Big History: Universet roder mere og mere

Når vi fortæller universets historie, er det normalt at begynde med Big Bang og følge dannelsen af de første stjerner og galakser. Derefter kommer planeterne og deres mulighed for at rumme liv. Til sidst fremtiden, måske helt frem til de sidste stjerner og det mørke univers, der så kommer.

Det er en kronologisk beskrivelse af universets historie, som begynder med begyndelsen og ender med slutningen.

Men der er en anden måde at fortælle universets historie. Her er udgangspunktet universets evne til at frembringe komplicerede strukturer som stjerner og galakser, og bare få milliarder år efter Big Bang levende organismer.

Historien om det komplekse univers er værd at se nærmere på, fordi universet begyndte i en meget simpel tilstand, hvor det kun indeholdt atomare partikler som protoner, neutroner og elektroner. Der var ingen atomer og slet ingen molekyler. Der var heller ingen struktur og hverken stjerner eller galakser, men kun en mange milliarder grader varm gas af partikler.

Termodynamikken giver svar

Vi ved fra dagligdagen, at det kræver arbejde og energi at bygge noget kompliceret. Leret i Jorden bliver ikke af sig selv til mursten og træerne i skoven ikke til brædder. Det kræver en stor arbejdsindsats først at fremstille byggematerialerne og derefter bygge et hus.

Nu har naturen ikke bygget huse, men i de levende organismer er der langt mere komplicerede strukturer. Man behøver bare at tænke på de terabytes af data, der ligger lagret i et DNA-molekyle.

Vi skal tilbage til en mere end 150 år gammel gren af fysikken, nemlig varmelæren eller termodynamikken, for at forstå, hvor vanskelig universets vej frem mod kompleksitet har været.

Universet har mulighed for at opbygge struktur

Allerede i midten af 1800-tallet fandt man frem til den måske mest grundlæggende af alle naturlove, i dag kendt som termodynamikkens anden hovedsætning. Ifølge anden hovedsætning vil universet naturligt udvikle sig mod stadig mere uorden. Det er ikke direkte forbudt at skabe orden, men det kræver en stadig energitilførsel og særligt gunstige forhold.

Universet kan ikke undslippe anden hovedsætning, der i sidste ende vil føre til den såkaldte varmedød. Den vil indtræde om mange billioner år, når stjernerne er ophørt med at producere energi og lyse. I dette mørke univers findes energien kun som varme, og når alle temperaturforskelle er udjævnet, så sker der ikke mere, for energi kan kun strømme fra steder med høj temperatur til steder med lav temperatur.

Men undervejs mod varmedøden har universet mulighed for lokalt at opbygge struktur og kompleksitet. Prisen er bare, at der så skal skabes uorden et andet sted, således at universets samlede uorden hele tiden vokser.

Universet har lokalt har kunnet skabe de forhold, som i hvert fald her på Jorden har ført frem til de mest komplicerede strukturer vi kender, nemlig liv og opbygningen af et stadig mere komplekst samfund. Historien om, hvordan det har kunnet lade sig gøre, falder i tre dele:

• Hvordan anden hovedsætning om termodynamikken styrer universet.
• Hvad kompleksitet er.
• Hvordan det levende univers gradvist er opbygget.

Energi forsvinder aldrig

I midten af 1800-tallet blev to af fysikkens vigtigste love formuleret, nemlig termodynamikkens første og anden hovedsætning.

Termodynamik handler om varme, og hvordan varme kan omsættes til andre energiformer – en ganske væsentlig videnskab for 1800-tallet, hvor den vigtigste maskine var dampmaskinen. Dampmaskinen får sin energi ved forbrænding af kul. Herved omsættes den kemiske energi i kullene til damp ved høj temperatur. Dampen driver et stempel og afkøles herved. Der er mange energiomsætninger i en dampmaskine, og den store opgave i 1800-tallet var at konstruere den mest effektive dampmaskine – den der udnyttede kullene bedst.

Allerede i midten af 1800-tallet blev grundlaget for termodynamikken lagt med de to hovedsætninger, der stadig er et fundament for moderne fysik. Det første skridt var at erkende, at varme ikke er et stof, men en energiform ligesom elektrisk og mekanisk energi. Det førte til første hovedsætning, der er den velkendte lov om energiens bevarelse:

Energi kan omdannes fra en form til en anden, men aldrig forsvinde.

I et elværk omdannes kullenes kemiske energi til elektricitet. Intet elværk er helt effektivt, så noget af den kemiske energi ender som varme, vi ikke kan bruge til noget, og som bare forsvinder ud i naturen. Men første hovedsætning sørger for, at der er balance i regnskabet:

Den kemiske energi i kullene = den producerede elektriske energi + tabt varmenergi.

