överhanden och protoner och neutroner skulle bildas. Dessa partiklar bildade tillsammans olika kärnor i grundämnen, främst väte, tungt väte och

Transkript

1 I begynnelsen skapade Gud himmel och jord. Och jorden var öde och tom, och mörker var över djupet, och Guds Ande svävade över vattnet. Och gud sade: Varde ljus ; och det blev ljus. Och Gud såg att ljuset var gott. Och Gud kallade ljuset dag, och mörker kallade han natt. Och det blev afton, och det blev morgon den första dagen. (1.a Moseboken 1:1-5) Detta är de första raderna i bibeln och är för många självklart. Enligt bibelforskare skapade Gud himmel och jord för ca år sedan. Detta är lite mer tveksamt i våra nutida forskares ögon. Hur har då vår bild av universum och skapelsen förändrats genom tiderna? Vår bild av universum har faktiskt ändrats mycket genom tiderna. För längesedan hade vi en bild av jorden som en platt skiva som vilade på ryggen av en sköldpadda. Den bilden är för oss helt löjeväckande, men vem vet, vår bild av universum kommer kanske te sig minst lika dum i framtiden. De som främst hanterade sådana frågor om vår existens i antikens Grekland var inte vetenskapsmän utan filosofer. Aristoteles hade den världsbilden att jorden stod i centrum och att solen och månen kretsade runt jorden. Denna teori utvecklades senare av Ptolaminos på 200-talet efter Kristus. Han ansåg att de sju kända himlakropparna kretsade i olika sfärer runt jorden, och att den yttersta sfären bestod av fixstjärnor. Antikens filosofer gillade inte tanken på att universum skapats, det skulle betyda att en gud hade varit inblandad. De ansåg därför att universum hade existerat för evigt och kommer att existera för evigt, och att det alltid kommer att se ungefär likadant ut. Tanken att universum alltid sett likadant ut delade de även med kyrkan, som menade att Gud kapade universum i färdigt skick. Ordet evighet är ett ord som är svårt att tänka sig, det tyckte även filosofen Immanuel Kant, som fann det lika svårt att acceptera att universum funnits i en evighet som att tiden före universums skapelse skulle föregåtts av en evighet. Detta anser jag som väldigt aktuella problem även idag. Den som först kom med förslaget att det kanske inte var jorden som var i centrum, utan solen, var en Polsk präst vid namn Nikolas Kopernikus. Han kom med denna teori år 1514, men det var inte förrän på 1600-talet som denna modell blev mer accepterad då den fick sitt stöd av Galileo Galilei och Johannes Kepler, som med hjälp av det nyuppfunna teleskopet hade gjort observationer som bekräftade detta. Det var när Newton kom med sin teori om att alla kroppar har gravitation som tanken på att universum eventuellt skulle komma att dras ihop och kollapsa först tänktes. Newton själv avfärdade denna tanke, liksom de flesta andra, genom att säga att eftersom universum är oändligt och det inte finns någon medelpunkt som allt kan falla mot skulle detta inte inträffa. Ett annat sätt att avfärda tanken på att universum skulle kollapsa var att införa en ny faktor som skulle göra gravitationen repulsiv på långa avstånd. Det var alltså inte förrän på 1900-talet som folk först började vilja tänka tanken på att universum kanske förändras och eventuellt har ett slut talets början 1929 observerade Edwin Hubble att åt vilket håll man än tittar så ser man att galaxerna försvinner från oss, ju längre bort himlakropparna. befinner sig, desto snabbare avlägsnar de sig. Denna upptäckten gjorde han genom att studera det synliga ljuset från stjärnorna, och den verkliga ljusstyrkan, när dessa två faktorer är fastställda kan man räkna ut avståndet till stjärnan. När Hubble höll på att beräkna avståndet till stjärnorna uppmärksammade han att stjärnornas spektra var förskjutna åt det röda hållet i de avlägsna galaxerna, detta bevisar att galaxerna rör sig bortåt och att universum utvidgar sig. Fenomenet med att färgerna förskjuts åt der röda hållet kallas för rödförskjutning, och kan liknas vid dopplereffekten. Att universum utvidgar sig tyder på att universum en gång fanns en punkt där hela universum var samlat och att det någon gång börjat expandera därifrån. Det var på detta sätt som Big Bang -teorin bildades.

