Store opdagelser: Universet udvider sig

Selve begrebet om universet ændrede sig med Einsteins generelle relativitetsteori fra 1915, idet verdensrummet nu blev den centrale del af den teoretiske kosmologi.

Rummet fik en selvstændig fysisk realitet og kunne beskrives af de såkaldte kosmologiske feltligninger, som Einstein opstillede i 1917 og som stadig er grundlaget for den moderne kosmologi.

Et rum kan have en krum geometri

Einsteins oprindelige model beskrev et univers, hvori rummet var endeligt men ubegrænset, og hvori stjerner og galakser var jævnt fordelt.

Modellen var statisk i den forstand, at universets størrelse, angivet ved afstanden mellem to fjerntliggende galakser, ikke varierede systematisk med tiden. Anderledes udtrykt kan man sige, at universets ‘radius’ var konstant.

Et verdensrum, der er endeligt, men ubegrænset, kan lyde som en selvmodsigende konstruktion, men det er kun tilfældet, hvis rummet er ‘fladt’, det vil sige kan beskrives af den almindelige geometri.

Går vi et skridt tilbage til midten af 1800-tallet, havde den tyske matematiker Bernhard Riemann (1826-1866) vist, at et rum kan have en krum geometri, hvor for eksempel vinkelsummen i en trekant er større end 180° og hvor to parallelle linjer vil skære hinanden.

Verdensrummet var endeligt såvel som statisk

Overfladen af en globus er en todimensional analogi til et sådant rum. Det var denne rent matematiske erkendelse, Einstein brugte i sin kosmologiske model, hvor verdensrummet altså var endeligt såvel som statisk.

Allerede i 1922 viste den russiske fysiker Alexander Friedmann (1888-1925) imidlertid, at der var løsninger til Einsteins ligninger, som svarede til et dynamisk univers. Han offentliggjorde sin opdagelse i det anerkendte og meget læste tidsskrift Zeitschrift für Physik.

Nogle af Friedmanns løsninger beskrev et univers i stadig udvidelse, altså hvor afstanden mellem to galakser bliver ved med at vokse, således at universet bliver mere og mere tomt. Andre løsninger svarede til et cyklisk univers, der udvider sig, for derefter at trække sig sammen.

Friedmann forbandt dog ikke sin teori med astronomiske målinger, og det var nok en af grundene til, at den faktisk blev ignoreret af datidens fysikere og astronomer.

Erkendelsen om et dynamisk univers

Set i bagklogskabens klare lys var Friedmanns teori et gennembrud i kosmologien, men den var ikke en ‘opdagelse’ af det udvidende eller ekspanderende univers: Det var blot en af flere teoretiske muligheder.

Den amerikanske astronom Vesto Melvin Slipher (1875-1969) fra Lowell-observatoriet i Arizona havde netop på den tid påvist, at lyset fra de fjerne galakser var rødforskudt, det vil sige at det modtages på Jorden med en bølgelængde, der er større end for en statisk lysgiver.

Fænomenet kunne forklares ved at antage, at galakserne fjernede sig fra Jorden med stor hastighed, men Friedmann nævnte det slet ikke som relevant for sin teori.

Det gjorde derimod den belgiske præst og fysiker Georges Lemaître (1894-1966), der i 1927 uafhængigt af Friedmann nåede frem til erkendelsen om et dynamisk univers.

Einsteins relativitetsteori blev koblet til rødforskydning

Lemaître havde en bemærkelsesværdig dobbeltkarriere, idet han livet igennem tjente både de fysiske videnskaber og den katolske kirke.

Han havde doktorgrader i såvel teologi som astrofysik, men opfattede de to områder som adskilte, og han advarede mod at bruge naturvidenskabens opdagelser som argumenter for religiøse doktriner.

Omvendt var det ikke hans tro, der inspirerede ham til ideen om et ekspanderende univers, men derimod hans tekniske ekspertise i Einsteins relativitetsteori koblet med hans kendskab til målinger af den galaktiske rødforskydning.

Teorien kunne begrundes med observationer

Efter Lemaîtres teori fra 1927 var udvidelsen af universet ikke blot en matematisk mulighed, men en fysisk realitet, der kunne begrundes såvel teoretisk som ved hjælp af observationer.

Der er derfor god grund til at anerkende den stadig i dag ret ukendte belgier som opdager af universets udvidelse, om end det tog nogle år, før hans opdagelse blev accepteret.

Faktisk blev hans banebrydende artikel fra 1927 ignoreret i endnu højere grad, end tilfældet var med Friedmanns tidligere artikel.

Galakser er som prikker på en ballon

Lemaître indså som den første, at de data, astronomerne havde om galaksernes rødforskydning, var af kosmologisk betydning, og at de kunne forstås som resultatet af universets udvidelse: Når rummet udvider sig, vil lysbølgerne ‘udstrækkes’ på deres vej fra galaksen til Jorden, svarende til at lyset modtages mere rødt, end det afsendes (lysets bølgelængde vokser fra den violette til den røde del af spektret).

Som han fremhævede, så var rødforskydningen ikke forårsaget af galaksernes flugt gennem rummet, men af selve rummets udvidelse. Man kan opfatte galakserne som ‘klistret’ på rummet som prikker på en ballon.

Når rummet udvides, vil afstanden mellem to vilkårlige galakser vokse med rummet – ligesom når prikkerne på en ballon, der pustes op, kommer længere og længere fra hinanden.