Energi bliver til varme

Anden hovedsætning handler om den vej, fysiske processer forløber. Eksemplet med elværket er nemlig udtryk for indholdet i anden hovedsætning:

Når energi omsættes fra en form til en anden, vil noget af energien altid ende som varme

I fysikken taler man om energi af høj kvalitet som kernenergi, kemisk energi, strålingsenergi og mekanisk energi. Energi af høj kvalitet er let at omdanne. Slutresultatet vil dog altid blive, at energien bliver omdannet til varmeenergi af lav kvalitet. Således har en bil i bevægelse mekanisk energi, der omdannes til varme, når bilen bremser.

Tilsvarende bliver energien i solens stråler til varme-energi, når strålerne rammer Jorden. Man kan sige, at varmeenergi er energiens endestation. Vi har masser af energi på Jorden, men langt det meste er varmeenergi ved lav temperatur, som vi ikke kan bruge til noget.

Alle former for energi vil til sidst ende som varmeenergi. Varme er energien i molekylernes bevægelse. Det er umuligt at beregne det enkelte molekyles bevægelse, da det hele tiden støder ind i nabomolekyler. Varme udmærker sig ved at repræsentere en tilstand med en høj grad af uorden.

Her har vi det helt centrale indhold i anden hovedsætning:

Alle fysiske processer vil gå mod en stadig større grad af uorden.

Uorden er verdens orden

I fysikken er der et mål for uorden, der kaldes for entropi. Man kan derfor også formulere anden hovedsætning således:

Universets samlede entropi vil altid vokse.

Ser vi på hele universet, så kan det hverken kan modtage eller afgive energi. Der er jo ikke noget uden for universet, der kan levere eller modtage energi fra universet. Fysikerne kalder universet for et lukket system, og det betyder, at anden hovedsætning hersker absolut i universet – men lokalt er der nogle smuthuller.

Rundt omkring i universet er der åbne systemer, der både kan modtage og afgive energi. Jorden er et sådant åbent system, da den modtager energi fra Solen. Herved bliver Jorden opvarmet, og denne varme udstråles så til rummet og ender med at øge universets entropi.

I et åbent system, hvor der strømmer energi, er der intet i vejen for, at entropien lokalt kan aftage, således at der kan opstå komplekse systemer som liv. Det er ikke et brud på anden hovedsætning, fordi den samlede entropi i universet vokser.

Hvad er kompleksitet?

Kompleksitet er en meget afgørende egenskab ved universet, men ganske svær at definere præcist. Vi behøver bare at tænke på, at vi stadig ikke har en præcis definition på, hvad liv er ud over den gamle vittighed: »Jeg ved ikke, hvad liv er, men jeg kan genkende det, når jeg ser det«.

Alligevel er der nogle fælles træk ved komplekse systemer:

• Komplekse systemer er opbygget af mange enkeltdele: Atomer, molekyler, celler og organismer.
• Det er afgørende, hvorledes enkeltdelene er placeret i forhold til hinanden, og hvordan de virker sammen. Det er bestemt ikke ligegyldigt, hvordan de enkelte atomer er placeret i et molekyle, hvordan de enkelte baser fordeler sig i et DNA-molekyle, eller hvordan vi mennesker organiserer et samfund.
• Komplekse systemer har egenskaber, som først viser sig, når de komplekse systemer er skabt. Ganske almindeligt vand har egenskaber, som ikke findes hos hverken ilt eller brint, og liv har egenskaber, som ikke findes i den livløse natur, selv om livet er opbygget af helt almindelige atomer.
• Komplekse systemer er skrøbelige – de nedbrydes hurtigt, hvis de ikke hele tiden opretholdes ved energitilførsel. Men det er vigtigt, at energitilførslen er af den helt rigtige størrelse. Det kræver energi at opbygge komplekse molekyler, og levende organismer overlever kun, hvis de hele tiden kan modtage energi. Men for megen energi i form af stråling kan nedbryde både molekyler og levende organismer.

Sammenfattende kan vi sige:

• Komplekse systemer kan kun skabes og opretholdes steder, hvor der hele tiden er en strøm af energi. Forudsætningen for en sådan energistrøm er temperaturforskelle, da energi altid strømmer fra steder med høj temperatur til steder med lav temperatur.

De fire egenskaber ved komplekse systemer forklarer, hvorfor de er så sjældne i universet, og hvorfor vi skal passe så godt på dem.

Når vi taler om livets opståen, så ved vi, at det kræver energi at opbygge komplicerede molekyler ud fra simple molekyler, og at det kræver energi at holde liv i en organisme. Bare tænk på, hvor hurtigt en plante eller et dyr nedbrydes, når det dør, og ikke længere kan optage energi gennem føde.

