilbage, via morfologi eller kemi, ville opdage, hvordan livet begyndte. Proteiners struktur havde givet efter for kemisk analyse siden Liebigs tid og det forekom gørligt at aminosyrer kunne have dannet sig naturligt under de forhold, der eksisterede på Jorden for adskillige milliarder år siden. Denne opfattelse lå bag Miller-Urey eksperimenterne i de tidlige 1950'ere, i hvilke elektriske strømme førtes gennem en antaget oprindelig blanding af grundlæggende grundstoffer i vand med det resultat, at adskillige aminosyrer faktisk blev dannet. Det meste af opstandelsen, som disse eksperimenter forårsagede er nu forsvundet med erkendelsen af, at gabet mellem nogle få aminosyrer og liv stadig er så stort at det er umuligt at bygge bro over. Hvordan proteiner kunne være blevet organiseret ind i celler er umuligt at sige og, vigtigst af alt, proteiner kan ikke replikere sig selv; DNA er lige så essentielt for liv som aminosyrer. Så nu er der et dobbelt problem: at forklare ikke blot fremkomsten af komplekse proteinmolekyler, men at forklare den samtidige fremkomst af DNA eller noget meget lig det, uden hvilket eventuelle tidlige proteiner simpelthen måtte være separeret tilbage til de grundstoffer, der udgør dem, og forsvundet. Livets begyndelse er så gådefuld, at den store svenske kemiker Svante Arrhenius (1859-1927) foreslog, at det ikke kunne have haft nogen oprindelse på Jorden, men at sporer eller frø var blevet båret gennem det interstellare rum af lysets tryk (en ide, som polemisk blev genoplivet i 1980'erne af kosmologen Fred Hoyle). Arrhenius teori var et resultat af hans synspunkt, at universet måtte være evigt, for ideen om en begyndelse måtte modsige termodynamikkens love, som ikke kan brydes. Livet kunne ses som evigt sammen med universet, ikke mere eller mindre mystisk end dets andre materialer. Denne teori besvarer spørgsmålet om livets oprindelse på Jorden, men ikke problemet med dets oprindelse. Livet er virkelig blevet set som en mulig unik undtagelse fra termodynamikkens anden lov: at det repræsenterer forøgelse af orden og kompleksitet. Denne overbevisende ide blev fremført af Schrödinger i hans bog What is Life? Skønt den blev magtfuldt argumenteret regnes den nu for forkert, da livet ikke er et lukket system, men er afhængigt af forud eksisterende termodynamiske svingninger og i sidste ende Solen: livet vokser i orden på bekostning af voksende uorden i det bredere miljø.
PÅ GENVISIT I VIDENSKAB OG FILOSOFIDet karakteristiske ved det
tyvende århundredes videnskab har været opløsningen,
fragmentationen, atomiseringen af virkeligheden. I enhver hoveddisciplin er
det blevet vist, at virkeligheden ikke er, hvad den forekommer at være.
Stof opløses i mindre og mindre partikler; universet trækker sig
tilbage til strukturer og afstande som udfordrer sindet; mens definitionen af
menneskeheden synes at ligge i upersonlige, mikroskopiske kemiske
mønstre. Selve jorden under vore fødder, som antages at
være så fast, vides nu at være i dynamisk bevægelse,
når kontinenterne driver og langsomt omformer verdenskortet. Selv
deterministiske systemer er blevet vist at være uforudsigelige,
når deres bestanddele analyseres i tilstrækkelig detalje; dette
er kaoselementet og det hører til i alle systemer, mekaniske og
naturlige, og især i det menneskelige samfund, hvor sandsynligheden
regerer, derfor har alle de sociale videnskaber en mere problematisk status
end de andre beskrivende videnskaber. Afsløringen af skjulte
kræfter og skjulte mønstre er blevet kendetegnet for moderne
videnskab. Den menneskelige psyke selv er også impliceret i denne
proces, for det ubevidste er blevet analyseret og kortlagt så meget, at
sindet nu synes at minde om et isbjerg, ni tiendedele skjult og usynligt.
