Et univers med en begynnelse - Del 1

Som barn elsket jeg å se på TV etter skolen, og ett av mine favorittprogram var The Big Bang Theory. Åpningsmelodien husker jeg fortsatt den dag i dag: "the whole universe was in a hot dense state, then nearly 14 billion years ago expansion started...wait!" Som 10-åring nynnet jeg lykkelig med til melodien uten å tenke et eneste sekund på hva teksten egentlig snakket om. Men hva mente de egentlig med at universet var i en "hot dense state" for 14 milliarder år siden?

Frem til tidlig i det 19ende århundret besto den standard kosmologiske modellen av en felles forståelse om at universet vårt var statisk, uendelig, og uforanderlig. Det hadde med andre ord ikke en begynnelse, ei kom det heller til å ha en slutt. Likevel den dag i dag mener de aller fleste forskere (selvfølgelig med noen unntak, mer om dette senere) at det fantastiske og utrolige universet vårt hadde en definitiv begynnelse for nesten 14 milliarder år siden. Hvordan endte de opp med denne konklusjonen? Hva er det de har skjønt de siste hundre årene som forgjengerne deres ikke forsto?

Utrolig nok var det faktisk ikke forskere, men en deprimert amerikansk poet, som ga oss de første indikasjonene på at universet vårt kanskje ikke var uendelig og statisk likevel. Edgar Allan Poe (1809-1849) bygde videre på tankeeksperimentet til den tyske astronomen Wilhelm Olbers (1758-1840). Olbers hadde klødd seg i hodet over det faktum at nattehimmelen inneholdt mye tomrom. Stjernene så ut til å være relativt spredt ut, med store mørke avstander uten noe som helst i. Hvorfor var ikke nattehimmelen fullstendig dekt av lysene til de uendelige stjernene i det uendelige universet? Han stipulerte at i et uendelig univers med en relativt jevn distribusjon av stjerner, så ville man omsider ende opp med en nattehimmel der hvor uansett hvor man så på himmelen, så ville man finne lyset fra en stjerne. La meg prøve å forklare dette på en annen måte. Se for deg at du står midt i en skog, omringet av trær på ulike avstander. Hvis skogen fortsetter i det uendelige i alle retninger, og hvis trærne er fordelt relativt jevnt utover skogen, så vil du omsider finne et tre uansett hvor du ser og i uansett hvilken retning du ser. Dette gjelder også uansett hvor store trærne er eller hvor stor avstand det er mellom hvert enkelt tre.

Poe bygde videre på denne tanken og nådde omsider en relativt elegant konklusjon. I et uendelig univers, så ville lysene fra alle disse stjerne hatt rikelig med tid på å nå jorda vår. Lyset fra disse stjernene reiser mot jorda med lysets hastighet (nesten 300 millioner meter i sekundet), og uendeligheten var uten tvil nok tid til at selv lyset fra de fjerneste galaksene skulle ha ankommet oss. Men åpenbart var det ikke dette som hadde skjedd. Nattehimmelen inneholdt tross alt fortsatt masse tomrom. Poe konkluderte med at den eneste logiske forklaringen var at lys fra de fjerneste galaksene ikke hadde hatt nok tid til å nå oss enda, og at han som konsekvens at dette ikke kunne forsvare teorien om at universet var uendelig.

Så skjedde det noe utrolig spennende på starten av det 19ende århundret. Albert Einstein, den tysk-sveitsisk-amerikanske fysikeren, publiserte sin generelle relativitetsteori. Teorien bygde videre på hans tidligere utgitte spesielle relativitetsteori som stipulerte at tid og rom var avhengige av hverandre, at de på sett og vis var uadskillelige. Einstein hadde konkludert med dette gjennom en rekke fascinerende tankeeksperimenter. Jeg er definitivt ikke noe Einstein, men jeg skal prøve mitt beste å forklare disse tankeeksperimentene på en enkel å forståelig måte.

Se for deg at du befinner deg om bord i et tog som reiser vekk fra et stort klokketårn, for eksempel Big Ben i London. Toget akselererer vekk fra klokketårnet med økende hastighet, raskere og raskere, på vei mot lysets hastighet. Ut av vinduet bakerst i toget har du blikket festet på urskiven til Big Ben tårnet. Lyset fra urskiven, informasjonen om hva slags tid klokken viser, når dine øyne med lysets hastighet. Men fordi du er om bord på et tog som selv begynner å nå lysets hastighet, så vil du som passasjer oppleve at det virker som om urskiven på Big Ben går saktere og saktere, fordi det tar lengre og lengre tid før informasjonen fra klokketårnet når deg. Det ser rett og slett ut som om tiden går saktere. Hadde du derimot stått stille rett ved siden av klokketårnet, så hadde tiden sett ut til å tikke og gå helt normalt.

