Hvordan man får noget fornuftigt ud af moderne kosmologi

Forvirret af alle disse teorier? Godt

James E. Peebles*

Det er en spændende tid for kosmologer: opdagelser strømmer ind, ideer vælder frem og forskning til afprøvning af ideerne bobler frem. Men det er også en forvirrende tid. Alle ideerne, der diskuteres, kan ikke være rigtige; de er endda ikke konsistente med hinanden. Hvordan skal man vurdere fremgangen? Sådan gør jeg:
    Til trods for al talen om væltede teorier har kosmologer fastsat grundlaget for vort felt. I løbet af de sidste 70 år har vi samlet rigelige vidnesbyrd om, at vort univers udvider sig og afkøles. For det første er lyset fra fjerne galakser forskudt mod rødt, som det burde være, hvis rummet udvider sig og galakserne trækkes væk fra hinanden. For det andet fyldes rummet af et hav af termisk stråling, som det burde, hvis rummet tidligere var tættere og varmere. For det tredje indeholder universet store mængder deuterium og helium, som det burde, hvis temperaturen engang var meget højere. For det fjerde ser galakser for milliarder af år siden distinkt yngre ud, som de burde, hvis de er nærmere den tid, hvor der ikke fandtes nogen galakser. Endelig forekommer rumtidens krumning at være relateret til universets stoflige indhold, som den burde, hvis universet udvider sig ifølge forudsigelserne i Einsteins gravitationsteori, den almene relativitetsteori.
    At universet udvider sig og afkøles er essensen af Big Bang teorien. Man vil bemærke, at jeg ikke har sagt noget om en "eksplosion" - Big Bang teorien beskriver, hvordan vort univers udvikler sig, ikke hvordan det begyndte.
    Jeg sammenligner processen med at etablere sådanne tvingende resultater, i kosmologi eller enhver anden videnskab, med samlingen af en struktur. Vi søger at forstærke hver stump vidnesbyrd ved at tilføje krydsstøtter til friske målinger. Vor struktur for universets udvidelse er støttet tæt nok til at være fast. Der stilles ikke længere alvorlige spørgsmål om Big Bang teorien; den passer for godt sammen. Selv det mest radikale alternativ - den seneste udgave af steady state teorien - stiller ikke spørgsmål ved, at universet udvider sig og afkøles. Man hører stadig forskellige meninger i kosmologi, det er sikkert, men de drejer sig om tilføjelser til den faste del.
    Vi ved f.eks. ikke, hvad universet foretog sig, før det udvidede sig. En førende teori, inflation, er en tiltrækkende tilføjelse til strukturen, men den savner krydsstøtter. Det er præcis det, som kosmologer nu søger [se Ekkoer fra Big Bang]. Hvis de igangværende målinger stemmer med inflationens unikke kendetegn, så vil vi medregne dem som et overbevisende argument for denne teori. Men indtil da vil jeg ikke vædde på om inflationen virkelig hændte. Jeg kritiserer ikke teorien; jeg mener helt enkelt, at dette er modigt pionerarbejde, som mangler at blive afprøvet.
    Mere solide er vidnesbyrd om, at det meste af universets masse består af mørkt stof, som er klumpet sammen omkring galaksers ydre dele. Vi har også en fornuftig sag om Einsteins berygtede kosmologiske konstant eller noget lignende; det ville være midlet til den acceleration, som universet nu synes at gennemgå. For et årti siden bød kosmologerne mørkt stof velkomment som en elegant måde at redegøre for bevægelserne af stjerner og gas inde i galakser. De fleste forskere følte imidlertid en virkelig lede ved den kosmologiske konstant. Nu accepterer flertallet den eller det beslægtede begreb, kvintessens [se Det kvintessentielle univers]. Partikelfysikere byder den udfordring velkommen, som den kosmologiske konstant udgør for kvanteteori. Forskydningen i opfattelse afspejler ikke en iboende svaghed; den viser snarere, at emnet er i en sund tilstand af kaos omkring en langsomt voksende fast struktur. Vi studerer naturen og vi justerer vore begreber med de fortsatte lektioner.
    I dette tilfælde inkluderer lektionerne tegn på, at den kosmiske udvidelse accelererer: lysstyrken af nære og fjerne supernovaer; de ældste stjerners alder; afbøjningen af lys omkring fjerne masser og fluktuationer i temperaturen af den termiske stråling hen over himlen [se "Special Report: Revolution in Cosmology," Scientific American, januar 1999]. Vidnesbyrdene gør indtryk, men jeg er stadig utilpas ved detaljer i sagen om den kosmologiske konstant, inkluderende mulige modsigelser med galaksernes evolution og deres rumlige fordeling. Teorien om et accelererende univers er igangværende arbejde. Jeg beundrer arkitekturen, men jeg kunne endnu ikke tænke mig at flytte ind.
    Hvordan kan man vurdere rapporter i medierne om kosmologiens fremgang? Jeg føler mig utilpas ved artikler, der er baseret på interview med blot en person. Forskning er en kompleks og rodet affære. Selv den mest erfarne forsker finder det vanskeligt at bevare alt i det rette perspektiv. Hvordan kan jeg vide, at dette individ har styret det godt? Et helt samfund af forskere kan også styre i den forkerte retning, men det sker ikke så ofte. Derfor føler jeg mig bedre tilpas, når jeg kan se, at journalisten har konsulteret et udsnit af samfundet og har fundet bekræftelse på, at et bestemt resultat er værd at overveje. Resultatet bliver mere interessant, når andre gentager det. Det begynder at være overbevisende, når uafhængige rækker vidnesbyrd peger på den samme konklusion. Ifølge min opfattelse beskriver de bedste medierapporter om videnskab ikke kun de seneste opdagelser og ideer men også den essentielle, omend sommetider kedelige, proces med afprøvning og installation af krydsstøtterne.
    I tidens løb vil inflation, kvintessens og andre begreber, som nu debatteres, enten være solidt integreret i den centrale struktur eller vil være forladt og erstattet af noget bedre. I en vis forstand arbejder vi os bort fra et job. Men universet er et kompliceret sted, mildt sagt, og det er dumt at tro, at vi vil løbe tør for produktive rækker af forskning med det første. Forvirring er tegn på, at vi gør noget rigtigt: det er det frugtbare røre på en byggeplads.

