cosmoconstants.html
©J Westman 2003, 2005

Vårt underfundiga universum.
   Ju mer vi kommer underfund med, desto klarare inser vi att vi ingenting vet - ja det uttrycket tillskrivs många filosofer och vetenskapsmän börjande från Sokrates, och om uttrycket inte hade myntats redan tidigare, så skulle det ha kommit som en kommentar till sekelskiftes-årens framsteg inom kosmologin. Kosmologin, läran om Universums utveckling och uppbyggnad, var under största delen av 1900-talet en vetenskapsgren som var rik på teorier men fattig på observerade data. Inom endast några år har läget förändrats radikalt. Astronomerna hade grälat om universums utvidgningstakt och mängden materia i decennier. Kring sekelskiftet har värdena kunnat mätas upp, observationsprogrammen fortsätter och teoretikerna befinner sig på efterkälken. Kosmologin år 2003 har tagit steget över tll en ny paradigm jämfört med 1993.


JW 31.3.2003, 30.09.2003, 03.11.2005

Sju konstanter beskriver den uppfattning om vårt världsallt som gäller idag, och de sju konstanter det gäller är:

- 1: Hubble-konstanten som är ett mått på hur snabbt Universum utvidgar sig i vår tidsålder.

- 2: den kosmologiska densitetsparametern, måttet på mängden massa plus energi som finns i Universum jämfört med den mängd som behövs för att göra Universum platt, ge det en klassisk euklidisk geometri, densitetsparametern påverkar vilken takt utvidgningen hade i forntiden och kommer att ha i framtiden.

- 3: materiens densitetsparameter, mängden av massa som verkar med sin gravitation i Universum, vilket påverkar hurudana strukturer hoparna av galaxer bildar i rymden.

- 4: densiteten av vardagsmateria som vi ser som stjärnor och galaxer, den bestämdes av förhållandena då partikelmaterian uppstod i det tidiga Universum.

- 5: energi-densitetsparameter, mängden av mörk energi som iakttas skuffa på Universums utvidgning, vilket också påverkar hur Universum utvidgas under olika tider och i och med det Universums ålder

- 6: Universums ålder, det vill säja tiden sedan hela cirkusen började, och

- 7: den kosmiska bakgrundsstrålningens rödförskjutning - ett mått på hur mycket Universum har utvidgats sedan den kosmiska bakgrundsstrålningen uppstod, vilket bestämmer bakgrundstrålningens temperatur som den mäts idag.

Nummer ett: Hubble-konstanten.

Den modärna kosmologin bygger på dels fysikens framsteg: kärnfysik och kvantfysik, och på Albert Einsteins relativitetsteorier och tolkningar av dem . Den första observationen som styrde teorin, slutet av 1920-talet, var att Universum utvidgar sig, efter upptäckaren Edwin Hubble kallas utvidgningstakten Hubble-konstanten. Nummer ett på vår lista.

Enligt relativitetsteorin är det rymden själv som tänjs ut, och därmed är det rymden som tänjer ut ljusets våglängd, så att de olika grundämnenas signatur-linjer i ljuset verkar förskjutna mot längre våglängder. Det som kallas rödförskjutning. Rödförskjutningen är samtidigt ett mått på hur mycket Universum har utvidgats sedan ljuset från en fjärran galax kom iväg. Men enbart rödförskjutningen säjer inte i vilken takt Universum har utvidgats. Att mäta det kräver att avståndet till de fjärran galaxerna mäts oberoende av rödförskjutningen, och det har varit svårt . I tiden räckte Hubbles metoder bara några tiotal miljoner ljusår ut.

