Vores strålende univers

I vores nutidige univers er der meget koldt og tomt. Så når en stjerne udsender lys, vil det med stor sandsynlighed aldrig blive bremset af noget. Men vi ved, at jo længere man går tilbage i universets historie, desto tættere var det.

Da universet var omkring 300.000 år gammelt, var stoffet så tæt presset sammen, at universet ikke var gennemsigtigt for lys. Det svarer lidt til, at vi prøver at lyse gennem en murstensvæg med en lommelygte – tætheden er så høj, at ikke en eneste lyspartikel nogensinde kommer igennem til den anden side. Samtidig var universet dengang også meget varmere end nu.

Fordi stoffet i det tidlige univers var så varmt, udsendte det også masser af stråling. Det tidlige univers var altså fyldt med stråling. Først da temperaturen faldt til omkring 4.000 grader, var tætheden af stoffet blevet så lav, at universet blev gennemsigtigt for lys. Al den stråling, der var i universet, begyndte derefter at bevæge sig frit gennem universet, og skulle i princippet kunne observeres den dag i dag.

Denne kosmiske baggrundsstråling er det tidligste tidspunkt i universets historie, vi faktisk kan se. For før det tidspunkt var universet jo ikke gennemsigtigt.

De to amerikanske fysikere Ralph Alpher og Rober Herman forudsagde allerede i 1948, at der måtte eksistere en form for kosmisk baggrundsstråling. Fordi universet hele tiden bliver koldere og udvider sig, gik det op for dem, at universet engang må have været varmt nok til at indeholde store mængder stråling.

Et spørgsmål om perspektiv

Takket være observationer af den kosmiske baggrundsstråling har vi fået en meget detaljeret forståelse af, hvordan vores univers udvikler sig, og hvad det består af. Samtidig har det vist sig, at universet har en tæthed, der er overordentlig tæt på – eller måske endda eksakt lig med – den, der skal til for ikke være krumt på hverken den ene eller den anden måde.

Umiddelbart lyder det ikke særlig overraskende. Det viser sig dog ret hurtigt, at et univers uden krumning ud fra et teoretisk synspunkt faktisk er det mindst sandsynlige overhovedet.

Vi kan prøve at forestille os, hvad der ville ske, hvis universet i begyndelsen var bare en lille smule krumt. Med tiden skulle det blive nemmere og nemmere at se krumningen. Det skyldes, at vi kun kan se et lille udsnit af hele universet, fordi lyset ikke bevæger sig uendelig hurtigt. En lyspartikel, der blev udsendt i det tidlige univers, kan ikke have bevæget sig længere end omtrent lysets hastighed gange den tid, der er gået, siden den blev udsendt.

Hvis vi kunne lave en måling af fjerne lyskilder, da universet var for eksempel et år gammelt, ville vi altså kun kunne se ud til en afstand på omkring et lysår. På nuværende tidspunkt, hvor universet er omkring 14 milliarder år gammelt, kan vi jo derimod se ud til afstande på milliarder af lysår.

Spørgsmålet er, hvordan det er gået for sig

Når vi på nuværende tidspunkt ikke kan se nogen form for krumning af universet, må det betyde, at det er uden krumning – eller at det i hvert fald har en størrelse, der er mindst tusind gange den største afstand, vi kan måle.

Dvs. universet skal i hvert fald være større end ti tusind milliarder lysår. For hvis universet var mindre, ville vi kunne se krumningen allerede i den del af universet, der nu er synlig for os. Ligesom man kan se Jordens krumning om bord på et fly, selvom man jo ikke kan se hele Jorden.

Men de fleste af vores computermodeller forudsiger, at universet burde have en størrelse langt mindre end et atom. Det simulerede univers når simpelthen aldrig at blive større, inden det kollapser. Det er jo helt åbenlyst forkert, så en eller anden mekanisme i det meget tidlige univers må have sørget for at puste universet op, så det blev gigantisk.

