Den moderna kosmologins utveckling














 

Här följer en kronologisk historisk beskrivning av hur kosmologin utvecklades ur ett antal ekvationer till en etablerad teori som kan förklara fenomen ända tillbaka till 10-43 sekunder efter vårt Universums skapelse och mindre etablerade teorier som förutsäger att oerhört många och stora universa existerar som dessutom ständigt knoppar av sig från varandra.

Relativitetsteorin utvecklas

Den moderna kosmologin som vetenskap hade sin födelse i och med utvecklandet av den allmänna relativitetsteorin. Under de sista månaderna av år 1915 så formulerade Albert Einstein (1879-1955) den slutgiltiga formen av den allmänna relativitetsteorin med de korrekta fältekvationerna. Mer om detta kan du läsa om i relativitetsteorin och dess utveckling.

Kan universum ha bildats i en enda punkt?

Snart så konfronterades dock Einstein med en av de främsta framtida applikationerna av relativitetsteorin, nämligen kosmologin. När han tolkade de matematiskt härledda fältekvationerna år 1917 så insåg han att de inte stämde överens med den dåtida uppfattningen att Universum är statiskt. Ekvationerna sade att Universum inte kan vara statiskt utan antingen måste expandera eller kontrahera eftersom vänsterledet i fältekvationerna, som kan tolkas som förändringen av accelerationshastigheten, är beroende av högerledet som måste vara positivt för ett universum innehållande en positiv mängd materia. Einstein gav efter för opinionens uppfattning och försakade därigenom det som skulle ha kunnat bli det främsta beviset för relativitetsteorins riktighet och införde en extra term i högerledet av fältekvationerna som han kallade för den kosmologiska konstanten Stort lambda och som kompenserade för att universum innehåller en positiv mängd materia.

Holländaren Willem de Sitter (1872-1934) visade snart att det fanns en annan möjlig lösning på fältekvationerna. Även han laborerade dock med en kosmologisk konstant i sin modell som innebar en matematisk beskrivning av ett fullständigt tomt universum.

År 1922 fortsatte debatten tack vare Alexander Friedmann (1888-1925) som blev fängslad av kosmologin p g a den matematiska utmaning som fältekvationerna erbjöd. Han tog ingen hänsyn till några fördomar utan utarbetade så många teorier som han bara kunde. Efter att ha hittat ett fel i Einsteins beräkningar så pekade samtliga resultat mot ett expanderande universum fyllt av materia. Friedmann visade att antingen så expanderar Universum i all oändlighet eller så stoppas expansionen av gravitationen om det finns tillräckligt mycket materia i Universum och leder till en slutlig kollaps.

Einstein opponerade sig genast mot Friedmanns uppsats när han såg den men erkände med tiden att Friedmanns beräkningar var matematiskt korrekta. Debatten fördes dock endast med matematiska begrepp och ingen av dom brydde sig om att försöka verifiera sina resultat genom astronomiska observationer eller ens fundera hur ett expanderande universum skulle yttra sig fysikaliskt. Einstein skulle snart bli intresserade av andra arbetsområden och Friedmann dog redan vid 38 års ålder i lunginflammation. Det skulle dröja fem år innan astronomerna insåg relativitetsteorins följder för dem.

Edwin Hubble (1889-1953) var den som skulle upptäcka att de "nebulosor" som bl a Charles Messier (1730-1817) och Pierre Méchain hade upptäckt och katalogiserat på 1700-talet för att undvika falska rapporter om kometupptäckter i själv verket ligger utanför Vintergatan och är samlingar av stjärnor i s k galaxer liknande den som vi befinner oss i. Under åren 1923 till 1925 identifierade han s k cepheider i galaxerna M31 och M33 samt bevisade att de ligger utanför våran galax. Tillsammans med Milton Humason så utökade han Vesto Sliphers (1875-1969) mätningar av rödförskjutningar av galaxer och publicerade hastighets-avståndsrelationen. Detta ledde till att han år 1926(7?) kunde konstatera att Universum expanderar.

När Einstein blev medveten om att Universum expanderar så insåg han sitt grava misstag angående modifikationen av fältekvationerna, återgick till den ursprungliga versionen och kallade införandet av den kosmologiska konstanten för "sitt livs största misstag". Ett begrepp som väl en gång har blivit infört och accepterat är dock svårt att ta död på. Än idag så finns det teorier som förlitar sig på att den kosmologiska konstanten har ett värde som inte är noll.

