Det här vet vi
Vi vet med enastående precision att universum har expanderat under de senaste 13,8 miljarder åren. Genom att observera hur galaxer rör sig bort från oss kan vi ”backa bandet” rent matematiskt. När vi gör det ser vi att allt vi ser idag – stjärnor, galaxer och till och med själva rymden – en gång var hoptryckt i en otroligt liten, het och tät punkt.
Detta är grunden i Big Bang-teorin. Det var inte en explosion i ett tomt rum, utan en expansion av själva rymden. Vi har direkta bevis för detta i form av den kosmiska bakgrundsstrålningen. Det är ett svagt mikrovågsljus som fyller hela himlen och som fungerar som ett fossilt avtryck från universums tidigaste barndom, när det fortfarande var en glödande dimma av partiklar. Denna strålning har en temperatur på cirka 2,7 grader över den absoluta nollpunkten och är förbluffande jämn över hela himlavalvet.
En annan viktig pusselbit är Big Bang-nukleosyntesen. Under de första tre minuterna var universum så hett att det fungerade som en gigantisk . Det skapade de lättaste grundämnena: väte, helium och en gnutta litium. De proportioner av dessa ämnen som vi ser i de äldsta stjärnorna idag stämmer precis med vad teorin förutspår. Det ger oss en enorm trygghet i att vi faktiskt förstår vad som hände bara minuter efter starten.
Vi vet också att universum genomgick en extremt snabb tillväxtfas i sin absoluta början, något som kallas för . Under en bråkdel av en sekund växte universum från något mindre än en atom till något i storlek med en fotboll eller större. Denna fas slätade ut rymden och förklarar varför universum ser likadant ut i alla riktningar idag, trots att olika delar inte borde ha hunnit komma i kontakt med varandra.
Ballongen och fläcken
Tänk dig att du har en ballong som är extremt skrynklig och full av små veck. Om du börjar blåsa upp den väldigt, väldigt fort, kommer alla skrynklor och ojämnheter att sträckas ut tills ytan ser helt slät ut. Universum fungerade på samma sätt under . Eventuella spår av hur det såg ut precis i början, eller vad som fanns innan, raderades nästan helt när rymden sträcktes ut så våldsamt. Det vi ser idag är bara den ”utslätade” versionen.
Detta skapar ett problem för oss astronomer. Om raderade all information om det som hände tidigare, hur ska vi då någonsin kunna veta vad som satte igång den? Det är som att titta på en nymålad vägg och försöka lista ut vilken färg den hade förut. Men forskare är uppfinningsrika och letar efter små, subtila ledtrådar som kan ha överlevt den våldsamma expansionen.
1927
Ur-atomen föds
Den belgiske prästen och astronomen Georges Lemaître föreslår att universum expanderar från en enda punkt.
1929
Expansionen bekräftas
Edwin Hubble visar att galaxer rör sig bort från oss snabbare ju längre bort de är.
1948
Het början
George Gamow förutspår att det borde finnas en kvarlevande strålning från ett mycket hett tidigt universum.
1964
Ekot hittas
Arno Penzias och Robert Wilson hör ett konstant brus i sin radioteleskop – den kosmiska bakgrundsstrålningen.
1980
Inflationen presenteras
Alan Guth föreslår den blixtsnabba expansionen för att lösa problem med universums jämnhet.
2013
Planck-kartan
ESA:s Planck-satellit ger oss den hittills mest detaljerade bilden av det tidiga universums temperatur.
Det här vet vi inte
Det stora mysteriet är vad som hände under den allra första bråkdelen av en sekund, den så kallade Planck-tiden. Vid denna tidpunkt var universum så extremt tätt att våra nuvarande teorier om gravitation krockar med våra teorier om atomer. Vi saknar en ”teori om allt” – en kvantgravitationsteori – som kan beskriva vad som händer när tyngdkraften blir lika stark som krafterna inuti en atomkärna.
När vi använder Einsteins ekvationer för att räkna bakåt hamnar vi till slut i en – en punkt där tätheten är oändlig, rymden inte har någon storlek och tiden stannar. Men i fysiken betyder ”oändlighet” nästan alltid att teorin har gått sönder. De flesta fysiker tror inte att en singularitet faktiskt existerade i verkligheten. Snarare är det ett tecken på att vi behöver en ny sorts fysik för att förstå början.
Vi vet inte heller vad som utlöste . Vi kallar den mystiska kraften för ”inflatonfältet”, men vi vet inte vad det är eller varför det bara existerade under en så kort tid. Om inflationen aldrig hade slutat skulle universum vara en tom och kall plats. Om den aldrig hade börjat skulle universum vara kaotiskt och ojämnt. Varför var balansen så perfekt?
10^-43
sekunder är den så kallade Planck-tiden. Före denna tidpunkt vet vi helt enkelt inte hur naturlagarna fungerade, eller om tid och rum ens existerade på det sätt vi känner till.