I et annet tankeeksperiment så Einstein for seg at han sto helt stille i det et romskip passerte rett foran øynene på han. Jo raskere romskipet bevegde seg, jo kortere kom skipet til å se ut i det det passerte han, fordi det var i synsfeltet over mye kortere tid. Med andre ord, et romskip som passerte han i lysets hastighet ville se mye kortere ut enn et lignende romskip som fløy saktere. Hvis han derimot selv fløy ved siden av romskipet i samme hastighet, så ville lengden til romskipet se helt normal ut. Einstein innså altså at vår opplevelse av tid avhenger av hvor fort vi beveger oss gjennom rom, og at vår opplevelse av rom avhenger av hvor fort vi beveger oss over tid. Dette forholdet mellom tid og rom kalte han for romtid, og det ble en integral del av den generelle relativitetsteorien hans.

Einstein bygde videre på Newtons teori om tyngdekraft og forsøkte å danne en mer detaljert forståelse av dette fenomenet. Gjennom matematiske formler innså Einstein at massene fra planetene i universet vårt skapte endringer og bøyninger i selve rommet. La meg prøve å forklare det på en annen måte. Se for deg at du legger en bowlingkule i midten av en trampoline. Bowlingkulen strekker og bøyer på trampolineduken og kulen ender opp med å lage en grop i midten av trampolinen. På samme måte mente Einstein at planetene lagde groper i den kosmiske "trampolineduken" vår. Massene fra de mindre planetene ble sugd ned i gropen forårsaket av de større planetene, på samme måte som at hvis du hadde lagt en haug med tennisballer på kanten av trampolineduken, så ville de rullet ned i gropen forårsaket av bowlingkulen.

Men her oppsto problemet. Hvis der virkelig stemte at de mindre planetene ble sugd ned i gropen til de større planetene, så kom hele universet omsider til å kollapse inn på seg selv. Dette gir mening hvis du tenker over det. En stor masse trekker til seg en haug med mindre masser, og blir dermed større og større over tid. Tiltrekningskraften blir sterkere og sterkere, og til slutt ender du opp med én gigantisk megamasse. Men universet hadde åpenbart ikke kollapset inn på deg selv, så Einstein resonerte seg frem til at det måtte finnes en annen kraft som motvirket tyngdekraften, som motvirket planetens evne til å suge til seg mindre planeter. Denne kraften kalte han for den kosmologiske konstanten. Men fordi Einstein, som de fleste andre vitenskapsmenn i hans tid, mente at universet var uendelig og statisk, så måtte han sørge for at styrken til denne kosmologiske konstanten nøyaktig matchet styrken til tyngdekraften. Hvis konstanten var sterkere enn tyngdekraften, så ville det innebære at universet utvidet seg, og det passet ikke inn med det han visste om universets statiske natur.

For å bevise at universet var statisk og uendelig, så ga Einstein den kosmologiske konstanten en relativt arbitrær verdi til slik at den matematiske formelen hans resulterte i ekvivalens mellom tiltrekningskraften og utvidelseskraften. Dessverre for Einstein brettet en rekke andre fysikere og matematikere opp ermene sine for å teste validiteten i Einsteins mattestykke, og de innså raskt at selv mikroskopiske endringer i den kosmologiske konstanten ville resultere i et univers som utvidet seg. Einstein innrømte omsider at triksingen med formelen sin for å bevare et statisk univers var den største feilen han hadde gjort i sitt liv, mye takket være en oppdagelse gjort av en annen forsker på et observatorium i California.

Edwin Hubble (hørt om Hubble teleskopet?) gjorde en fascinerende oppdagelse i 1929 ved bruk av et gigantisk teleskop på Mt. Wilson observatoriet i California. Han observerte lys fra fjerne galakser og innså at disse galaksene ga fra seg såkalt rødskiftet lys. Hva i all verden betyr det?

All form for lys faller ett eller annet sted på det elektromagnetiske spekteret. Dette avhenger av hvor lang eller kort bølgelengde lyset har. En svært primitiv måte å tenke på dette er at en kortere bølgelengde gir et blåere lys, mens en lengre bølgelengde gir et rødere lys. Det viser seg også at lys som kommer mot oss blir kortere og korte i bølgelengde, mens lys som drar vekk fra oss får en lengre og lengre bølgelengde. Hvordan vet vi dette? Du har sikkert hørt om Doppler effekten. Den østerrikske fysikeren og matematikeren Christian Doppler oppdaget i 1848 at retningen en gjenstand beveger seg i forhold til en observatør påvirker bølgelengden som gjenstanden gir fra seg. Dette er grunnen til at du for eksempel opplever at lyden fra en ambulanse blir lysere og lysere i det den nærmere seg deg, mens lyden blir mørkere jo lengre unna ambulansen kommer etter at den har passert deg.