Georges Lemaître förstod att Einsteins ekvation med den kosmologiska konstanten var felaktig - Universum expanderar. Lemaître strök den kosmologiska konstanten och slutsatsen var att ett statiskt universum är oförenligt med allmänna relativitetsteorin. Einstein ångrade sig senare djupt över sin kosmologiska konstant. Lösningarna på Einstein's fältekvationer visade ett universum med konstant massa och en radie som ökade utan gräns. Detta var nästan precis vad Alexander Friedmann hade visat år 1922 men där Friedmann hade behandlat ämnet som en teoretisk övning så hade Lemaître knytit samman matematiken med astronomiska observationer. Denna modell utgjorde den första övertygande användningen av Einstein's allmänna relativitetsteori. Efter ett par år hade hans uppsats övertygat både Eddington, de Sitter och Einstein.

Den första person som tänkte ett steg längre efter det att man konstaterat att Universum expanderar och alltså inte är statiskt var alltså den belgiske prästen och fysikern Georges Lemaître (1894-1966). Han insåg att om Universum expanderar så måste det en gång har bildats ur en enda punkt, i en som han kallade det " uratom". År 1925 publicerade han sin första uppsats om relativistisk kosmologi där han visade en ny egenskap hos den modell för ett tomt universum som Willem de Sitter föreslagit år 1917. De Sitters modell var icke-statisk och Lemaître kom fram till att det var denna egenskap som kunde förklara varför de utomgalaktiska nebulosorna avlägsnade sig. När Universum utvidgade sig så uttänjdes rumtiden. Detta kan jämnföras en ballong som prickar är målade på. När ballongen blåses upp avlägsnar sig prickarna ifrån varandra trots att prickarna inte rör sig relativt ballongens yta. Precis samma sak sker i Universum fast prickarna sitter inuti ballongen. Till slut förkastade Lemaître dock de Sitter's modell eftersom den inte gav upphov till ett universum med krökning; något som är ett tydligt brott mot den allmänna relativitetsteorin.

Medan den övriga forskarvärlden grubblade över hans teori tog Lemaître ytterligare ett steg. Han tänkte sig att om Universum hela tiden expanderade så måste universum från början ha varit väldigt litet. År 1931 hade han kommit fram till att hela universum från början måste ha varit sammantryckt inuti en enda uratom som var oändligt komprimerat och oändligt hett. Detta föll dock inte hans tidigare läromästare Eddington lika väl i smaken som trodde att Universum hade börjat expandera efter att under lång tid ha varit statiskt ungefär som en suck av utmattning. Varken Lemaître eller Eddington kunde dock inte uppbringa tillräckligt med bevis för att få den andre att vackla. Lemaître hade grundat sin teori på den allmänna relativitetsprincipen som behandlar det mycket stora i universum och inte fungerar i det specialfall då rymden man studerar går mot det oändligt lilla.

Steady State teorin bjuder upp till kamp och begreppet Big Bang myntas

Det var långt ifrån alla som var bekväma med Lemaîtres idé att Universum skulle ha bildats i en "uratom" och därmed inte ha existerat i evigheters evighet. Den främsta av de alternativa teorierna som förutsätter att Universum har existerat för evigt är Steady State teorin. Namnet kan översättas med "jämviktsteorin" och skapades år 1948 av Hermann Bondi (1919- ), Thomas Gold samt Fred Hoyle (1915- ) som ett komplement till Big Bang teorin. Gold och Bondi använde sig av den kosmologiska principen för att motivera teorin som säger att Universum ser likadant ut från alla ställen i Universum med komplementet att Universum ser likadant ut vid varje tidpunkt. Hoyle använde sig av en mer matematisk metod som byggde på relativitetsteorin. Universum är i stora drag oföränderligt eftersom materian minskar expansionenshastigheten om den är för stor och ökar den om den är för liten. Ständigt skapas ny materia (ungefär lika mycket varje år som finns i Empire State Building) för att kompensera galaxernas flykt ifrån varandra och bibehålla samma densitet.

Gold, Bondi & Hoyle (Courtesy Fred Hoyle)
Steady State teorins skapare - Thomas Gold, Hermann Bondi och Fred Hoyle.

Hoyle försöker skymfa expansionsteorin genom att i ett radioframträdande kalla den där avskyvärda skapelsen av Universum i teorin för en "Big Bang" (stor smäll). Utav någon underlig anledning blev Hoyles öknamn för teorin den bästa benämningen för att beskriva teorin och än i dag så har inte ett bättre namn upptäckts. Detta trots att världens största astronomitidning - Sky & Telescope - för något år sedan hade en omröstning där läsarna fick skicka in förslag på ett lämpligare namn. Vinnare blev mycket riktigt - inget alternativ. Hoyles öknamn står sig...