Yderligere information

The Evolution of the Universe P. James E. Peebles, David N. Schramm, Edwin L. Turner og Richard G. Kron i Scientific American, Vol. 271, No. 4, side 28-33; oktober 1994. Universets udvikling.

The Inflationary Universe: The Quest for a New Theory of Cosmic Origins Alan H. Guth. Perseus Press, 1997.

Before the Beginning: Our Universe and Others Martin Rees. Perseus Press, 1998.

The Accelerating Universe: Infinite Expansion, the Cosmological Constant and the Beauty of the Cosmos Mario Livio og Allan Sandage. John Wiley & Sons, 2000.

Concluding Remarks on New Cosmological Data and the Values of the Fundamental Parameters P. James E. Peebles in IAU Symposium 201: New Cosmological Data and the Values of the Fundamental Parameters, edited by A.N. Lasenby, A.W. Jones and A. Wilkinson; August 2000. Preprint available at xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/0011252 on the World Wide Web.

*P. JAMES E. PEEBLES er en af verdens mest anerkendte kosmologer, en nøglespiller i den tidlige analyse af den kosmiske mikrobølge-baggrundsstråling og universets overordnede sammensætning. Han har modtaget nogle af de højeste anerkendelser i astronomi, inkluderende 1982 Heineman Prize, 1993 Henry Norris Russell Lectureship of the American Astronomical Society og 1995 Bruce Medal of the Astronomical Society of the Pacific. Peebles er i øjeblikket emeritus professor ved Princeton University.

Fra Making Sense of Modern Cosmology, Scientific American, januar 2001, ss. 44-45.

24. juli, 2001.

Universets udvikling
Index