En annan stor fråga är om Big Bang var den absoluta början på allt, eller bara en övergång från något annat. Om universum skapades ur ”ingenting”, hur definierar vi då ingenting? Inom kvantfysiken är ett tomrum aldrig helt tomt, utan sjuder av energi och virtuella partiklar som poppar in och ut ur existens. Kan hela vårt universum vara en sådan kvantfluktuation som råkade bli permanent? Detta skulle innebära att universum uppstod spontant, utan behov av en yttre orsak.
10^32 grader
Temperatur
var det i universum under den allra första bråkdelen av en sekund – miljarder gånger varmare än solens mitt.
10^26 gånger
Expansion
förstorades universum under , på mindre tid än det tar för ett ljusfält att korsa en atom.
En apelsin
Storlek
var hela det observerbara universum efter , innan det fortsatte växa i lugnare takt.
13,8 miljarder år
Ålder
är vad vi mäter, men vi vet inte om tiden började då eller om klockan tickat i evighet.
10^-35 sekunder
Starten
är när tros ha börjat, långt innan de första atomerna formades.
0,000000001
Obalans
var överskottet av materia över som gjorde att vi alls kan existera idag.
Många filosofer och fysiker brottas också med frågan om kausalitet – orsak och verkan. Om varje händelse måste ha en orsak, vad orsakade då Big Bang? Om Big Bang däremot var tidens början, så fanns det inget ”innan” där en orsak kunde bo. Detta utmanar hela vårt sätt att tänka på logik och rationalitet. Kan en händelse sakna en orsak?
Myt
Big Bang var en explosion i ett tomt, svart rum.
Sanningen
Det fanns inget rum utanför. Big Bang skapade själva rymden och fick den att expandera inifrån, som jäsande deg.
Myt
Vi kan se exakt när universum började med teleskop.
Sanningen
Vi kan bara se tillbaka till 380 000 år efter Big Bang; före det var universum en ogenomskinlig ”dimma” av laddade partiklar.
Myt
Forskare är säkra på att universum hade en början.
Sanningen
Det finns flera seriösa matematiska modeller där universum är cykliskt och aldrig har haft en absolut början.
Matematiken bakom början
För att beskriva hur universum expanderar använder forskare Friedmanns ekvationer, härledda från Einsteins allmänna relativitetsteori. De beskriver hur rymdens geometri förändras beroende på dess energiinnehåll. En nyckelfaktor är skalafaktorn, , som beskriver hur avstånd i universum förändras med tiden.
Skalafaktorn och tiden
Vad betyder symbolerna?
- Universums storlek (skalafaktor) vid en viss tid
- Tiden som gått sedan den teoretiska tidpunkten noll
- Symbol som betyder ”proportionell mot”
Räkneexempel
Om vi vill veta hur mycket universum växte mellan tiden och (i valfria enheter):
Universum blev fyra gånger större under denna period.
Problemet är att när vi närmar oss noll blir energitätheten oändlig. Det är här kvantmekaniken måste komma in i bilden. Enligt Heisenbergs osäkerhetsprincip kan ingenting vara exakt noll eller ha en helt bestämd position. Detta antyder att universum kanske aldrig var en punkt, utan snarare en liten, bubblande ”skumliknande” struktur av rymdtid som vi kallar kvantskum.
I detta kvantskum är tid och rum inte släta, utan kaotiska och sammanflätade. Vissa teorier föreslår till och med att tid som vi känner den inte ens fanns i det skedet, utan att den ”dök upp” (emergerade) som en effekt av hur rymden utvecklades. Det skulle innebära att frågan om vad som fanns ”före” är som att fråga vad som finns ”inuti” en atom – begreppen vi använder i vardagen fungerar helt enkelt inte där.
Teorierna
Big Bounce (Den stora studsen)
Möjlig idéAbhay Ashtekar, Martin Bojowald (Loop-kvantgravitation)
Universum genomgår en evig serie av expansioner och sammandragningar. Vår Big Bang var bara den senaste studsen från ett tidigare universum som kollapsade under sin egen tyngd.
För
- +Slipper det matematiska problemet med en oändlig .
- +Ger en logisk förklaring till vad som fanns ”före” – ett annat universum som liknade vårt.
Emot
- −Vi har ännu inte hittat några definitiva spår av ett tidigare universum i bakgrundsstrålningen.
- −Termodynamikens lagar säger att oordningen () borde öka för varje studs, vilket gör oändliga cykler svåra att förklara utan att bryta mot fysiken.
Evig inflation och multiversum
Möjlig idéAndrei Linde, Alan Guth
slutade bara i vår lilla del av rymden. I andra delar fortsätter rymden att expandera i rasande fart och knoppar hela tiden av nya ”bubbeluniversum” i en oändlig process.
För
- +Bygger på en teori () som redan har starkt stöd från observationer.
- +Förklarar varför vårt universum verkar ha så perfekt finstämda naturlagar för liv – vi bor bara i en av de få bubblor där det är möjligt.
Emot
- −Det är extremt svårt, kanske principiellt omöjligt, att någonsin observera eller bevisa existensen av andra bubblor.
