Tækni & vísindi | mbl | 15.3.2015 | 20:31

Alheimur án upphafs og enda

Alheimurinn er stútfullur af undrum eins og þessari stjörnuþoku í Kjalarþokunni. Sýnilegt efni í alheiminum er hins vegar aðeins talið fela í sér um 4% af heildarorku hans. Afgangurinn sé í formi hulduorku og efnis sem ekki hefur tekist að greina með beinum hætti. NASA og ESA

Allar athuganir benda til þess að alheimurinn okkar eins og við þekkjum hann hafi orðið til við Miklahvell. Ekki er vitað hvort nokkuð var til á undan honum eða hvort tíminn sjálfur hafi orðið til við Miklahvell. Ný kenning gerir ráð fyrir að alheimurinn hafi hvorki átt sér upphaf né muni hann eiga sér endi.

Það er ekki heiglum hent að reyna að átta sig eðli þessa víðáttumikla alheims sem við erum svo agnarsmár hluti af. Það sem menn telja sig vita með vissu er að alheimurinn er að þenjast út og að hægt sé að rekja upphaf hans endanlega langt aftur í tíma, um 13,8 milljarða ára. Þann tímapunkt hafa menn nefnt Miklahvell en þá þandist efnið og rúmið sjálft út í það sem við sjáum í dag.

Afstæðiskenning Alberts Einstein leiðir þessa heimsmynd af sér en hvorki hún né aðrar kenningar hafa getað skýrt hvað, ef eitthvað, var fyrir Miklahvell, og hvað orsakaði hann. Það er hins vegar vitað að alheimurinn var eitt sinn óhemju þéttur og heitur, nokkurs konar súpa öreinda sem ekki gat enn myndað frumefni sökum hitans.

Bróðurparturinn falinn í tómarúminu

Hugmyndin um Miklahvell kemur heim og saman við allar athuganir sem menn hafa gert á alheiminum. Hárnákvæmar mælingar á örbylgjukliðnum svonefnda, bakgrunnsgeislun frá því tiltölulega snemma í sögu alheimsins, benda til þess að alheimurinn eins og við þekkjum hann hafi orðið til með þeim hætti. Líkön sem menn hafa gert um í hvaða hlutföllum öreindasúpan fyrir Miklahvell hefði átt að mynda frumefni þegar hún kólnaði koma einnig heim og saman við hlutföll frumefna sem menn hafa greint í alheiminum.

Það sem helst stendur þá út af borðinu er að hægt sé að lýsa ástandinu sem Miklihvellur spratt fram úr og að útskýra hvers vegna alheimurinn heldur áfram að þenjast út með síauknum hraða þrátt fyrir aðdráttaráhrif þyngdarkraftsins sem stafar frá öllu efni í honum. Kenningar um svonefnda hulduorku hafa verið settar fram sem skýra hið síðarnefnda. Samkvæmt þeim fela stjörnur og annað sýnilegt efni aðeins um 4% af heildarorku alheimsins í sér og önnur 20% eru fólgin í svonefndu hulduefni.

Bróðurpartur orku alheimsins er síðan hulduorka, sem býr í sjálfu tóminu milli efnisins. Hana ekki er hægt að mæla með beinum hætti en áhrif hennar koma fram eins og fráhrindikraftur sem verkar á milli fjarlægra vetrarbrauta og knýr áfram útþenslu alheimsins.

Telja sig útrýma þörf fyrir hulduefni og orku

Ahmed Farag Ali við Benha-háskóla í Egyptalandi og Saurya Das við Lethbridge-háskóla í Kanada, hafa birt grein þar sem þeir halda því fram að nýtt fræðilegt líkan þeirra geti skýrt upphaf og þróun alheimsins betur en heimslíkön almennu afstæðiskenningarinnar. Alheimurinn hafi hvorki átt sé upphaf né muni hann eiga sér endi.

Líkan þeirra notar hugmyndir úr skammtafræði til að leiða rök að ákveðnum leiðréttingum við jöfnur almennu afstæðiskenningar Einsteins. Líkanið spáir fyrir um að alheimurinn hafi alltaf verið til og að Miklihvellur hafi því ekki verið upphaf tímans eins og afstæðiskenningin segir fyrir um. Líkanið gæti einnig mögulega skýrt aukinn útþensluhraða alheimsins án þess að þurfa að gera ráð fyrir tilvist hulduorku.

Kenning þeirra byggir á eldri grunni en þeir nýttu lögmál skammtafræðinnar innan ramma afstæðiskenningarinnar til að skýra eðli alheimsins. Þeir segja líkan sitt útrýma þörfinni fyrir hulduorku til að útskýra eiginleika alheimsins.

Alheimurinn sé fullur af svonefndum „skammtavökva“, sem gæti verið úr þyngdareindum sem bera þyngdarverkun á milli hluta líkt og ljóseindir bera rafsegulverkun. Skammtafræðilegir eiginleikar þessa „vökva“ valdi þyngdaráhrifum sem falli vel að athugunum manna á útþenslu alheimsins, sem hefðbundnari líkön útskýra með tilvist hulduorku og hulduefnis í áðurnefndum hlutföllum.