Det viser seg at denne Doppler effekten også gjelder for lys. Og nettopp dette hadde en revolusjonerende effekt på vår forståelse av universet. Hvis fjerne galakser ga fra seg et rødskiftet lys, så betydde det altså at disse galaksene var på vei vekk fra planeten vår. Med andre ord, universet utvidet seg! Og ikke nok med det, det viste seg også at jo lengre unna galaksen var, jo mer rødskiftet var lyset, og at denne effekten var proporsjonal til galaksens avstand til jorden. Det betydde altså at hvis en galakse var dobbelt så langt unna jorda som en hvilken som helst annen galakse, så flyttet den seg vekk fra jorda med dobbelt så stor hastighet.

Jeg innser at dette høres komplisert ut, så la meg prøve å forenkle det litt. Se for deg at du har en ballong. Med en sprittusj tegner du en haug med galakser spredt utover ballongens flate. Når du blåser opp ballongen ser du tydelig at jo større avstand to galakser har til hverandre før du begynner å blåse mer luft inn i ballongen, jo raskere flytter de seg vekk fra hverandre i det ballongen blir større og større, i det ballongen utvider seg. Hubble innså at universet utvidet seg sfærisk (som en kulefasong), og resonerte seg videre frem til at hvis universet vårt utvidet seg på sfærisk vis fremover i tid, så måtte dette også nødvendigvis innebære at hvis vi spolte tilbake i tid, så ville vi se at universet trakk seg sammen på samme måte, ble mer og mer kompakt, og at vi til slutt kom til å ende opp på et punkt der hvor det ikke lengre var mulig for universet å bli mindre. Dette, mente Hubble, var begynnelsen på universet.

Einstein endte omsider opp med å innrømme at alle bevisene for et utvidende univers med en begynnelse var alt for overbevisende, mye takket være denne oppdagelsen til Hubble. Einstein besøkte selv Mt. Wilson observatoriet og fikk se dette rødskiftede lyset gjennom teleskopet til Hubble.

Likevel var det mange som ikke enda var overbevist. Mer bevis var nødvendig, mente de, før man kunne være helt sikker på at universet hadde hatt en begynnelse. Et viktig argument ble ofte dratt fram i offentlige diskusjoner: hvis universet hadde begynt med en kosmisk eksplosjon med enorm varme og energi, burde vi ikke kunne finne noen rester av denne eksplosjonen i universet vårt? Siden slike rester foreløpig ikke var å finne, kunne man ikke bekrefte at en slik eksplosjon hadde funnet sted.

Se for deg at det er nyttårsaften og at du nettopp har tatt nyttårskalkunen ut av oven. Med skjelvende hender setter du kalkunen på kjøkkenbenken, og du sørger for at døra på ovnen er godt lukket igjen. Fordi kalkunen, som nettopp kom ut av ovnen, er rykende fersk og varm, så vil varmestrålingen fra kalkunen påvirke temperaturen i rommet på kjøkkenet bittelitt, selv om du ikke merker det. På samme måte mente forskere at den enorme varmen som oppsto i eksplosjonen ved universets begynnelse burde ha lagt igjen noe form for stråling og varme som bevis. I 1948 kalkulerte Robert Herman og Alpher den nøyaktige temperaturen og bølgelengden som denne strålingen burde ha hatt, men klarte ikke selv å finne noe bevis for at den fantes.

I 1965 ble nettopp denne strålingen ved tilfeldighet oppdaget av et par fysikere på Bell Telephone laboratoriet i New Jersey. Arno Penzias og Robert Wilson oppdaget en irriterende ulyd på antenna si mens de holdt på med et annet forskningsprosjekt, men trodde lyden var forårsaket av duer som fløy foran antenna og forstyrret signalet. Til sin overraskelse innså de fort at ulyden kom fra alle retninger, og at den utviste lange bølgelengder i mikrobølgespekteret. Det viste seg at strålingen hadde nøyaktig den samme bølgelengden og temperaturen som Herman og Alpher hadde kalkulert seg frem til i 1948. Den kosmiske bakgrunnsstrålingen var dermed et faktum.

Dette varmekartet viser fordelingen av kosmisk bakgrunnsstråling i universet vårt.

Det skulle likevel gå mange år før det endelige svaret på spørsmålet om universets begynnelse ble gitt. Svaret kom utrolig nok i form av doktorgradsoppgaven til en ung britisk mann med en sjelden nervesykdom. Bak lukkede dører på Cambridge University i England skrev Stephen Hawking et vitenskapelig verk som skulle vise seg å få enorme konsekvenser.

