Store opdagelser: Big bang – den kosmiske begyndelse
Ingen ved, hvordan universet så ud for 15 milliarder år siden, eller om der overhovedet var noget univers.
big bang universet fysik videnskabsteori

Kattepote-tågen, eller blandt astronomer NGC 6334, ligger i stjernebilledet Skorpionen i en afstand fra Jorden af cirka 5.500 lysår. I tågen foregår en hektisk dannelse af nye stjerner. (Kattepote-tågen. Foto: ESO/R. Gendler og R.M. Hannahoe)

Kattepote-tågen, eller blandt astronomer NGC 6334, ligger i stjernebilledet Skorpionen i en afstand fra Jorden af cirka 5.500 lysår. I tågen foregår en hektisk dannelse af nye stjerner. (Kattepote-tågen. Foto: ESO/R. Gendler og R.M. Hannahoe)

Bringes i samarbejde med 50 opdagelser - Højdepunkter i naturvidenskaben

I denne bog gives der en fremstilling af 50 markante gennembrud i naturvidenskaberne, der alle har været med til at skabe det moderne ver

Det opstod ud fra en ekstremt kompakt og ekstremt varm urtilstand: Tætheden var måske 1093 g/cm3 og temperaturen 1032 grader. Og urtilstanden var selv opstået ud fra et ufatteligt 'big bang', hvor rummet og tiden blev født.

Det oprindelige univers udvidede sig med rasende hast, så det blev større og større, og koldere og koldere. I dag er tætheden faldet til omkring 10-31 g/cm3 og temperaturen til – 270 °C.

Verdens tilblivelse er et religiøst dogme

Ideen om, at verden engang blev til, er mildest talt ikke ny. Den er et centralt dogme ikke blot i kristendommen, men også i Islam og den endnu ældre jødiske religion. Men én ting er religiøse dogmer, noget andet er videnskabelige teorier.

Mens det i dag er naturligt at opfatte verden ikke blot som værende i udvikling, men at have udviklet sig fra en begyndelsestilstand, er denne tanke i et historisk og videnskabeligt perspektiv særdeles unaturlig.

Den er faktisk så unaturlig, at den først blev fremført i 1931, mere præcist den 9. maj. I dag har big bang-teorien for længst opnået paradigmatisk status.

I betragtning af teoriens enorme betydning, er ophavsmanden til idéen om et big bang forbavsende ukendt. Navnet Georges Lemaître (1894-1966) siger de færreste noget.

Universet udvider sig

Stadig i slutningen af 1920'erne var tanken om en verden af en endelig alder fremmed for astronomerne, og vi kan kun i ganske enkelte tilfælde finde hentydninger til denne næsten kætterske idé.

Da det et par år senere blev erkendt, at universet udvider sig, ændrede astronomerne ikke umiddelbart deres opfattelse.

Den mest populære model for det ekspanderende univers var i 1927 blevet foreslået af den belgiske fysiker og astronom Lemaître, og hans model antog ikke nogen egentlig begyndelse.

Modellen blev videre udviklet af den fremtrædende engelske astronom Arthur Eddington (1882-1944) og kendes derfor som Lemaître-Eddington-modellen.

LÆS OGSÅ: Sådan gik det til, dengang nobelprisvinderne opdagede en fjern klode og kosmisk baggrundsstråling

Den første big bang-teori var en spekulativ version

Fakta

 

Denne artikel stammer fra bogen '50 opdagelser - Højdepunkter i naturvidenskaben'. Bogen bringes i samarbejde med Aarhus Universitetsforlag. Køb bogen her

 

Eddington var klar over den teoretiske mulighed for en kosmisk skabelsesakt, men »på mig virker idéen om en begyndelse på naturens nuværende orden frastødende«, som han sagde i et foredrag i starten af 1931. 

Lemaître fandt den derimod tiltrækkende, og som svar på Eddingtons holdning udmalede han i en kort artikel fra maj 1931 i tidsskriftet Nature et scenario for universets oprindelse.

Sin korthed til trods er Lemaîtres artikel en milepæl i kosmologiens historie, for det var første gang, at en astronom seriøst foreslog og videnskabeligt begrundede, at verden skulle være opstået ud fra en ufattelig kompakt begyndelsestilstand.

Det var den første version af big bang-teorien, om end en meget spekulativ version.

Begreber som tid og rum havde endnu ingen mening

I øvrigt var det ironisk nok en indædt modstander af big bang-teorien, astronomen Fred Hoyle (1915-2001), der fandt på navnet. I en BBC-radioudsendelse den 28. marts 1949 kritiserede han »hypotesen om, at alt stof i universet blev skabt i et big bang på en bestemt tid i den fjerne fortid«.

Lemaître selv brød sig ikke om navnet og brugte det aldrig. Lemaîtres hypotese var, at hele verden var begyndt i et enkelt 'kvantum' i form af et primitivt og udifferentieret ur-atom.

»Vi kunne opfatte begyndelsen af universet i form af et enkelt atom, hvis atomvægt er den samme som universets samlede masse«, skrev han i artiklen i Nature. »Dette højst ustabile atom ville adskilles i mindre og mindre atomer ved en slags super-radioaktiv proces.«

Den oprindelige tilstand ville have karakter af en slags 'ikke-væren', for i denne tilstand havde grundlæggende begreber som tid og rum endnu ingen mening.