- −Teorin förutsäger så många olika möjligheter att den riskerar att bli omöjlig att motbevisa (falsifiera).
Konform cyklisk kosmologi (CCC)
SpekulationRoger Penrose (Nobelpristagare)
När universum blir extremt gammalt och all materia har försvunnit in i svarta hål som sedan dunstar bort, tappar rymden sin förmåga att mäta tid och skala. Det tomma slutet blir då matematiskt identiskt med en ny början.
För
- +En estetiskt och matematiskt elegant lösning som inte kräver den komplicerade .
- +Penrose har presenterat analyser av CMB-data som han hävdar visar spår av kollisioner mellan svarta hål från föregående tidsålder.
Emot
- −De flesta astronomer är övertygade om att Penroses ”bevis” bara är statistiska slumpmönster.
- −Kräver att partiklar med massa, som elektroner, på något sätt förlorar sin massa i det avlägsna slutet.
Universum från ingenting
SpekulationLawrence Krauss, Alexander Vilenkin
Universum uppstod som en spontan kvanttunnelhändelse ur ett tillstånd av absolut ingenting, där naturlagarna själva skapade förutsättningarna för existens.
För
- +Följer kvantfysikens logik om att instabila tillstånd tenderar att förändras spontant.
- +Behöver ingen yttre skapare eller ett tidigare universum för att komma igång.
Emot
- −Den fysikaliska definitionen av ”ingenting” är mer som ett energirikt kvantvakuum än ett filosofiskt nollvärde.
- −Matematiken bakom kvanttunnling för ett helt universum är extremt spekulativ och obevisad.
Hur kan vi ta reda på det?
Eftersom ljus inte kunde färdas fritt förrän 380 000 år efter Big Bang, är vanliga teleskop som James Webb begränsade av en ”ljusvägg”. De kan se de allra första stjärnorna och galaxerna, men inte själva början. För att se längre tillbaka än så måste vi hitta andra budbärare som kan färdas genom det täta, tidiga universum.
Ett av de mest lovande sätten är att leta efter från den allra tidigaste barndomen. Dessa vågor är krusningar i själva rymdtiden och skapades troligen under den våldsamma . Gravitationsvågor påverkas inte av materia på samma sätt som ljus, så de kan färdas obehindrat från tidens absoluta början ända fram till oss.
Ett annat spår är att studera ”kosmiska neutriner”. Neutriner är spökpartiklar som knappt väger någonting och som frigjordes bara en sekund efter Big Bang. Det finns miljarder av dem i varje kvadratmeter runt dig just nu, men de är så svåra att fånga att vi ännu inte har lyckats mäta denna kosmiska .
LISA (Laser Interferometer Space Antenna)
Ett framtida rymdbaserat instrument bestående av tre satelliter som ska mäta med en precision som aldrig tidigare varit möjlig.
LiteBIRD
Ett planerat rymdteleskop från den japanska rymdstyrelsen JAXA som ska leta efter speciella polarisationsmönster (B-moder) i den kosmiska bakgrundsstrålningen.
21-centimeterslinjen
Genom att studera radiovågor från väteatomer i det tidiga universum kan vi kartlägga den så kallade ”kosmiska gryningen” när de första stjärnorna tändes.
Superdatorer och simuleringar
Forskare skapar miljontals digitala universum med olika startregler för att se vilket av dem som bäst liknar det verkliga universum vi ser i våra teleskop.
Kanske kommer vi aldrig att få ett definitivt svar på vad som fanns innan allt började. Men varje nytt experiment flyttar oss en bråkdel av en sekund närmare klockan noll. Vi lever i en unik tidsålder där vi för första gången i mänsklighetens historia har de tekniska verktygen för att faktiskt testa våra mest vilda teorier om existensens ursprung.
Vad tycker du?
Vad tycker du?
Vilket scenario känns mest svindlande: att universum faktiskt hade en absolut början ur ingenting, eller att vi bara är en länk i en oändlig kedja av universum som studsar för evigt?
Det finns inget rätt eller fel svar.
Vissa människor tycker att tanken på en absolut början är vacker eftersom den gör vårt universum och vår tid unika och värdefulla. Andra finner en djup tröst i tanken på ett evigt, cykliskt universum där ingenting egentligen går förlorat, utan allt bara återföds i en ny form.
Det finns också de som menar att själva frågan är felställd – att vi försöker använda mänskliga begrepp som ”början” och ”slut” på något som ligger bortom vår fattningsförmåga. Kanske är universum inte bara konstigare än vi föreställer oss, utan konstigare än vi kan föreställa oss.
Oavsett vad svaret är, så visar själva sökandet på hur fantastisk den mänskliga nyfikenheten är. Vi är små varelser på en liten planet vid en ordinär stjärna, men vi kan ändå använda matematik och logik för att blicka tillbaka till tidens början. Är det inte märkligt att universum, med alla sina mysterier, ändå verkar vara begripligt för oss?
.jpeg?width=1400)