"Kriget" mellan Big Bang teorin, som den skulle komma att kallas, och Steady State teorin trappades allt eftersom samt skulle huvudsakligen att komma att stå mellan den före detta sovjetiske fysikern George Gamow (1904-1968) på Big Bang teorins sida samt Fred Hoyle på sin Steady State teoris sida. Gamow skrev alfa-beta-gamma artikeln tillsammans med Ralph Alpher och visade att Universum till största delen måste bestå av väte och helium som dessutom är mycket jämnt fördelat i Universum. Ett tydligt tecken på Gamows humor var att han inkluderade Hans Bethes namn, som inte hade haft någonting med producerandet av artikelns innehåll att göra, på artikelns framsida för att framställningen komplett.

Här följer en dikt skriven av George Gamow samt hans fru och publicerad i "Mr Tompkins in Wonderland" som handlar om Steady State anhängarna, och då främst Fred Hoyles, ovilja att inse fakta:

"Your years of toil", Said Ryle to Hoyle, "Are wasted years, believe me. The steady state Is out of date. Unless my eyes decieve me,

My telescope Has dashed your hope; Your tenets are refuted. Let me be terse: Our universe Grows daily more diluted!"

Said Hoyle, "You quote Lemaître, I note, And Gamow. Well, forget them! That errant gang And their Big Bang - Why aid them and abet them?

You see, my friend, It has no end And there was no beginning, As Bondi, Gold, And I will hold Until our hair is thinning!"

"Not so!" cried Ryle With rising bile And straining at the tether; "Far galaxies Are, as one sees, More tightly packed together!"

"You make me boil!" Exploded Hoyle, His statement rearranging; "New matter's born Each night and morn. The picture is unchanging!"

"Come off it, Hoyle! I aim to foil You yet' "And in a while," Continued Ryle, "I'll bring you to your senses!"

Steady State teorin dör och bakgrundsstrålningen upptäcks

Det som tog död på Steady State teorin var främst två saker. Den största orsaken var upptäckten av den kosmiska bakgrundsstrålningen som gjordes experimentellt av Arno Penzias (1933- ) och Robert Wilson (1936- ) år 1965 nästan helt och hållet av en slump. När de två vetenskapsmännen upptäckte detta brus, som var likformigt fördelat över himlen, blev de mycket konfunderade. Först efter diskussioner med Robert Dicke (1916-1997) och James Peebles (1935- ), som för övrigt hade planer på att försöka detektera bakgrundsstrålningen som de trodde existerade, får de reda på att strålningen troligtvis kommer ifrån Universums ursprung. Robert Herman (1914- ) hade tillsammans med Ralph Alpher (1921- ) redan förutsett existensen av den kosmologiska bakgrundsstrålningen år 1948. Detta hade även George Gamov gjort, dock ej med lika bra uppskattning av bakgrundsstrålningens temperatur (20 Kelvin) som Herman och Alpher (5 Kelvin). Penzias och Wilson fick 1978 års Nobelpris i fysik medan de övriga blev utan eftersom många hade hunnit avlida (bl a Georges Lemaître, Ralph Alpher, Robert Herman och George Gamov skulle annars ha varit potentiella prisvinnare).

Den andra orsaken till Steady State teorins undergång var resultat ifrån B2HF-uppsatsen från år 1957, vilken ironiskt nog Hoyle var med om att skriva, som sade att väte och helium inte kunde produceras i stjärnorna på något sätt så att ämnena blev så väl utspridda och vanliga som de enligt alla observationer är. Svenske Oskar Klein (1894-1977) hade tillsammans med Beskow och Treffenberg kommit fram till att (en del av) materien i Universum skapas i stjärnorna genom resonemang och experimentella studier redan år 1945.

Brister i den klassiska Big Bang teorin uppmärksammas

I slutet av 1970-talet uppmärksammade man ett antal brister i den klassiska Big Bang teorin. Bl a existensproblemet, platthetsproblemet, storleksproblemet, expansionsproblemet samt unikhetsproblemet kvarstod och krävde en förbättrad modell som inkluderade den trots allt mycket framgångsrika Big Bang modellen. Denna problem ledde till utvecklandet av inflationsmodellen av Alexi Starobinskij och Andrei Linde i Sovjetunionen i slutet av 1970-talet samt av Alan Guth i USA år 1981.