2 Relativitetsteorin Relativitetsteorin har stor betydelse för vårt sätt att se på universum. Därför tänker jag kort sammanfatta innebörden av denna teori. År 1905 utvecklade Albert Einstein sin så kallade speciella relativitetsteori. Den innebär bl.a. att inget kan färdas fortare än ljuset, att klockor i rörelse går långsammare än klockor i vila (tidsdilatation), att föremål i rörelse förminskas i rörelseriktningen (längdkontraktion)och att man åldras snabbare om man påverkas av en accelererande kraft son t.ex. gravitationen. Kort sagt kan man säga att allt är relativt (även tiden och rummet)och att vår värld består av (minst) 4 dimensioner, bestående av våra tre rumsdimentioner och en tidsdimention, detta brukar man kalla för rumtiden. Den speciella relativitetsteorin gäller om man bortser från gravitationen hade Einstein själv framarbetat en ny och komplett version av relativitetsteorin som även innefattade gravitationens effekter, den fick namnet allmänna relativitetsteorin. Den visade att ljuset böjs av i närheten av stora himlakroppar med stor gravitation. Han kom också fram till att rumtiden är krökt. Det kan liknas vi jordytan som vi ser som tvådimensionell, men på större avstånd ändå är krökt. Det innebär att två parallella linjer kan korsa varandras banor. Detta är en följd av gravitationen. Den allmänna relativitetsteorin leder till slutsatsen att universum inte är statiskt, detta ville dock inte Einstein själv medge, så han införde en ny konstant i sina beräkningar en, antigravitationskraft. Införandet av en ny konstant såg Einstein senare som ett av sitt livs största misstag. Varför tror vi att universum har haft en begynnelse? Som jag tidigare nämnt utvidgas universum, det bevisade Hubble när han upptäckte rödförskjutningen. En annan sak som tycks bevisa att universum inte har funnits för evigt, inte är oändligt och inte är statiskt, är att det finns något som vi kallar för natt. Om stjärnorna hade funnits i en evighet, i samma position och i ett oändligt universum, så hade ljuset från stjärnorna haft en oändlig tid att nå jorden, och det borde från jorden sett finnas stjärnor som täcker hela himlen. Detta är nu inte fallet, om det hade varit så hade natthimlen varit lika ljus som på dagen. Som jag senare kommer återkomma till, så hade universum en oändlig temperatur innan Big Bang. Om teorin om big bang är sann så borde rester av denna vita temperaturstrålning synas även idag. Att detta är fallet upptäckte fysikerna Arno Penzias och Robert Wilson av en ren slump år 1965 då de testade en ny extra känslig mikrovågsdetektor. De märkte att den tog upp mer brus än den borde, när de riktade detektorn åt olika håll fanns det fortfarande störningar med samma våglängd, störningarna var även den samma oavsett var jorden befann sig i sin bana runt solen. Att strålningen var lika i alla riktningar tydde på att den kom från de allra avlägsnaste delarna av universum, det visade också att universum i stor skala var likformigt i alla riktningar, vilken utgångspunkt man än har. Samtidigt som Penzias och Wilson upptäckte denna strålning arbetade två forskare vid namn Bob Dicke och Jim Peebles med en teori som innebar att vi borde kunna detektera rester av det tidiga universums oändliga hetta. Penzias och Wilson förstod att det var denna strålning som de hittat, men att den var så rödförskjuten att den övergått till mikrovågor. Det de hittade var vad vi nu kallar för kosmiskbakgrundstrålning. Strålningen har en våglängd som motsvarar en temperatur på ca. 2,7 grader över den absoluta nolltemperaturen. Väldigt kort om elementarpartiklar och kvantmekanik För att förstå universum krävs det att man vet endel om de allra minsta beståndsdelarna, så kallade elementarpartiklar. På Aristoteles tid trodde man att atomen var den minsta beståndsdelen, detta visade sig dock vara fel. Fysikern Joseph John Thomson upptäckte att en katod utsänder en dittills okänd strålning. Han kom fram till att den består av negativt laddade partiklar, som han kallade för korpuskler. Det han hittat var i själva verket elektroner, den dittills minsta kända partikeln. Då trodde man att atomen bestod av en positivt laddad sfär med en