Stora galax-hopar, som den i stjärnbilden Jungfrun påverkar inom ett par hundra miljoner ljusår hur galaxerna rör sig, astronomerna måste komma ut till miljarder ljusår för att nå ett ostört Hubble-flöde, som enbart beror på att rymden utvidgas. I rymdteleskopet Hubble får man fram enskilda standardstjärnor som ger avståndet till galaxerna inom hundra miljoner ljusår eller så. Då har man ett tillräckligt urval av galaxer för att kunna använda galaxernas egenskaper som helheter för att få fram avstånd längre ut. Årtionden av gräl om Hubble-konstanten har äntligen avgjorts: värdet är knappt 22 kilometer i sekunden per miljoner ljusår avstånd i rymden - astronomerna använder måttet megaparsek så i litteraturen ser ni måttet 71 kilometer i sekunden per megaparsek, det var ett viktigt genombrott...

Om man bara tar hänsyn till gravitationen mellan galaxhoparna kommer man till att expansionen bör stanna av, och ett räknande tillbaka ger då vid handen att Universum inte kan vara mer än tio miljarder år gammalt. Dagens kärnfysik och observationer av stjärnor visar emellertid att de äldsta stjärnor vi känner började lysa redan för 12 miljarder år sedan. Inte bra med stjärnor som är äldre än världsalltet, men så kom för fem år sedan, 1998, mätningar av avlägsna galaxers avstånd med de starkaste standardljus astrofysiken känner - en viss typs exploderande stjärnor eller supernovor - och de visar att Universum faktiskt utvidgas snabbare nu än under tidigare eror. Då måste det också ha tagit längre tid sedan det hela började: konstanten nummer sex, tiden sedan Stora Smällen, beräknas nu till 13,7 miljarder år. Och den upptäckten var ett avgörande genombrott.

En hittills okänd "mörk energi" tvingar alltså Universum att utvidgas i ökande takt, men den är även avgörande för mängden mass-energi i Univerum och därmed för världsalltets geometri.

Bakgrundsstrålning och ojämnheter.

Att alltihop började med nånslags ur-explosion kastades fram redan på 1920-talet, men i mitten av 1900-talet fick den teorin mothugg i teorin om det oförändrade tillståndet. Även kallad det pågående skapandets teori. Om lite materia ständigt strömmade till i rymden och samlades till nya stjärnor och nya galaxer så skulle visserligen stjärnorna slockna och galaxerna åldras och driva isär från varann, men de skulle ständigt ersättas av nya stjärnor och nya galaxer. Ständig skapelse istället för allt på en gång, teorin med en engångsbegynnelse fick öknamnet stora smällen.

I god vetenskap ska det kunna ställas upp förutsägelser som bekräftas med observationer, och för den stora smällens del ställdes det upp att den tidiga utvecklingen borde ha gett upphov till en bakgrund av elektromagnetisk strålning, alltså ljusstrålning, som når oss från alla håll av himlavalvet. Under Universums utvidgning har den tänjts ut tills den i vår tidsålder kan iakttas som radiostrålning. Den kosmiska bakgrundsstrålningen upptäcktes 1964 och sedan dess har anhängarna av det oförändrade tillståndets universum haft det svårt med bortförklaringarna.

Dagens uppfattning är att den kosmiska bakgrundsstrålningen uppstod 380 000 år efter den stora smällen och konstanten nummer 7, att Universum har utvidgats med en faktor på 1089 gånger sedan dess.

Relativitetsteorin behandlar Universum som en jämn soppa, utan strukturer. Och sett i stort är Universum ganska likformat. De ojämnheter som finns är jämnt fördelade.

Problemet är att olika delar av Universum inte mycket tidigt kan ha varit i växelverkan med varann, trots de är så lika. År 1980 kom en grundteori till för att förklara Universum jämsides med relativitetsteorierna, Alan Guths inflationsteori. I ett mycket mycket tidigt skede - mycket små bråkdelar av en sekund från noll - utvidgades Universum mycket snabbt med mer än 40 storleksordningar , alltså med ett mått som skrivs med en etta och förti nollor , då slätades allting ut.

De senaste årtiondenas kartläggning av galaxhoparna visar emellertid att rymden verkar fylld av bubblor i storleksordning 100 miljoner ljusår eller så, galaxhoparna är samlade i väggar med stora nästan tomma utrymmen mellan väggarna. De här ojämnheterna i Universum som iakttas idag måste ha vuxit till sig från kvantfluktuationer kort efter inflations-skedet.