Umdeild aðferðafræði

„Það gerist með reglulegu millibili að menn leysa lífsgátuna, sérstaklega varðandi þessa hluti. Þetta virkar aðeins of gott til að vera satt að þessi hugmynd nái að leysa þarna tvö stór vandamál í fræðunum,“ segir Lárus Thorlacius, prófessor í kennilegri eðlisfræði við Háskóla Íslands, sem bendir ennfremur á að aðferðafræðin sem þeir Ali og Das noti sé ekki óumdeild.

Þeir geri ráð fyrir því að þyngdareindir beri massa, reyndar aðeins örsmáan, en það sé nóg til þess að setja fyrirvara við líkanið því þyngdareindir með massa hafi yfirleitt í för með sér fræðilega vankanta sem erfitt hafi reynst að komast framhjá.

Almenna afstæðiskenningin sé besta skýring sem menn hafi á þyngdaraflinu sem er einn af fjórum frumkröftum eðlisfræðinnar. Hún segir rétt fyrir um niðurstöður nákvæmustu mælinga á göngu himintungla og á brautum ljósgeisla í rúminu milli stjarna og vetrarbrauta. Aldrei hafi hins vegar verið hægt að prófa kenninguna við ástand sem er óendanlega þétt og heitt eins og það sem var þegar efni og rúm spruttu fram í Miklihvelli. Kenning fyrir slíkt ástand sé óþekkt og það veiti mönnum eins og Ali og Das frítt spil fyrir fræðilegar vangaveltur um ástand alheimsins fyrir Miklahvell.

„Þær athuganir sem við höfum eru allar í samræmi við afstæðiskenninguna og samkvæmt henni á alheimurinn sér upphaf í Miklahvelli. Ekki aðeins efnið heldur sjálft rúmið og tíminn líka. Það er hins vegar alveg ljóst að lýsing hennar á upphafinu er tarkmörkunum háð. Þéttleiki efnisins og hitastig vaxa upp úr öllu valdi þegar sagan er rekin nógu langt aftur. Við slíkar aðstæður verður að taka með í reikningana ýmsar leiðréttingar við jöfnur afstæðiskenningarinnar sem mikil óvissa ríkir um því þær eru hverfandi litlar við allar þær aðstæður sem hægt er að kanna með beinum athugunum. Þá getur verið að þegar við erum komin með betri fræðilega lýsingu á slíku ástandi að það komi í ljós að það sé enginn upphafstími. Það getur verið að alheimurinn hafi átt sér óendanlega langa sögu," segir hann.

Einhvers konar frumheimur gæti alltaf hafa verið til

Lárus segir það líka spurningum um skilgreiningu á Miklahvelli, hvort hann teljist upphaf alheims okkar eða ekki.

„Hvort sem þetta var upphaf alheimsins eða hvort hann einfaldlega fór í gegnum skeið þar sem þéttleikinn var svona mikill, þá varð alheimurinn eins og við þekkjum hann í dag til í þessum hamförum. Það eru síðan meira heimspekilega vangaveltur hvort að tíminn hafi verið til óendanlega lengi þar á undan,“ segir Lárus.

Ekki sé nýtt að menn eigi erfitt með að fella sig við þá hugmynd að tíminn geti hafa átt sér upphaf en líkan Ali og Das felur í sér að hann hafi ekki þurft að eiga sér upphafspunkt. Lárus segir að það hafi reglulega gerst að menn komi fram með slíkar kenningar, meðal annars þegar kenningin um Miklahvell var fyrst sett fram og þótti fjarstæðukennd. Vegna þeirra athugana sem liggja fyrir þurfi þeir hins vegar alltaf að taka tillit til þess við kenningasmíðar sínar að alheimurinn tók stórkostlegum breytingum fyrir 14 milljörðum ára, þegar allt það efni sem við sjáum móta fyrir í dag varð til úr ógnarþéttu og heitu ástandi öreinda og geislunar.

Lárus bendir á að samkvæmt afstæðiskenningunni eigi tíminn sjálfur sér upphaf í Miklahvelli. Hins vegar geri flestir eðlisfræðingar ráð fyrir því að afstæðiskenningin eigi ekki síðasta orðið um upphaf alheimsins heldur muni síðar koma fram aðrar kenningar sem skýri það betur.

„Við getum ekki rakið okkur í gegnum þennan Miklahvell. Það kemur að því að alheimurinn var svo þéttur og svo heitur að við höfum ekki tök á því að lýsa honum. Það sem gerðist þar á undan verða alltaf vangaveltur. Það gæti hafa verið upphaf eins og afstæðiskenningin segir, það gæti hafa verið sveifla þar sem hann var áður stór, minnkaði og óx svo aftur eða hugsanlega hefur einhvers konar frumheimur alltaf verið til í kraumandi skammtaástandi sem ummyndaðist yfir í þann alheim sem við sjáum í dag í ferli sem við köllum Miklahvell,“ segir Lárus.

Örbylgjukliðurinn með augum WMAP-gervitunglsins árið 2010. Kortið byggir á sjö ára vinnslu gagna WMAP. Þetta er nákvæmasta myndin sem við eigum af örbylgjukliðnum, að því er segir á Stjörnufræðivefnum. NASA