Ved at forestille sig den metaforiske eksplosion af det hypotetiske ur-atom som en radioaktiv kvanteproces sagde han samtidig, at den var tilfældig og uden årsag. Dermed undgik han det klassiske spørgsmål om årsagen til verdens begyndelse og om, hvad der var før den.

Ur-atomet skulle være en gigantisk atomkerne

I overensstemmelse med kvantemekanikken ville det oprindelige ur-atom kunne resultere i den brogede, mangfoldige og umådelige verden, vi lever i, netop fordi denne udvikling ikke var determineret af den oprindelige tilstand.

Atlas-detektoren ved CERNs gigantiske LHC-maskine (Large Hadron Collider) er et højteknologisk og superdyrt apparat til at spore signaler fra protoner, der smasker ind i hinanden ved ekstremt høje energier – næsten som kort efter big bang. Mennesket foran monster-blæksprutten giver et indtryk af størrelsesforholdet. (Atlas-detektor. Foto: CERN 2005. Foto: Maximilien Brice. )

Senere i 1931 udviklede Lemaître sin vision af verdens skabelse til en egentlig videnskabelig teori baseret på Einsteins ligninger for universet. Denne teori eller model adskilte sig fra senere big bang-modeller ved at starte i en materiel tilstand snarere end i 'ingenting'.

Han forestillede sig ur-atomet som en gigantisk atomkerne med en tæthed på 1015 g/cm3, der indeholdt alt stof i universet. Først med den radioaktive eksplosion ville rum og tid skabes, og rummet udvide sig i overensstemmelse med Einsteins ligninger.

Ligesom Einsteins statiske univers fra 1917 havde en endelig størrelse, så var også Lemaîtres ekspanderende big bang-univers endeligt.

LÆS OGSÅ: Kosmisk baggrundsstråling påviste Big Bang. Men hvem kan tage æren for opdagelsen?

Hypotesen var en videnskabelig version af skabelsesdogmet

For så vidt Lemaîtres model beskrev et univers i udvidelse, var den tilfredsstillende. Men var der nogen grund til at tro på, at verden faktisk var startet i eksplosionen af et ur-atom? Var det ikke blot endnu et eksempel på matematisk hjernespind?

Det mente mange videnskabsmænd i 1930'erne, hvor man enten høfligt ignorerede teorien eller afviste den som en »brillant jeu d'esprit«, som en skeptiker formulerede det. Altså – en begavet leg med ord og matematik, men ikke et realistisk bud på verdens oprindelse.

En canadisk astronom mente endog, at Lemaîtres hypotese var »en vild spekulation uden den fjerneste evidens som støtte for den«.

Enkelte kritikere antydede, at hypotesen var en videnskabelig version af det religiøse skabelsesdogme – Lemaître var trods alt katolsk præst – men antydningerne er ubegrundede. Hans teori var et forsøg på at forklare universets udvikling, ikke en skabelsesberetning.

En eksplosiv start på universet

Lemaître var ganske klar over, at hans idé om en eksplosiv start på universet måtte kunne begrundes i form af målinger, der gør en sådan start sandsynlig.

Han henviste til den kosmiske stråling, der havde været kendt siden 1912 og som består af elektrisk ladede partikler, der fra rummet rammer Jorden.

Denne stråling opfattede han som »hieroglyffer i vort astronomiske bibliotek«, nemlig at partiklerne fra rummet udgjorde de svage rester fra det oprindeligt meget voldsomme radioaktive fyrværkeri.

Der findes et levn fra big bang

Universets baggrundsstråling målt over hele himmelkuglen. De forskellige farver angiver ganske små afvigelser fra den intensitet eller temperatur som strålingen har fra den gennemsnitlige, meget lave temperatur. Netop disse afvigelser er altafgørende for, at der udviklede sig galakser, stjerner og andre strukturer i universet – herunder vores Jord. (Baggrundsstråling. Foto: NASA/WMAP Science Team)

Ligesom man må forstå forstenede knogler som fossiler fra fortidens dyr, så måtte man forstå partiklerne fra den kosmiske stråling som fossiler fra den ultimative eksplosion ved verdens begyndelse.

Det var en dristig tanke, der gav hans teori en vis fysisk baggrund, men tanken holdt ikke stik. Den kosmiske stråling er ikke et levn fra big bang, hvilket stod klart senest omkring 1950. 

Alligevel var Lemaîtres idé ikke helt ved siden af: Der findes levn fra big bang, blot i form af den baggrundsstråling af mikrobølger, der blev påvist i 1965, kort tid før Lemaîtres død.

Meget få søgte at udvikle big bang-teorien

Big bang-modellen fra 1931 fik aldrig luft under vingerne. Den var kendt blandt astronomer og fysikere, men mindre end en håndfuld tilsluttede sig modellen eller søgte at udvikle den.

