Lækker universet energi?
CLASSIC: Den totale energi er bevaret, siger en af fysikkens mest fundamentale love. Men gælder det også for universet som helhed, spørger en læser.

Det lys, der strømmer til os fra fjerne galakser, er rødforskudt og ser derfor ud til at have mistet energi. (Foto: <a href="http://shutr.bz/1Xkz3az" target="_blank">Shutterstock</a>)

 

Energi kan hverken opstå eller forsvinde, for den samlede energi er bevaret.

Denne fundamentale lov kaldes energibevarelse og har en finger med i spillet i alle slags processer i naturen omkring os.

Den bestemmer, hvor meget varme der skal til for at varme en kop kaffe op, hvor hurtigt Jorden kredser omkring Solen, og hvor meget mad vi skal have at spise hver dag for at kunne holde os kørende.

Men hvad med universet som helhed, gælder loven også her?

Det spørgsmål har Kim Hansen fra Rødding grublet en del over.

Fakta

Spørg Videnskaben Classic En gang om ugen 'genudsender' vi artikler fra vores brevkasse Spørg Videnskabens arkiver. Denne blev oprindelig bragt på Videnskab.dk 28. juni 2010.

»Kigger man ud i universet, ser det ud til at udvide sig, og konsekvensen er, at lyset i verdensrummet også bliver strakt ud - det man vist kalder rødforskydning. Når bølgelængden vokser, bliver strålingen mindre energirig, dvs. at lyset på sin vej hen mod os må tabe energi,« skriver han og fortsætter:

»Hvis det er rigtigt, hvor er energien så forsvundet hen? Er den lækket ud af universet?« spørger han.

Spørgsmålet bliver med lysets hastighed sendt videre til Tamara M. Davis, der er lektor ved University of Queensland i Brisbane, Australien.

Hendes speciale er studier af fjerne galakser og supernovaer, der har gjort hende ferm til at jonglere med lysets rødforskydning. Hun kan godt forstå læserens skepsis.

»Når et fænomen ser ud til at bryde så fundamental en lov, bliver man straks mistænksom, så inden man drager en endelig konklusion, er det værd at kigge sit energiregnskab efter i sømmene igen og måske se på det med lidt andre øjne,« pointerer hun.

Opblæst ballon fører til misforståelse

Ifølge Einsteins Relativitetsteori krummer galakserne rumtiden, og det skal der tages højde for, når man vil beregne dopplereffekten på lyset. (Foto: Chandra)

Den måde, man i skolen lærer at visualisere universets udvidelse på, er ved hjælp af en ballon, hvis overflade man skal opfatte som selve universet. Stjerner og galakser er tegnet på ballonens overflade som små sorte pletter, og blandt dem er vores galakse Mælkevejen, der rummer Jorden.

I takt med at ballonen blæses op, kan man se, hvordan pletterne bevæger sig væk fra hinanden, og det demonstrerer universets udvidelse: rummet ekspanderer i hvert eneste punkt.

Men visualiseringen skal tages med et gran salt, for den kan føre til direkte misforståelser, som rammer os i nakken, når vi vil undersøge, om lyset bryder loven om energibevarelse.

Ballonen fremstiller det tomme rum, som om det har en fysisk manifestation, hvilken det i virkeligheden ikke har. Og det låser os fast i den måde, vi fortolker rødforskydningen af lyset.

I virkeligheden står det os frit for, om vi vil koble det, at galakserne fjerner sig fra os, sammen med universets udvidelse, eller om vi vil nøjes med at beskrive det som en indbyrdes bevægelse mellem galakserne, fortæller hun.

Fakta

VIDSTE DU

Tamara M. Davis lige nu på visit på Darc Cosmology Centret på Niels Bohr Instituttet på Københavns Universitet.

 

Gør man det sidste, bliver det klart, at lyset ikke mister energi.

»Lysets energitab er en illusion, for i virkeligheden er der tale om en såkaldt dopplereffekt, som opstår, fordi vi bevæger os med en anden hastighed end galaksen gjorde, da den i sin tid udsendte lyset,« siger Tamara M. Davis.

 

Dopplereffekt svarer til rødforskydning

Dopplereffekten er et velkendt fænomen i dagligdagen. Den optræder f.eks., når en ambulance bevæger sig væk fra os med fuld udrykning.

Efterhånden som ambulancen fjerner sig fra os, lyder det som om, sirenen bliver dybere. De lydbølger, der trænger ind i modtagerens ører, har en større bølgelængde end dem, der bliver sendt afsted fra ambulancen.

Set fra ambulancen har lyden stadig den samme bølgelængde og har altså ikke mistet energi.