Som doktorgradsstudent ble Stephen Hawking svært interessert i de vitenskapelige verkene til den britiske fysikeren Roger Penrose. Penrose spesialiserte seg på sorte hull, lokasjoner i verdensrommet der hvor masse er så enormt konsentrert at selv ikke lys klarer å bryte seg løs fra tyngdekraften forårsaket av massetettheten. I følge Einsteins generelle relativitetsprinsipp, så vil slike enorme konsentrasjoner av masse som man finner i sorte hull ha en enorm bøyningseffekt på den kosmiske "trampolineduken" vi snakket om tidligere, og dermed ende opp med å skape en lukket og ekstremt buet region i verdensrommet. Denne lukkede regionen, dette hullet, har så sterk tyngdekraft at ingenting som befinner seg inni dette hullet klarer å komme seg ut, selv ikke lys. Derav navnet "sorte" hull.

Hawking innså at disse prinsippene også gjaldt for vår forståelse av universets begynnelse. I et utvidende univers så ville massetettheten gradvis synke over tid, fordi massen ble fordelt på et større og større tilgjengelig volum. Som logisk konsekvens ville dette også innebære at på et hvilket som helst tidspunkt bakover i tid, så ville massetettheten i universet være større enn den var nå. Fra forskningen på sorte hull skjønte Hawking at en større massetetthet innebar en kraftigere bøyning av romtiden som omringet massen, og dermed en strammere vinkel på denne bøyningen eller buen. Men så innså han også at på et tidspunkt, så ville denne vinkelen bli så stram og massetettheten så stor at det ikke var mulig å fortsette. En uendelig stram vinkel ville bety null romlig volum, med andre ord null plass til å ha noe som helst masse. Dette kalte Hawking for singularitet, punktet der alle fysiske lover kollapser, og punktet der selve universet vårt begynte sin utvidelse.

La meg oppsummere dette for deg på en noe mer forståelig måte. Singularitetsteoremet til Stephen Hawking forteller oss at hvis vi går langt nok bak i tid, så kommer vi til slutt til et punk der alle avstander i universet har krympet til null. Når vi kommer til dette punktet er det ikke lengre mulig å bruke fysiske lover og regler, kalkulere matematiske formler, eller tenke på noe som har med masse å gjøre i det hele tatt, fordi massen har bokstavelig talt null plass. Masse og energi kan med andre ord ikke eksistere. Og fordi volumet for rom er null, så er heller ikke tid mulig, fordi vi har allerede sett av tid og rom er uadskillelige (ref. romtid fra Einsteins spesielle relativitetsteori). Så denne singulariteten, denne begynnelsen på universet, var også begynnelsen på all tid, rom, masse, og energi.

Hvis en begynnelse på tid ikke gir mening, kan det være lurt å tenke på det på litt mer praktiske måter. Se for deg følgende: du er 18 år og i førstegangstjeneste (jeg har aldri vært i militæret, så tilgi meg hvis terminologien min ikke er helt riktig). Troppen din skal utføre en rekke fysiske tester, derav 100 meter sprint på bane. Alle stiller seg opp på startstreken og plasserer føttene godt ned i startblokken. Startpistolen kommer opp, men like før skuddet fyres av ber sersjanten alle om å løfte opp startblokka si og flytte den 5 meter lengre bak. Motvillige, og litt sure, gjør alle som de får beskjed om. Startpistolen kommer opp igjen, men nok en gang får dere beskjed om å gjøre det samme; flytte startblokka 5 meter lengre bak. Slik fortsetter sersjanten i det uendelige, til alles store frustrasjon. Vil du noen sinne komme deg i mål? Åpenbart ikke, du får jo aldri sparket fra i startblokka di. Det samme gjelder for vår forståelse av tid. Den eneste måten vi kan ha en nåtid, er hvis tid hadde en begynnelse. Tid må på ett eller annet tidspunkt ha hatt muligheten til å sparke i fra og komme i gang. En kronologisk tidslinje er kun mulig hvis tid har en begynnelse.

Bevisene for et univers med en begynnelse er overveldende. Men på grunn av de åpenbare filosofiske og teologiske implikasjonene av et univers med en begynnelse, har mange forsøkt å komme opp med alternative teorier for hvordan universet vårt kan ha oppstått fra ingenting, ved tilfeldighet. I del 2 av denne artikkelen skal vi se på de teistiske implikasjonene av et univers med en begynnelse, og samtidig kritisk evaluere mange av de konkurrerende teoriene som forsøker å tilby materialistiske og naturlige forklaringer på spørsmålet om hva som begynte universet.