Status af Freuds arbejde som forsker er nu under diskussion, men dets
opdukken i de destruktive år mellem 1900 og 1940 tjener som et
paradigme for de vekslende grundlag, den fragmenterende virkelighed, af det
tyvende århundredes tanke. Bag moderne videnskab ligger
århundreder af langsom intellektuel vækst, i hvilken det ofte
forekom, at filosofi var mere vigtig end viden. Videnskaben begyndte at
accelerere i det syttende århundrede, da den i en vis udstrækning
udskilte sig fra filosofien og tog empirisk viden som sit felt. Tre
århundreder senere er det præcist fordi vor viden er udvidet
så dramatisk, at filosofiens spørgsmål ikke længere
kan undgås. Problemet om design hjemsøger moderne videnskab, men
mere forbløffende end det hjemsøgte det syttende eller attende
århundredes naturfilosofi, for bag begrebet om design ligger problemet
om formål. Jo dybere vi afprøver stoffets struktur, livets kemi
eller en galakses udvikling, er der vidnesbyrd om orden, proces og
opfyldelsen af love. Men hvilket formål tjener disse love og hvilken
lov kan forklare selve eksistensen? Videnskaben har fralagt sig ansvaret for
søgen efter forklaring i denne ultimative forstand, grunden til, at
tingene er som de er og ikke anderledes. Måske er der ingen grund,
måske er dette problem en sprogets illusion, da stoffet kun kan
eksistere i en ordnet tilstand, en tilstand vi kan kalde 'designet' og ikke i
en tilstand af kaos. Men i det tilfælde må vi være meget
klare over den videnskabelige forklarings status - at det er mere og mere
detaljeret beskrivelse, beskrivelse i hvilken design altid er
underforstået, men i hvilken der ikke er nogen designer og intet
yderligere formål med designet. Alt vi kan sige er, at designet virker
og det er ikke muligt at afprøve om en alternativ struktur for stoffet
eller en alternativ form for menneskelig evolution ville virke lige så
godt. Videnskaben selv føler denne mangel meget akut og der er en
hast, næsten en desperation, i moderne påstande om, at vi er
på kanten til et endeligt gennembrud i vor forståelse af
universet, kræfterne og de partikler som udgør det. Mennesket
kan ikke bære ikke at vide og det ved nu så meget, som er
sekundært og tilfældigt, at det føler, at en eller anden
primær sandhed må være inden for rækkevidde. Men hvorfor skulle universet være begribeligt og hvorfor begribeligt for mennesket alene? Den mulighed, at det menneskelige intellekt vekselvirker med naturens love, er fornylig blevet meget attraktiv og har givet anledning til en ny version af makrokosm-mikrokosm teorien fra middelalderen. Det såkaldte 'antrope princip' foreslår, at universets ultimative formål kræver, at det burde blive forstået; det foreslår, at mennesket spiller en så betydningsfuld rolle i dette, at dets evolution var essentiel for kosmisk historie eller faktisk var formålet med den kosmiske historie. Sproget er anderledes, men fokus på menneskets unikke rolle som mellemled mellem Jorden og kosmos var tidligere kernen i den religiøse tilskyndelse. I århundreder blomstrede videnskaben som en filosofi om naturen der anerkendte, at naturens endelige formål var skjult for mennesket uden nogensinde at tvivle på, at disse formål var virkelige og at de var under guddommelig kontrol. Videnskaben skilte sig til sidst ud fra naturfilosofien, ikke da den foreslog nogle ny, verdslige formål med naturen, men da den vendte sig fra søgen efter formål til mere og mere detaljeret beskrivelse. Det eksakte punkt, hvor dette skete er under debat. I Frankrig var det bestemt sket omkring det sene attende århundrede, da Laplace, berømt, ikke havde nogen brug for 'den hypotese'. Formuleringen af termodynamikkens love eller evolutionsteorien kunne hver ses som vendepunktet, for de viste universet og livets fænomen som begge værende selvregulerende processer. I det tyvende århundrede har afsløringen af atomets ekstraordinære natur markeret et andet trin i den tvungne adskillelse af videnskab og filosofi, for kendsgerningerne ved atomets struktur er så mærkelige og paradoksale, at ingen accepteret teori om formål kunne omfatte dem: de er unikke og selvtilstrækkelige. Men det er lige så klart at de grusomme hændelser i det tyvende århundrede har sat spørgsmålstegn ved enhver let tro på design eller formål i menneskets historie; i denne forstand har videnskaben kun været en blandt mange kræfter der har opløst troens visheder, som man dyrkede i det nittende århundrede. Det er ikke alene videnskabelig viden, der ligger bag Jacques Monods påstand om, at mennesket 'omsider ved at det er alene i universet'. Næsten alle religioner fra den gamle og moderne verden udsprang fra den overbevisning, at det modsatte er sandt, at der eksisterer et særligt forhold mellem mennesket og universet. Videnskabelig viden og videnskabelig teknik dominerer nu vor civilisation, men det er endnu ikke klart, hvilken vej de peger i dette spørgsmål, til et univers der regeres af upersonlig tilfældighed eller et der regeres af design, og hvis, hvis design det er. Det ville være den største ironi i videnskabens historie, hvis svarene dukkede op med genopdagelsen, inde i atomets hjerte eller i kosmos' dybder, af noget, som man plejede at kalde Gud.
|