Fakta

VIDSTE DU

I 1929 opdagede Edwin Hubble at lyset fra de fleste galakser er rødforskudt.

Han fandt at bølgelængden af det lys, der blev udsendt af atomer i alle galakser, tilsyneladende bliver strakt ud i forhold til det lys, der blev udsendt af tilsvarende atomer på Jorden.

Forskydningen voksede proportionalt med galaksens afstand og blev kaldt rødforskydning.

 

Noget tilsvarende sker for det lys, der strømmer til os fra galakserne.

»Det energitab, som lyset tilsyneladende har fra vores position i universet, kan beskrives som en dopplereffekt, hvis man vel at mærke beskriver galaksens og vores relative hastighed på den rigtige måde,« siger Tamara M. Davis.

 

Tunge objekter bøjer rumtiden

Når man skal regne på hastigheder i universet, skal man forholde sig til, at tunge objekter som galakser bøjer både rum og tid som beskrevet i Einsteins Generelle Relativitetsteori, der siger, at alle objekter krummer rummet og tiden omkring sig. Rumtiden skal altså opfattes som en gigantisk gummimåtte, der buler ned alle de steder, hvor der er galakser og andre objekter.

Når en galakse bevæger sig universet, trækker den sit eget spor i rumtiden, og det har en afgørende betydning for, hvilken rute galaksens lys præcis vil følge på vej hen til os.

Inden man kan beregne lysets dopplereffekt, skal man derfor kortlægge det spor, som galaksen og vi hver især følger.

Lysets energitab er en illusion, for i virkeligheden er der tale om en såkaldt dopplereffekt.

Tamara M. Davis.

Herefter skal man ved hjælp af Einsteins Generelle Relativitetsteori beregne den hastighed, som galaksen havde dengang den udsendte lyspartiklen. Til sidst kan man beregne den relative hastighed mellem galaksen dengang og os i dag.

»Regnestykket viser, at dopplereffekten svarer nøjagtigt til lysets rødforskydning. Lyset taber altså ikke energi på sin vej hen mod os, men set fra vores position i rumtiden kommer det til at se sådan ud, fordi vi bevæger os med en anden hastighed, end galaksen gjorde, da den udsendte lyset,« fortæller Tamara M. Davis.

 

Universet for stor en mundfuld

Lyset taber altså ikke i sig selv energi på sin rejse mod os, men hvad så med universet som helhed? Det regnestykke kræver en dygtig bogholder, der kan holde mange bolde i luften på én gang.

Bogholderen skal ikke alene kunne opsummere al den energi, der er gemt i universets masse. De skal også finde en måde at medregne objekternes bevægelsesenergi samt al den energi, der er lagret i alle former for stråling.

Dertil kommer den energi, der er lagret i kemiske bindinger i samtlige atomer samt den, der er lagret i tyngdefelterne omkring planeter, stjerner og galakser.

Da universet er uendeligt stort, vil regnestykket aldrig nå til en ende, og selv den dygtigste regnskabsmedarbejdere vil før eller siden kaste lommeregneren fra sig i arrigskab.

»Universets totale energi er altså hverken bevaret eller tabt - den er udefinerbar. Universet bryder altså ikke med loven om energibevarelse, det ligger bare uden for lovens rækkevidde,« slutter Tamara M. Davis.

Videnskab.dk takker for spørgsmålet og sender en lækker T-shirt til Kim. Sidder du selv med et spørgsmål, kan du sende det til os på sv@videnskab.dk - vil du bare gerne have fingrene i en lækker T-shirt, kan den købes her.

Tidssymmetri er lig med energibevarelse

Energibevarelse er blevet underbygget observationelt mange gange, men rent teoretisk har forskere også god grund til at tro på den.

Det skyldes i høj grad det arbejde, som den tyske matematiker Emmy Noether lavede for 100 år siden, hvor hun beviste, at hver eneste gang, man kan finde en symmetri i naturen, vil der være en bevarelsessætning. Hun fandt, at energibevarelse kræver tidssymmetri, dvs. at tidens gang ikke ændrer på naturens love. De vil være de samme i fortiden, nutiden og fremtiden. 

Den bedste måde at tjekke om, det er tilfældet, er ved at studere fortiden igennem et teleskop. Teleskoperne er i dag så stærke, at de kan se helt tilbage til dengang de første stjerner og galakser blev skabt og til tiden før den kosmiske baggrundsstråling slap fri 300.000 år efter Big Bang.

Det lys, vi ser, har suset gennem universet i milliarder af år, og i al den tid er det første, som lyset støder ind i undervejs, teleskopets spejl. Det sladrer derfor om, hvordan fysikkens love var i gamle dage.