Gamle og nye samfund er også komplekse strukturer

I arkæologien kan vi finde et andet eksempel. Når arkæologerne udgraver gamle byer, så var de jo engang strukturer med en høj grad af orden. Der har måske været store huse, statuer og søjlegange – men nu, tusinder af år senere er al denne struktur forsvundet, smuldret væk.

Det er fordi byen i årtusinder ikke har fået tilført energi i form af det arbejde, bygningsarbejdere udfører for at vedligeholde bygningerne.

Det, arkæologerne har at se på, er blot potteskår, nogle gamle ruiner og bunker af teglsten, som kun med stort besvær kan samles sammen – dog uden nogensinde at genskabe fordums storhed.

Det er anden hovedsætning, som langsomt, men sikkert sletter sporene af fortiden.

Det moderne samfund repræsenterer noget af det mest komplicerede, vi kender til i universet. Fjern vores energikilder, og samfundet vil næsten øjeblikkeligt bryde sammen.

Internettet har gjort sit til at øge kompleksiteten. Vores globale informationssamfund er noget af det mest komplekse, vi kender i universet. Det kræver megen energi at opretholde og er som alle komplekse systemer meget skrøbeligt.

Vores samfund kan derfor let kollapse, hvis vi ikke hele tiden gør noget for at opretholde det.

Det levende univers – sådan blev det til

For at blive til det levende univers, vi kender i dag, har universet måttet gennemgå en række skridt. Ved hvert skridt har universet fået nye egenskaber, der er fremkommet som et resultat af flere årsager i det meget sammensatte system. Og de har i hvert fald et sted ført til, at liv har kunnet opstå og udvikle sig.

1. skridt: Big bang

Umiddelbart efter Big Bang var universet, så vidt vi ved, en helt uordnet blanding af stof og stråling. Man kan ikke forestille sig en større uorden, så entropien – altså graden af uorden i et system der indeholder energi – må have været maksimal. Det ville udelukke enhver mulighed for at opbygge noget komplekst – at blive et levende univers.

Men universet udvider sig, og især i begyndelsen under inflationsfasen var udvidelsen meget voldsom. Det ændrede situationen. For udvidelsen betød, at der aldrig opstod ligevægt, at der populært sagt hele tiden blev 'plads til mere entropi'. Argumenterne er lidt tekniske, men en analogi kan forklare princippet:

• En beholder er fyldt med luft ved en vis temperatur. Da der ikke er nogen temperaturforskel, kan der ikke flyde nogen energi, og entropien er maksimal. Men pludseligt gøres beholderen dobbelt så stor. Og i det øjeblik, det sker, så bliver der 'plads til mere entropi'. For molekylerne befinder sig jo nu i den ene halvdel af beholderen, og har dermed mulighed for at sprede sig ud, så de kommer til at fylde hele beholderen. Systemet er fra at være totalt uordnet blevet ordnet med molekylerne i den ene halvdel af beholderen. Molekylerne kan nu bevæge sig, og det repræsenterer en energistrøm, og dermed er der igen nyttig energi til stede.

Universets udvidelse gjorde det muligt for entropien at vokse, og dermed var vejen åbnet for de næste skridt frem mod det levende univers.

2. skridt: Stjernerne dannes

De første stjerner blev dannet meget tidligt i universets historie, længe før der var mulighed for liv. Det var tyngdekraften, som skabte den nødvendige forudsætning. Oprindeligt bestod universet af en meget varm gas med en tæthed, der ikke var lige stor alle vegne.

Tyngdekraften fik de tætteste dele af gasserne til at trække sig sammen, således at de første stjerner kunne dannes. Derved blev der skabt lokal orden forstået på den måde, at der nu var stor forskel på de varme stjerner og det kolde verdensrum.

Lokalt kunne der nu strømme energi fra stjernerne ud i rummet. Det er ikke noget brud på anden hovedsætning, for stjernerne afgiver nyttig kernenergi til rummet, hvor den ender som unyttig varme. Universets samlede entropi vokser, men til gengæld er der skabt en lokal lomme af orden – i hvert fald så længe stjernen lyser.

3. skridt: Grundstofferne dannes

Universet begyndte som en blanding af brint og helium, og det åbner jo ikke mange muligheder for dannelse af molekyler og kemiske processer. Men i supernovaer blev der dannet tunge grundstoffer, som blev slynget ud i universet, hvor de kunne blive byggestene for senere generationer af stjerner og planeter.

Energien fra supernovaer ender som varme et sted langt ude i universet, og øger derved universets entropi. Men til gengæld har universet fået en ny grad af kompleksitet, nemlig muligheden for at opbygge molekyler – i begyndelsen kun meget simple molekyler, da de skal dannes i store, udstrakte gaståger

4. skridt: Planeter dannes

Dannelse af planeter ud fra skiver af gas og støv omkring de nydannede stjerner åbner mulighed for endnu et spring opad i kompleksitet.