De ojämnheterna borde kunna mätas upp i den kosmiska bakgrundsstrålningen. De hittades också, med satellitmätningar i början av nittiotalet. Intensitetsskillnadena var som beräknat en på hundratusen, och vinkelstorleken av ojämnheterna, som mättes upp i förfjol och i fjol anses vara den rätta för att förklara den ojämnhet bland galaxhoparna som observeras idag - när man utgår från att alla materia och all energi i Universum är just den rätta mängden för att Universum ska vara helt platt.

Ojämnheter i bakgrundsstrålningen som pekar bakåt mot mycket ursprungliga ojämnheter och framåt mot dagens ojämnheter med Vintergats-hopar och långa sjok av Vintergats-hopar som sträcker sig hundratals miljoner ljusår genom rymden. Universums grund-geometri är platt och i enlighet med den gamle gode Euklides teorem, si nånting kunde dom för mer än tvåtusen år sedan också. Universums ålder passar ihop med andra mätningar, lite under 14 miljarder år. Det allra första ljuset, bara nån miljard år efter den stora smällen. Universums massbalans: 4 procent vanlig massa som stjärnor och jorden och du och jag består av. 25 procent av Universums massenergi som sånt som förorsakar gravitationsverkan men som inte annars kan iakttas. Och 73 procent massenergi som vi inte har annat än gissningar att komma med kring: är det kanske den mass-energi som också verkar förorsaka att Universum utvidgas med allt ökande takt, så som observationer av supernovor - exploderande stjärnor med standardljusstyrka i fjärran galaxer har gett vid handen unde de tre-fyra senaste åren.

Tidigare sa man att Universums mass-energidensitet skulle vara ett, alltså 1,000 000 jämfört med den densitet som behövs för att nätt och jämnt stoppa utvidgningen men inte vända den i sammandragning. Nu definieras massdensiteten utgående från geometrin- jämnt ett betyder platt som den Euklides geometri vi lärde oss i skolan, i stort är rymden inte krökt och det finns ingen risk för att en ljustråle kunde gå Universum runt och träffa oss i nacken.

Detta förutsatt att massdensiteten verkligen är precis = 1,000 000 000... och inte nånting av det andra vadsomhelst som inryms inom WMAP-s noggrannhetsram 1,02 ±2. Det är som bekant endast i Sibbo som "nästan" räknas. Se nedan om de tvivel på ett platt och obegränsat Universum som luddigheten redan hösten 2003 har hunnit ge uppslag till.

På det hela taget råder det nu en överraskande överensstämmelse mellan det nya man kan uttolka ur de mest olika slags observationer, som har genomförts oberoende av varann. Kosmologin, vetenskapen om hur vårt världsallt är uppbyggt och har utvecklats, har på mindre än tio år tagit steget in i en ny paradigm, en ny helhetsbild, med nya frågor.

Och vad betyder nu allt detta?

Nya punkter på kosmologins dagordning.

Dagens fysik har inga förklaringar till detta sakernas tillstånd. Och frågan om Universums uppkomst flyr undan inblickar in i den oändlighet som utgörs av att mindre och mindre bråkdelar av sekunder. Teoretiserande har nu trängt ned till decimaltal som skrivs med trettifem nollor efter decimalkommat, och där är det nu stopp för vår fysiks lagar, men det finns rum för hur många nollor som helst ännu om och när en ny fysik öppnar vägen.

Ny fysik förresten, inte så helt ny, bara kompletterande men det är nu inte heller så bara. Beställningen ligger inne på det som Albert Einstein själv gick bet på. Nog är det ju ironiskt att han som ställde upp relativitetsteorin, som är en fätteori med allt i stora drag, han fick Nobelpriset för en förklaring som hjälpte kvantumteorin på fötter, och kvantteorin delar upp allt i minsta tänkbara paket, där det inte är nån skillnad på massor och krafter. I enlighet med Einsteins bekanta E = M c ^2.