Udvidelseshastigheden var proportional med den kosmiske afstand

Ved at argumentere på denne måde var Lemaître i stand til at vise, at udvidelseshastigheden v ville vokse omtrentligt proportionalt med den kosmiske afstand r, nemlig følge et udtryk af formen v = kr, hvor k er en konstant størrelse for alle galakser.

I 1927 var afstandene til galakserne dog kun dårligt kendte, og Lemaîtres formel kunne derfor endnu ikke bekræftes af observationer. Måler vi udvidelseshastigheden v i km/s og afstanden r i enheden megaparsec (Mpc, som er cirka 3,3 millioner lysår), bliver enheden for k km/s/Mpc.

Med denne enhed estimerede Lemaître en talværdi for k på omtrent 625.

Hans univers var endeligt i udstrækning, ligesom Einsteins model fra 1917 var det, men altså med en stadig voksende udstrækning eller radius. I sin artikel fra 1927 vurderede han, at radius for det nuværende univers var cirka 18 milliarder lysår.

Han fortolkede ikke selv sine data som bevis

Lemaître forstod og opdagede universets udvidelse som et kosmisk fænomen, men hans opdagelse anno 1927 havde altså kun beskeden støtte i observationer.

En sådan støtte fremkom dog allerede et par år senere, karakteristisk nok uafhængigt af de kosmologiske teorier, som Friedmann og Lemaître havde foreslået.

I 1929 havde den eminente amerikanske astronom Edwin Hubble (1889-1953) samlet tilstrækkelig mange og gode data for galaksers rødforskydning og afstande til at kunne fastslå en empirisk sammenhæng mellem dem.

Han påviste således en omtrentlig lineær sammenhæng, hvor ‘Hubble-konstanten’ (k eller H) var omtrent 560 km/s/Mpc. Hubbles vigtige opdagelse var således en bekræftelse af Lemaîtres teori, som Hubble i 1929 imidlertid var uvidende om.

Han selv fortolkede ikke sine data som bevis for universets eller rummets ekspansion, men blot som at galakserne flygter fra os, med des større hastighed jo længere væk de er. Den fjerneste af de galakser, Hubble kunne måle, bevægede sig væk fra jorden med en hastighed på cirka 1000 km/s.

Einstein afviste at universets størrelse kunne variere

Ideen om et dynamisk og ekspanderende univers krævede et slags paradigmeskift for at blive accepteret som en grundlæggende del af det videnskabelige verdensbillede.

Einstein var en af de yderst få fysikere, der kendte både Friedmanns og Lemaîtres arbejder, og alligevel afviste han indtil 1930, at universets størrelse kunne variere i tiden.

Det var først, da Hubbles data kom ind i billedet, at Lemaîtres teori blev kendt og spiselig, og det var først da, at ledende astronomer og fysikere accepterede ideen om det ekspanderende univers.

I dag er teorien nærmere et faktum

Tidens måske mest indflydelsesrige astronom, englænderen Arthur Eddington (1882-1944), var den varmeste fortaler for Lemaîtres teori, som han udviklede videnskabeligt og udbredte i populære bøger som The Expanding Universe (Det Ekspanderende Univers) fra 1933.

I løbet af få år blev teorien almindelig anerkendt, og i dag betragtes den knap nok som en teori, men nærmere som et fundamentalt faktum. Ikke desto mindre er det værd at huske på, at universets udvidelse ikke er påvist direkte.

Det er en overbevisende teoretisk fortolkning af måleresultater.

Ethvert sted kan være universets centrum

Den universelle ekspansion har nok været kendt i mere end 80 år, men fænomenet er ikke desto mindre svært at forstå og giver ofte anledning til misforståelser. I 1930’erne blev det blandt lægfolk mødt med forståelig skepsis, idet man typisk stillede to slags spørgsmål.

For det første, hvis alle galakser fjerner sig fra Jorden, som målinger jo viser, er Jorden da ikke i centrum af universet? For det andet, hvis hele universet udvider sig, hvad udvider det sig da i? Naturligvis er Jorden ikke et centralt eller privilegeret sted i universet.

Der er slet intet centrum i universet: Ethvert sted kan opfattes som et centrum. Galakserne flygter ikke specielt fra Jorden eller fra Mælkevejen, men de flygter fra hinanden.

Og universet bliver nok større og større, men det udvider sig ikke i noget, sådan som for eksempel varm luft i den omgivende koldere luft. I sagens natur kan der jo ikke være noget ‘uden for universet’.

Universets udvidelse var ikke én opdagelse af én forsker

Fænomenet kan anskueliggøres ved den før nævnte ballon, hvor man så skal forestille sig, at ballonens todimensionale overflade er hele universet, svarende til det virkelige tredimensionale rum. Der er altså ikke noget inden i eller uden for ballonen.

Som så mange andre af de vigtigste naturvidenskabelige erkendelser var erkendelsen af universets udvidelse ikke resultatet af en enkelt opdagelse gjort af en enkelt forsker.

Selv om både Friedmann og Hubble var centrale aktører i opdagelsen – og Einstein var det i en mere indirekte forstand – var Lemaîtres bidrag fra 1927 dog det afgørende bidrag til forståelsen af, at universet udvider sig.

Ikke blot var der tale om en chokerende ny kosmologisk indsigt om rummets natur, indsigten var også et forspil til og en nødvendig (men ikke tilstrækkelig) betingelse for ideen om et big bang-univers af en endelig alder.