Inflationsteorier utvecklas och förbättras

De ursprungliga inflationsteorierna var dock mycket primitiva och kunde bara lösa ett par av ovanstående problem. År 1982 utvecklade Andrei Linde oberoende av Andreas Albrecht och Paul Steinhardt den förbättrade inflationsteorin. Linde fortsatte med den kaotiska inflationsteorin år 1983, den självreproducerande inflationsteorin samt teorin om stationära universa år 1993. År 2002 försvarade Linde den (kaotiska) inflationsteorin mot den ekopyrotiska inflationsmodellen. Vad dessa teorier kommer att utvecklas till återstår att se men i dagsläget står inflationsteorin på väldigt stadig grund.

COBE bekräftar inflationsteorin

Inflationsteorierna, som grundar sig på Big Bang teorin, förutsade att mycket svaga temperaturskillnader borde existera i den kosmiska bakgrundsstrålningen till följd av att alla regioner av det mycket unga Universum inte kunde fördela energin helt och hållet innan den extrema inflationsfasen p g a mikroskopiska kvantfluktuationer. Den vetenskapliga satelliten COBE, ett projekt utvecklat av främst John Mather och George Smooth (den senare har dock tagit på sig mycket större del av äran än vad han har rätt till), lyckades göra en av 1900-talets absolut största upptäckter år 1992 när man med hjälp av mätdata som dess känsliga instrument detekterade lyckades bekräfta att bakgrundsstrålningen i Universum, som numera har temperaturen 2,735 Kelvin och därmed huvudsakligen strålar i mikrovågsområdet, är perfekt svartkroppsfördelad samt att dessa små avvikelser i temperaturen verkligen existerar. Man lyckades till och med detektera att små avvikelser i temperaturen förekommer lokalt över himlen vilket inflationsteorin kunde förklara. COBE lyckades alltså både ytterligare befästa Big Bang teorin samt finna bevis för inflationsteorin.

Universum expanderar allt snabbare

År 1998 sammanfattade de två studierna av supernovor som hade pågått i snart tio år, "International Supernova Cosmology Project" samt "High-Z Supernova Search Team", att Universum till allas förvåning inte alls expanderar långsammare utan allt snabbare. Detta genom att konstatera att supernovorna långt bort var svagare än de borde ha varit.

WMAP bestämmer Universums egenskaper

Under år 2003 kunde WMAP, en förbättrad variant av COBE, bekräfta det underliga faktum som studier av supernovor har antytt från år 1998 - att Universums expansion sker allt snabbare och snabbare. Einsteins kosmologika konstant, som han senare förkastade som det värsta felet i sin karriär, har alltså återintroducerats inom kosmologin fast med en lite annorlunda innebörd. WMAP har även konstaterat Universums ålder är 13,7 miljarder år på en procent när, att Universum har en platt geometri, består av bara 4 % vanlig materia, 22 % mörk materia och hela 73 % mörk energi, en hittills okänd typ av energi som orsakar den accelererande expansionen av Universum. Denna expansion förkastar en av de viktigaste hypoteserna för att Universum skulle vara slutet, nämligen Machs princip, som kräver att massa finns inom ett ändligt område för att en begränsad massa skall reagera med tröghet.

Orsaken till mörk energi är fortfarande (2002) svår att förstå sig på ens genom de senaste verktygen som strängteori.

Andrei Linde och Renata Kallosh, hans hustru, hittade år 2002 dock lösningar på att Universum kan sluta att expandera allt fortare och istället börja kontrahera om 10-20 miljarder mot en "Big Crunch". Detta genom att mörk energi gradvis övergår i negativ energi som gör Universum instabilt samt får det att börja dra ihop sig.

Är Universum trots allt stationärt?

Skall Fred Hoyle ändå få rätt? Är ändå Universum stationärt, fast på ett sätt som han kanske inte riktigt hade tänkt sig? Enligt kosmologins senare rön, som leds av Andrei Linde, så bildas troligen nya universa hela tiden ur gamla och det totala universat skulle troligen ha kunnat levat "hur länge som helst". Andrei Linde genomförde tillsammans med sonen Dimitri datorsimulationer av dessa teorier.

Hur galaxer bildas

Yakov Borisovich Zel'dovichs blev efter det att hans otroligt framgångsrika grupp inom relativitetsteori och svarta hål fallit samman guru inom kosmologin. Denna status fick han bl a genom att utveckla pannkaksmodellen för hur materia ackumuleras i Universum.

Tillbaka till Kosmologikas hemsida Nästa sida