3 negativt laddad kärna. Senare upptäckte Rutherford att atomen består av en positivt laddad kärna som endast utgör en otroligt liten del av hela atomens volym. En av Rutherfords kolegor, James Chadwick, upptäckte år 1932 en ny partikel i kärnan förutom protonen, en oladdad neutron. Länge trodde man att det var dessa tre partiklar som var de enda. Men i slutet av 60-talet upptäckte man att protonerna och neutronerna består av ännu mindre beståndsdelar, kvarkar. Det finns några olika typer av kvarkar, varje kvark har en motkvark. De tre vanligaste kvarkparen är uppkvark, nerkvark, charmkvark, särkvark, toppkvark bottenkvark. Varje kvark finns i tre olika versioner röd, grön och blå(detta är naturligtvis inte färger i vanlig bemärkelse). Varje proton består av två uppkvarkar och en nerkvark och varje neutron består av två nerkvarkar och en uppkvark. De tre kvarkarna i protonen och neutronen har alla olika färger. Man har länge tvistat om, om ljuset består av partiklar eller vågor, nu vet man att ljuset har en dubbelnatur och består både av vågor och partiklar. Detta gäller alla former av krafter som t.ex. gravitationen. Det som skiljer dessa energipartiklar från vanlig materia är deras spinn. När en partikel har spinn 0 så ser den likadan ut från vilket håll man än tittar på den. De partiklar med spinn 1 måste man vrida ett helt varv för att de ska se likadana ut igen, en med spinn 2 behövs bara vridas ett halvt varv. En partikel med spinn ½ måste vridas två varv innan den ser likadan ut igen. All materia består av partiklar med spinn ½. Det är detta så kallade spinn som ger upphov till de olika former av kraft som finns. Man vet att det finns fyra olika former av krafter och dessa krafter har olika spinn. Gravitationen består av partiklar med spinn 2, det är den svagaste av alla krafter den enda anledningen till att vi känner av den är att all kraft verkar i samma riktning och att den eftersom den inte har någon massa kan färdas hur långt som helst. En av våra starkare krafter är elektromagnetismen, den växelverkar med laddade partiklar och är 10^42 gånger starkare än gravitationen. Vi känner inte av den elektromagnetiska kraften i stor skala eftersom den positiva och den negativa laddningen tar ut varandra här på jorden. Där kraften märks av är i atomerna. Vi ser senna kraften som partiklar med spinn 1, dessa kallar vi för fotoner. Nästa kraft är den starka kärnkraften det är den kraft som håller ihop de olika kvarkarna i atomkärnan. Denna kraften består troligen av en spinn 1 partikel. Den sista kraften kallar vi för svag kärnkraft, men den tänker jag inte närmre gå in på. Vanligtvis räcker det med att sammanföra elektromagnetismen, den starka kärnkraften och den svaga kärnkraften, när man räknar i större skala i rymden. Detta kanske inte räcker när densiteten är oändlig, vilket jag ska återkomma till senare. Varje partikel har en exakt motsvarighet som kallas för antipartikel, om en partikel möter sin antipartikel så förintas de båda till energi. Teorier om universums skapelse Vår nu mest kända och även mest accepterade teori om universum skapelse är Big Bang -teorin. Om man följer det utvidgande universum tillbaka i tiden finner man att det innan universum började borde det ha funnits en punkt i vilken all materia i universum fanns, vilket innebar att rumtiden och densiteten var oändlig, en sådan punkt kallas för en singularitet. I en singularitet gäller inga av våra nu kända lagar, det gör det omöjligt att förutsäga vad som hände innan. Därför kan man säga att tiden började vid Big Bang. En sekund efter Big Bang tror man att universum hade en temperatur på ungefär 10^10 grader. Då bestod universum sannolikt till största delen av fotoner, elektroner, neutrinor samt deras antipartiklar. Neutrinor är en form av partiklar med extremt liten massa. Efter ungefär 100 sekunder hade temperaturen sjunkit tillräckligt för att den starka kärnkraften skulle ta

4 överhanden och protoner och neutroner skulle bildas. Dessa partiklar bildade tillsammans olika kärnor i grundämnen, främst väte, tungt väte och helium. Det var inte förrän efter väldigt lång tid som universum hade utvidgats tillräckligt för att temperaturen skulle vara liten nog för att atomer skulle bildas. När temperaturen hade sjunkit till några tusen grader hade protonerna och elektronerna inte tillräckligt med rörelseenergi för att motstå den elektromagnetiska kraften och atomer bildades. I början när temperaturen var i det närmaste oändlig bildades partiklar och antipartiklar i en oerhörd takt så att det bildades fler än det förintades. När sedan temperaturen sjönk så började partiklarna och deras antipartiklar ta ut varandra i snabbare takt än nya hann bildas. Men varför finns det då materia överhuvudtaget, borde inte alla partiklar och deras antipartiklar tagit ut varandra? En teori till att de inte gjort det är att efter som de är exakta spegelbilder av varandra borde de också vara spegelvända i tiden. Det gör på något vis att de inte tar ut varandra helt, utan att det finns endel partiklar kvar som vi råkar kalla för materia. Om det varit antimaterian som tagit överhanden så hade vi kallat den för