Spørgsmålet er bare, præcis hvordan det er gået for sig. I lang tid havde man ikke nogen rigtig god forklaring på problemet, men i 1982 fremsatte den amerikanske fysiker Alan Guth en mulig løsning.

Processen løber løbsk

Guth postulerede, at universet tidligt i sin udvikling udvidede sig ekstremt hurtigt. Han brugte ordet 'inflation' om fænomenet, fordi det, der skete i det tidlige univers, minder om, hvad der sker i økonomier med meget hurtige prisstigninger. Det, der ifølge Guth ville kunne få universet til at udvide sig tilstrækkeligt hurtigt, var et såkaldt symmetribrud.

For eksempel kan vi se på en bold, der ligger på toppen af en bakke. Så længe bolden ligger nøjagtigt på toppen af bakken, er billedet fuldstændig symmetrisk, men hvis bolden begynder at trille til en af siderne, bliver symmetrien pludselig brudt.

Den såkaldte Higgs-partikel, hvis eksistens blev bekræftet i 2012, er faktisk del af et symmetribrud i det tidlige univers. Den er som alle andre partikler knyttet til et kvantefelt, i dette tilfælde kaldet ’Higgs-feltet’. Det er symmetrisk ved høj energi. Det er lige meget, hvilken retning man betragter det fra inde i en matematisk konstruktion, man kalder feltrummet.

I den situation kan man matematisk vise, at Higgs-partiklens vekselvirkning med alle andre partikler ikke giver anledning til masse. Men ved en bestemt energi, der godt nok er meget høj, brydes Higgs-feltets symmetri, og det giver samtidig både Higgs-partiklen og alle andre partikler en masse. Uden dette symmetribrud ville vi ikke kunne eksistere, for alle partikler ville være masseløse, og det ville være umuligt at danne atomer og komplekse molekyler.

Gas vil blive koldere, når den udvides

Higgs-feltet viser sig blot at være et eksempel på det, der kaldes et 'skalarfelt'. I det tidlige univers har der med stor sandsynlighed været flere andre skalarfelter end Higgs-feltet, der er blevet udsat for symmetribrud.

Netop mens symmetribruddet foregår – ikke før eller efter – opfører et skalarfelt sig ret spektakulært. Det viser sig nemlig, at det giver anledning til et negativt tryk. Det er noget, der under normale omstændigheder ikke kan forekomme, og det har da også nogle virkelig mærkelige konsekvenser.

Før vi kommer til indvirkningen på universets udvidelse, er det værd at kigge lidt nærmere på, hvordan en gas med negativt tryk opfører sig: Normalt vil en gas blive koldere, når den udvides. Det er en fundamental egenskab i naturen. Men en gas med negativt tryk bliver faktisk varmere, når den udvides. Det vil få gassen til at udvide sig endnu hurtigere og blive endnu varmere. Med andre ord løber processen helt løbsk.

Et skalarfelt og et spontant symmetribrud er nok til at få universet til at udvide sig

Præcis det samme skete faktisk med universets udvidelse under det spontane symmetribrud. Det begyndte at udvide sig hurtigere og hurtigere. Et skalarfelt og et spontant symmetribrud er derfor nok til at få universet til at udvide sig med voksende hastighed. Hvis denne proces fortsatte for altid, ville den føre til et univers, det var helt tomt – bortset fra skalarfeltet selv.

Heldigvis er det netop kun, mens symmetribruddet sker, at udvidelsen er så hurtig. Kosmologer taler derfor om en inflationsfase. Symmetribruddet, der involverede Higgs-feltet, skete meget tidligt i universets udvikling, da det havde en alder på omkring en ti milliarddel sekund. Det kan vi altså ikke observere direkte i det nuværende univers, fordi universet simpelt hen ikke blev gennemsigtigt for lys før langt senere.

Men hvad er det for et symmetribrud, der sørger for, at inflationen overhovedet begynder? Hvad er det, der skubber bolden ned fra toppen af bakken?