Einstein tyckte, som framgår av många historier, väldigt illa om kvantteorins oförutsägbarheter: "Gud är måhända subtil. men han är inte illvillig" är ett ofta citerat uttalande och ett annat är "Gud spelar inte tärning" fast till det fick ju Einstein till svar att vem är han att säja vilka spel Gud tycker om. Själv lyckades Einstein ju inte förena relativitetsteori och kvant-teori till en enda lärobyggnad fast han försökte, och efter Einstein har ingen annan lyckats med det heller fast många förslag finns och arbetet pågår.

Ett område är gravitationen: om en förening ska gälla så måste även gravitationen bära sig åt som alla andra grundkrafter det vill säja förmedlas av eneregikvanta som skulle kallas gravitoner och som skulle breda ut sig med ljusets hastighet. Ett forskarteam säjer sig ju ha lyckats mäta gravitationens utbredning och fått hastigheten till lika med ljusets och det är ju bra - om de mätningarna bygger på ett riktigt resonemang och därom står tvisten.

I det stora hela står vi där vi alltid har stått: i ett litet område av vetande omgivet av den stora omätligheten av saker som vetenskapen ännu inte känner till. Förnyad aktualitet får brittiske fysiker-filosofen J.B.S.Haldane's tes från åtta decennier tillbaka: "Universum är inte endast mer klurigt än vi tror, det är tillockmed mera klurigt än vi kan ana."

Så nu har vi ett nytt mått på okunskapen - bara 4 procent känd form för massa i Universum, resten obekant, Haldane'sk underfundighet. För unga studerande är dethär en trygghetsskapande utmaning: det råder inte brist på saker att reda ut.

Nygamla frågor.

I god vetenskap blir de nya obesvarade frågorna allt fler för varje gammal fråga som får ett svar. Här kommer några "varför det" som kosmologin har att brottas med:

För det första: Att världsalltet vi lever i förefaller bestå av minst dubbelt mera vanlig men icke ännu sedd massa än den som observeras som stjärnor och Vintergator. Mängderna påvisas ur teorierna om de lättaste grundämnenas uppkomst under den stora smällen. Vad då för slags massa? Kan det vara så enkelt att det mest handlar om gas mellan galaxerna? Vilken andel utgörs av svarta hål? Ljussvaga småstjärnor, irrande planeter ? Vi vet inte - ännu. Men forskarna har ideer om hurudana observationer som behövs.

För det andra: Att det som observationerna anger och modellerna av Universums storstrukturer bekräftar finns åttafalt mera massa som endast påverkar genom gravitation. Den styr att de synliga stjärnorna och den gas som kan upptäckas har samlat sig till galaxer och hopar av galaxer. Denna mörka massa, utanför fysiken än så länge, utgör 23 procent av Universums sammanlagda massa och energisumma mot bara fyra procent för den vanliga materien. Att den finns där anses bevisat, gravitationsverkan har upptäckts och mätts, men vad är det? Igen: vi vet inte – ännu.

En kandidat har varit rikligt förekommande men svårfångade partiklar som neutriner, som länge gällde för att vara masslösa men som efter många om och men har bevisats ha massa. Neutrinernas massa är ändå såpass liten att de inte bidrar till Universums densitet med särskilt mycket mer än de stjärnor vi kan se, så den mörka massan måste handla om nånting annat, som teoretikerna får dragga efter. Det som finnshittills är otillfredsställande tankekonstruktioner.

För det tredje: Att lejonparten - 73 hundradelar - av allt som finns i Universum inte alls är graviterande massa utan någonting annat - mörk energi, som förorsakar att Universums utvidgning går snabbare. Beräkningarna av den mörka energins andel bygger på observationer. Einsteins relativitetsteori visar att en sådan energi är möjlig, men sedan är det stopp - relativitetsteorin har ingenting gemensamt med kvant-teorierna om materiens uppbyggnad, så den kan inte förutsäja den mörka energins natur, bara dess verkningar. Teoretikerna har hittills inte lyckats med att skapa den stora enhetsteorin. Frågan är om en sådan teori om allting alls kan skapas.