materia. Universum är som bekant inte helt symetriskt, det är det i större skala, men om man ser lite närmre på det så ser man att all materia inte är jämnt fördelad över universum, utan att den klumpat ihop sig till galaxer, stjärnor o.s.v. Om Big bang varit en helt symetrisk smäll hade inte dessa formationer med energifattigare områden bildats. I dessa områden har gravitationen tagit överhanden. När skapades då universum enligt big bang? Om man följer universums utveckling rakt bakåt i tiden så kommer man fram till att universum borde ha varit en singularitet för ca. 20 miljarder år sedan. Men eftersom gravitationen påverkade universums utveckling så kan man inte se universums utveckling och tiden som en direkt proportionalitet, utan kurvan blir då böjd, och man kan räkna ut att universum skapades för ca 15 miljarder år sedan. Denna Big bang teori bevisade Roger Penrose och Stephen Hawking 1970 i en uppsats. De enda villkoren för att det skulle funnits en big bang-singularitet var att den allmänna relativitetsteorin stämmer och att universum innehåller så mycket materia som man kan observera. Denna teori var naturligtvis motarbetad från början, men tillslut blev den allmänt accepterad och det är det som vi idag lär oss i skolan. Det lite ironiska med detta är att Hawking själv inte längre tror på denna teorin, vilket jag återkommer till lite senare. En av de teorier som uppkom som en motvikt till Big Bang var den så kallade steady state teorin. Den innebär att från det att universum skapades, så har universum sett i princip likadant ut. För att förklara varför då universum utvidgas modifierade de teorin med att säga att det bildades ny materia i mellanrummen där universum utvidgas, på så sätt ser universum likadant även om det utvidgar sig. Denna teori har dock sina uppenbara brister och är inte längre aktuell. Stephen Hawkings teori om universums skapelse och utseende är lite mer komplicerad. Det var förvisso han som bevisade big bang teorin. Senare upptäckte han dock att denna teorin har vissa brister. Som man tidigare har räknat har man hoppat över gravitationens vågrörelse, den spelar nämligen ingen roll i vardagliga situationer när gravitationen inte är enorm. Men i singulariteter där gravitationen är i det närmaste oändlig kan vågrörelsen spela roll, det är något som man tidigare inte har tagit hänsyn till. En annan faktor som man glömt att ta hänsyn till är osäkerhetsprincipen. Osäkerhetsprincipen innebär att man inte kan mäta en partikels hastighet och position med stor säkerhet. Om man mäter positionen noga så blir inte hastigheten lika noggrann och tvärt om. Osäkerhetsprincipen är något som man behöver ta hänsyn till i alla beräkningar. I Hawkings och Penroses bevis för big bang krävs det att den allmänna relativitetsteorin stämmer. Problemet med den teorin är att den inte tar hänsyn till osäkerhetsprincipen. Det gör, menar Hawking, att man inte kan lita på den teorin.

5 Hawking menar att det finns en imaginär tid, d.v.s. tid som man beräknar med imaginära tal. I den reella tiden så startade tiden med Big Bang, medan den imaginära tiden alltid har funnits. I den imaginära tiden finns det inga gränser. Det är som jordklotet, det är inte oändligt men har ändå inga gränser. Denna teori kallas för no boundary teorin. Teorin förutsäger att universum startade i en punkt, ungefär som nordpolen på jorden, en inte i en singularitet. Eftersom universum enlig denna teori utvecklats jämnt så kan inga materiaklumpar ha bildats på grund av ojämnheter i energiflödet. Man antar istället att materian har lånat energi från gravitationen för att bildas, ett lån som inte behöver betalas tillbaka innan universums slut. Detta lån bidrar till att det inte är lika mycket energi överallt i universum längre. Ett bevis till denna teori är upptäckten att universums bakgrundsstrålning inte är exakt lika överallt, skillnaderna är extremt små, men tillräckligt för att förklara den bildade materian. Detta kan också vara ett bevis på att det fanns ojämnheter i energiflödet från början och att det var dessa ojämnheter som gjorde att materia bildades. Universums liv och död Ett tag efter universums skapelse så började det bildas galaxer, stjärnor och planeter, troligen till följd av ojämnheter i energiflödet. En stjärna bildas genom att stora mängder gas i rymden dras samman av gravitationen. Till följd av att gaspartiklarna dras samman så krockar partiklarna allt oftare med varandra och temperaturen höjs. När temperaturen är tillräckligt hög krockar inte väteatomerna längre med varandra, utan smälter i ställer samman till heliumkärnor. Nu har också stjärnan slutat dra ihop sig till följd av den jämnvikt som