Tæt på nulpunktet

Inflation kan på en elegant måde forklare, hvorfor universet ser ud, som det gør. Men omvendt kan inflation på ingen måde forklare, hvorfor universet i det hele taget er der, eller hvor det kommer fra. Inflationen forudsætter jo, at universet allerede er der, når den begynder. Men kan vi fysikere da slet ikke give noget svar på, hvordan universet er opstået? Svaret er desværre et rungende ’måske’.

Hvis vi vender os mod relativitetsteorien og kvantemekanikken, kan vi klart sige, at de ikke rummer noget svar. Når vi går tilbage i tiden, møder vi uvægerligt det, man kalder en ’singularitet’ – dvs. et tidspunkt, hvor energien, tætheden og temperaturen alle er uendeligt høje.

Men fysikkens love har ikke nogen måde at behandle den slags uendeligheder på. Vi må derfor konkludere, at de fysiske love, vi allerede kender, ikke kan give et fornuftigt svar på, hvordan universet begyndte.

Omvendt har vi god grund til at tro, at det er, fordi vi endnu ikke kender de rigtige fysiske love, at vi ikke forstår, hvordan universet er blevet dannet. Det viser sig nemlig, at kvantemekanikken og Einsteins beskrivelse af tyngdekraften ikke er forenelige størrelser. Normalt kan vi nemt feje problemet ind under gulvtæppet.

Superstrengteorier er et forsøg på at gå væk fra tre dimensioner

Desværre er problemet ikke så simpelt i det tidlige univers: For når vi går tilbage i tiden, er det synlige område af universet mindre, og der er færre partikler i det. Tilpas langt tilbage i tiden har det på grund af det ekstremt korte tidsrum ikke været muligt for ret mange partikler at se hinanden, og Einsteins antagelse i den generelle relativitetsteori om, at kvantemekaniske effekter ikke har betydning for universet, bryder sammen.

For at kunne sige noget om, hvad der skete netop på det tidspunkt, hvor universet opstod, er vi altså nødt til på en eller anden måde at forene Einsteins beskrivelse af tyngdekraften med kvantemekanikken. Det har vist sig nemmere sagt end gjort at forene de to størrelser. Faktisk er det af principielle årsager umuligt at lave en kvanteteori for tyngdekraften, der virker i et tredimensionelt rum – som det vi bor i.

De såkaldte superstrengteorier er et forsøg på at gå væk fra ideen om de tre dimensioner. Det viser sig nemlig, at i rum, der har mindst fire dimensioner, er det muligt at lave kvanteteorier for tyngdekraften. Men hvor skulle den eventuelle ekstra dimension så gemme sig, og hvorfor kan vi ikke se den?

Superstrenge kan forklare hvordan et univers opstår ud af ingenting

En mulig forklaring er det, vi fysikere kalder ’kompaktifikation’. Hvis en dimension er foldet sammen som en cirkel i stedet for en linje, og cirklen er tilpas lille, vil vi ikke kunne se den.

Forestil dig et ark papir. Når papiret er foldet ud, har det to dimensioner – længde og bredde. Men hvis du ruller papiret sammen og ser på det fra lang afstand, virker det, som om det er en linje. En linje har kun en dimension – længde – og man kan altså skjule den ene dimension ved så at sige at krølle den sammen eller ’kompaktificere’ den.

Den teori kunne forklare, hvorfor de ekstra dimensioner superstrengteorien forudsiger, er usynlige for os. – Måske består vores verden i virkeligheden af ti eller elleve dimensioner?

Om superstrengteorien kan forklare, hvordan et univers kan opstå ud af ingenting, er det endnu alt for tidligt at sige noget om. På nuværende tidspunkt er universets opståen ikke noget, fysikkens love kan sige ret meget om med sikkerhed. Hvad der derimod er helt sikkert er, at de kommende år vil bringe nye og spændende opdagelser, der vil øge vores viden om det univers, vi bor i.