Dette skyldtes ikke blot konservatisme, men nok så meget at man savnede gode grunde for at tro på den. Lemaîtres teori var simpelthen ikke videnskabeligt overbevisende og blev derfor henvist til en plads på udskiftningsbænken for kosmologiske teorier.

Først i slutningen af 1940'erne kom big bang-teorien igen på banen, nu genfødt i en skikkelse, der var væsentlig anderledes end Lemaîtres. Vi skal en tur til Washington, D.C., og den russiske fysiker George Gamow (1904-1968), der i 1933 hoppede af og flyttede til USA.

LÆS OGSÅ: Urgamle radiobølger afslører universets første stjerner

Hyppigheden af helium kunne beregnes

I et ambitiøst forsøg på at forklare, hvordan grundstofferne var blevet til, konkluderede Gamow i 1948, at de var blevet 'bagt' i et inferno ved universets begyndelse.

Som Lemaître antog han en kosmisk begyndelsestilstand og et slags ur-atom, blot var dette en ekstrem kompakt og varm suppe af radioaktive neutroner.

Gamows model for big bang-universet var baseret på kernefysiske beregninger af hyppigheden af grundstoffer, hvilket gjorde den interessant blandt fysikere, men ikke blandt astronomer.

Det lykkedes ganske vist at beregne hyppigheden af helium i universet til cirka 30 %, men de tungere grundstoffer forblev en gåde. Efter få år mistede fysikere og astronomer interessen for den.

Den kosmiske baggrundsstråling gjorde big bang-teorien succesfuld

Big bang? Nej, men ved at skyde vildt energirige partikler mod hinanden kan fysikere simulere nogle af de processer, der foregik kort tid efter universets fødsel. Processer af denne type bliver studeret i CERN og resulterede i 2012 i opdagelsen af Higgs-partiklen. Billedet er en computersimulering af et sammenstød mellem to protoner, der giver anledning til Higgs-partikler. (Sammenstød mellem to protoner. Foto: CERN 1997. Design: Lucas Taylor.)

I slutningen af 1950'erne var big bang-modellen altså igen dømt ude. Ti år senere var den dog på banen igen, og denne gang som den dominerende spiller. Teorien for universets fødsel blev selvfødt tre gange, inden modellen var sund og levedygtig.

Den nye teori fra 1965 var på mange måder en genoplivning af Gamows oprindelige teori, men den var mere sofistikeret og havde større forklaringskraft.

Den kosmiske baggrundsstråling var netop blevet opdaget, og det var ikke mindst forklaringen af dette fænomen, der gjorde den nye big bang-teori til en succes og vendte teorien til den standardteori for universets udvikling, den er også i dag.

Den moderne teori er langt mere avanceret og eksperimentelt underbygget end Lemaîtres noget primitive teori om ur-atomet, men i en begrebsmæssig forstand skete det afgørende nybrud med den belgiske fysikers innovative tanker fra 1931.

LÆS OGSÅ: Fund af exoplanet og universets baggrundsstråling får Nobelprisen i fysik 2019

Avanceret partikelfysik gjorde os klogere på universet

Når standardmodellen for det tidlige univers i dag har så stor autoritet, skyldes det ikke mindst detaljerede studier af den kosmiske baggrundsstråling, der har bekræftet og raffineret teorien om et big bang.

En anden væsentlig årsag er den stadig tættere symbiose mellem kosmologi og elementarpartiklernes fysik, der for alvor begyndte i 1970'erne.

Ved hjælp af avanceret partikelfysik er man blevet klogere på det tidlige univers, og omvendt har man brugt big bang-teorien til at afdække partikelfysikkens mysterier.

Tung brint fandtes ved hjælp af kosmologi og partikelfysik

De enorme temperaturer og energier i det tidlige univers overstiger langt, hvad enhver nutidig og fremtidig accelerator vil kunne præstere, og man har betegnet big bang-universet som »den fattige mands accelerator«.

Ud fra kosmologiske argumenter kunne fysikere i 1980'erne således beregne, at der højst kan være tre typer af neutrinoer, en neutral og næsten masseløs elementarpartikel, hvilket senere blev bekræftet af eksperimenter.

Og ved en kombination af kosmologi og partikelfysik fandt man frem til den mængde tung brint (deuterium), der blev skabt i big bang.

Big bang udelukker ikke et tidligere univers

Man kunne da beregne tætheden af almindeligt stof i universet, hvilket viste, at der må eksistere enorme mængder af 'mørkt stof', en eksotisk form for stof der endnu ikke er forstået.

Endelig, var big bang virkelig altings begyndelse? Det traditionelle svar er ja, men i sig selv udelukker big bang ikke et tidligere univers, der måske har eksisteret i en uendelighed af tid.

Flere fysikere arbejder i dag med teorier for et sådant tidligere univers, der kollapsede i et 'big crunch', ud af hvilket big bang opstod.

LÆS OGSÅ: Hvad er mørkt stof? 

LÆS OGSÅ: Vi kender nu 4.000 exoplaneter, og de fleste fjerne kloder ligner slet ikke vores

LÆS OGSÅ: Astronomer opdager skjult monster-galakse fra universets begyndelse

... Eller følg os på Facebook, Twitter eller Instagram.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Det sker