råder mellan gravitationen och värmeenergin i stjärnan. När tillslut bränslet tar slut i stjärnan finns det i stortsätt bara tre möjligheter av vad som kommer att hända. Den ena möjligheter är att en vit dvärg bildas. Det är när stjärnan dras ihop till en så liten volym att den hindras från att kollapsa tackvare elektronernas repulsiva kraft gent emot varandra. Densiteten i en sådan vit dvärg är några hundra ton per kubikcentimeter. Det scenariot att en vit dvärg bildas beror på hur stor massa stjärnan har. Forskare har beräknat att massan inte får vara större än ungefär 1,5 solmassor. Ett annat tänkbart slut för en stjärna är att en Neutronstjärna bildas. En sådan bildas när massan är 1 till 2 gånger större än solen. Anledningen till att en sådan stjärna inte kollapsar är den repulsiva kraften hos atomkärnorna. Densiteten hos dessa stjärnor är några hundra miljoner ton per kubikcentimeter. Ett tredje scenario är ett så kallar ett svart hål, det är när massan hos stjärnan är större än 2 solmassor. Ett svart hål är ett oändligt tätt tillstånd där krökningen i rumtiden är oändlig, d.v.s. att inte ens ljuset kan tränga ut och att tiden står still. Ett sådant tillstånd kallas för en singularitet. Man vet inte om det verkligen finns svarta hål i universum eftersom de är omöjliga att se, då det inte ens slipper ut något ljus ur hålet. Allt som finns i närheten av hålet sugs i hålet på grund av gravitationen. Det finns en gräns utanför det svarta hålet som kallas för händelsehorisont, när något passerat händelsehorisonten så finns det ingen återvändo. Innanför händelsehorisonten slipper inte ens ljuset ut igen, detta gör att denna gräns utgör gränsen för vad vi ser. En ljuskon visar alla möjliga stället där ljuset kan träffa, eller

6 alla ställen där ljuset kommer ifrån. Vi vet naturligt vis inte hur universum kommer dö, eller om det kommer att dö. En teori är att hela universum dras ihop till en singularitet, till ett enda svart hål, i en så kallad Big Crunch. Förutsättningen för att detta ska ske är att det finns en viss mängd materia i universum, denna mängd kallas för omega. Den synliga materian är inte på långa vägar tillräcklig för att detta ska ske, men det finns troligen materia i rymden som man inte kan se, mörk materia. Formen på universum vid detta scenariot är ett runt klot eller en ballong, som tillslut efter att ha utvidgats tillräckligt drar ihop sig. En annan möjlighet är att universum en dag kommer att sluta utvidga sig, men ändå inte börja dra ihop sig. Då måste mängden materia vara exakt lika med talet omega. Man tror då att universum är platt. Den tredje och sista möjligheten är att universum inte har tillräcklig massa för att universum ska dra ihop sig, utan fortsätter utvidgas för evigt. I det tredje fallet ser universum ut som ytan på en sadel. Om universum fortsätter att utvidga sig i all evighet så kommer det inte att kunna finnas liv som vårat. Detta beror på att om universum fortsätter att utvidgas i all evighet så kommer det kylas ned till den punkt då inget kan leva. Tiden Om universum så småningom dras ihop till en singularitet så kommer tiden som vi nu ser den att förändras. Det finns tre olika tidspilar som alla pekar i samma riktning. Den första pilen är den som kallas för psykologisk tid, det är den tiden som vi upplever. Nästa pil är den termodynamiska tidspilen, det är den som gör att allt går mot större oordning. Att den psykologiska tidspilen och den termodynamiska tidspilen går i samma riktning är självklart, annars skulle det vara som att spela en film baklänges när man ser en tallrik falla och gå sönder, man skulle istället se tallriken flyga uppåt och bli hel igen. Den tredje pilen är den som gör att universum utvidgas, den pilens riktning har blivit den den är av den anledningen att de andra pilarna går åt det hållet. Frågan är då vad händer med de andra tidspilarna när universum drar ihop sig igen och den tredje pilen byter riktning? Kommer de andra pilarna då också byta håll? Om de gör det så kommer tiden att gå bakåt, vi skulle bli yngre, allt skulle gå mot större ordning. Detta är dock troligen inte fallet, även om det hade varit ganska kul att leva sitt liv baklänges. I singulariteter som det skulle bli vid en Big Crunch kan man inte förutsäga vad som händer. Det är därför inte säkert att universum skulle sluta bara för att det blev en singularitet, av samma anledning som det inte är säkert att universum började vid big bang. Dessa två händelser är något som sker i den reella tiden, men vem vet, den reella tiden kanske bara är något som vi människor hittat på för att den är lättare att förstå. Vi kanske egentligen lever i den imaginära tiden.