På nogle planeter er der vand, og det sammen med tilpasse temperaturer åbner mulighed for molekyler af hidtil uset kompleksitet. Energien til at skabe denne kompleksitet kommer naturligvis fra stjernernes stråling – anden hovedsætning er opfyldt.

5. skridt: Livet dannes

Livets dannelse er stadig noget af et mysterium. Der er dog ingen modstrid med anden hovedsætning, fordi Jorden ved dannelsen har modtaget rigeligt med energi fra Solen. Med livet kommer en meget vigtig emergent egenskab, nemlig evolution, der gør det muligt for livet at udvikle sig og tilpasse sig stadig ændrede forhold.

Disse fem skridt er ganske langt at nå på kun 13,7 milliarder år. Vi har ikke bare milliarder, men billioner af år foran os, før den sidste stjerne slukkes, energistrømmene ophører, og anden hovedsætning vinder sin endelige sejr.

Det giver universet masser af tid til at udvikle en langt højere grad af kompleksitet, end vi kender i dag – vort univers er stadig et meget ungt univers med den største del af livet foran sig.

Big History – historien om mennesket og universet

Der er opstået en ny gren af historien, kaldet Big History, som ovenstående fremstilling også er baseret på. Her forsøger man at beskrive ikke bare universets historie, men også livets og menneskets historie som en konsekvens af universets evne til lokalt at kunne danne stadigt mere komplekse strukturer – altså en tankegang baseret på anden hovedsætning.

Big History bygger i høj grad på forskning udført af den amerikanske astronom Eric J. Chaisson og beskrevet i bogen Cosmic Evolution. I dag undervises og forskes i Big History mange steder. Den mest kendte talsmand i dag er den australske historieprofessor David Christian, og projektet har modtaget stor økonomisk støtte fra Bill Gates fra firmaet Microsoft.

Big History er beskrevet på to store hjemmesider: www.bighistoryproject.com og www.chronozoom.com

Her kan man finde store mængder tekst og film samt undervisningsmaterialer, der ikke bare kan anvendes i astronomi, men også i andre fag som historie og biologi. Big History er dermed egnet til tværfagligt samarbejde og større opgaver.

Udviklingen kan inddeles i tre faser

Nu skulle man tro, at Big History vil gøre mennesket og hele vor kultur til noget meget ubetydeligt, sammenlignet med universet. Men det er kun delvis sandt.

På den ene side kan det ikke nægtes, at vor nedskrevne historie ikke går mere end højst 5000 år tilbage, og at det ikke er meget i forhold til universets alder på 13,7 milliarder år. Og tilsvarende syner Jorden jo heller ikke af meget i forhold til de mere end 100 milliarder galakser, der findes i det synlige univers.

Der er en anden side af vor eksistens. Ikke bare livet, men hele vor kultur repræsenterer måske det mest komplekse, der findes i universet. Vi fylder måske ikke så meget, men hvad angår kompleksitet, repræsenterer vi muligvis noget meget sjældent i et univers, der trods alt mest består af tomt rum.

I Big History kan udviklingen inddeles i tre faser, hvor universet, eller samfundet, i hver fase får nye emergente egenskaber:

• Fysisk udvikling.
• Biologisk udvikling.
• Kulturel udvikling.

Den fysiske og biologiske udvikling er dækket af de fem skridt, som er opridset ovenfor. Den kulturelle udvikling er beskrevet i yderligere tre skridt:

1. Kollektiv læring

Med fremkomsten af et sprog kan individer nu få del i erfaringen fra andre individer og samfund. Det giver stærkt øget mulighed for hurtigt at tilpasse sig nye forhold, og kollektiv læring er samtidig forudsætningen for at danne komplicerede samfund.

2. Landbrugssamfund

Et stabilt klima efter sidste istid og eksistensen af egnede kornsorter gør det muligt at begynde at dyrke landbrug. Det giver igen mulighed for langt større befolkninger end tidligere. Efterhånden som vi bliver bedre til at udnytte planter og tæmme dyr, får vi overskuddet til at skabe de første større bysamfund og dermed de første civilisationer.

3. Det moderne samfund

Den tekniske udvikling inden for transport og kommunikation gør det muligt at skabe det første globale samfund. Især it gør det muligt at administrere et yderst kompliceret globalt samfund. Et globalt samfund har mulighed for at løse globale problemer, der følger af for eksempel klimaændringer.

Til gengæld kræver et globalt samfund så mange ressourcer, især energi, at dets stabilitet på langt sigt er tvivlsom. Det er måske derfor, at vi er så interesserede i at komme i kontakt med andre civilisationer med en meget længere historie end vores. Det kunne jo være, at de havde nogle erfaringer, vi kunne bruge…