Den nästyttersta frågan: är Universum gränslöst, oändligt eller ändligt i rummet, den har hösten 2003 aktualiserats av att ett franskt-amerikanskt kosmologteam, Jean-Pierre Luminet med tre andra franska kollegor och en amerikan med, tycker sig se spår av att storleken på de densitetsvågor som har bevarats i temperaturfluktuationerna i bakgrundsstrålningen visar ett spektrum som inte är förenligt med ett obegränsat Universum. Det heter att en kurva över fördelningen av storlek och mängd på fluktuationerna borde plana ut när vinkelstorleken går mot sådär 60 grader, men i stället för att plana ut tycker man sig se att kurvan brant sjunker till noll: alltså, större fluktuationer än såhär skulle inte finnas. Om så är, då är Universum begränsat. Denna fråga kan avgöras genom flera kritiska experiment.

Först och främst måste registreringarna i WMAP-resultaten visa sig vara verkliga och inte en artefakt av något slag.

För det andra bör samma brist på storfluktuationer kunna påvisas i framtida noggrannare mätningar, som tex med den kommande satelliten Planck.

För det tredje bör även Universums massdensitet visa sig vara 1,015 , och absolut inte under 1,01. WMAP-resultatet är ju 1,02 ±0,02 med både ett absolut platt Universum och ett till storleken begränsat Universum inom mätbarhetens gräns. Se mer i    I ett fotbolls-universum

Även om det skulle visa sig att Luminet-gruppen har dragit förhastade slutsatser, så står det klart att vår uppfattning om de viktigaste frågorna om Universum alltjämnt bygger på ganska lösa antaganden, och att det är skäl att använda alla nya data för att granska även etablerade sanningar.

En del av kosmologerna anser emellertid att tillockmed den yttersta frågan: hur och varför började Universum, kommer inom ramen för de saker som kan utredas vetenskapligt. Hittills har tillexempel relativitetsteorin endast kunna konstatera att ursprunget, den stora smällen, den bara hände för som vetenskapen nu tror sig veta 13,7 miljarder år sedan, det var då som tid och rum uppstod och en fråga om vad som fanns före det saknar mening. Eller kanske ändå inte.

Religionerna har ju svaret klart: det var Gud som skapade alltihop, eller som kyrkofadern Augustinus på sin tid formulerade det, skapade världen och tiden och det fanns intet "före det" -
   och jo tack, vänliga lyssnare har sänt mig mängder av broschyrer, där skribenterna, som alla lustigt nog verkar i USA, med stor iver förklarar hur vetenskapen på det här viset bevisar att det är den kristne Guden, den versionen av Honom som är vit och talar engelska förståss! som har fixat alltsammans. Jag kan emellertid tänka mig att det finns lika fina argument för att tillexempel Koranen har svaret.
   Här är det än så länge tro - inte vetande - som gäller. Som framlidne Georg Henrik von Wright sa till mig en gång: religion och vetenskap, tro och vetande, det är två olika domäner, och de ska inte blandas samman. Naturvetenskapen kan inte och ska inte bevisa att någon enskild religion kan ha rätt.


Läs om WMAP i    S&T: Mapping the Big Bang
Läs om galaxer i    De största i Universum
om Universums utvidgning i    Ökande expansion
om Universums utveckling i   När ljuset var ungt.
om den mörka massan och den mörka energin i  Det osynliga i Universum.
om Universum är gränslöst eller ändligt i    I ett fotbolls-universum
och om tidigare uppfattningar i   På tal om ingenting.

Skicka kommentarer till  juhani.westman@welho.com eller juhani.westman@pp.inet.fi
Tillbaka till första astro-sidan.
Tillbaka till paradsidan.