Temaside: Universet

Universet startet for 13,8 milliarder år siden, og teorien om hvordan det har utviklet seg fra da og frem til i dag kalles Big Bang-teorien.

Siden den gang har det blitt dannet milliarder av galakser. Hver av disse galaksene inneholder millioner til milliarder av stjerner. Rommet mellom stjernene og galaksene er for det meste tomt, men kan inneholde partikler, støv, stråling og magnetiske felt.

Universets oppførsel følger et sett med fysiske lover og fysiske konstanter. Ifølge standardmodellen i partikkelfysikken er all materie bygd opp av tre generasjoner av leptoner og kvarker. Disse vekselvirker via de fundamentale naturkreftene elektromagnetisme, svak kjernekraft, sterk kjernekraft og gravitasjon.

Gravitasjon er den dominerende kraften når vi ser på kosmologiske lengdeskalaer og er best beskrevet gjennom den generelle relativitetsteorien. Vi har dessuten identifisert flere bevaringslover, slik som bevaring av ladning, bevegelsesmengde og energi. Det finnes imidlertid ingen forklaring bak de bestemte verdiene som de fysiske konstantene ser ut til å ha i hele universet, slik som Plancks konstant h og gravitasjonskonstanten G.

Det observerbare universet

Universet er ufattelig stort. Vi vet ikke nøyaktig hvor stort det er, ettersom vi ikke kan se ytterkanten av det – hvis en ytterkant eksisterer. Vi kan teoretisk sett se ca. 46 milliarder lysår i alle retninger. Det er dette som kalles det observerbare univers.

Det ligger objekter lenger vekk enn 46 milliarder lysår også, men stråling fra disse objektene har ikke rukket å nå oss i løpet av tiden universet har eksistert. Det skyldes at objektene er langt unna oss og at universet utvider seg. I tillegg når ikke strålingen oss umiddelbart, men sendes mot oss med en gitt hastighet, nemlig lysets hastighet (ca. 300 000 km/s).

Med ny teknologi klarer vi å se stadig fjernere objekter innenfor det observerbare universet. Hubbleteleskopet har i sitt eXtreme Deep Field-bilde (ovenfor) funnet galakser som er 13,2 milliarder år gamle. Siden lyset fra fjerne objekter bruker lang tid på å nå oss, betyr dette at vi ser objektene slik de så ut for lenge tid siden. Slik kan vi lære om universets utvikling. Disse observasjonene viser oss at de fysiske lovene og fysiske konstantene ikke ser ut til å ha endret seg i løpet av tiden universet har eksistert.

Vi befinner oss i sentrum av vårt observerbare univers, men dette sier ikke noe om vår posisjon i rommet som helhet. Enhver observatør i universet vil befinne seg i sentrum av et observerbart univers og alle andre objekter i det utvidende universet vil se ut til å fjerne seg fra denne observatøren.  

Universets bestanddeler

Universet har en tetthet på rundt 9,9 x 10^-30 gram per kubikkmeter og består av mørk energi, kald mørk materie og vanlig materie. Vi vet lite om mørk energi og mørk materie, men observerer at den mørke energien øker utvidelsen av universet, mens den mørke materien bremser den ned.

Da universet var bare noen minutter gammelt var tettheten og temperaturen i universet for lav til at fusjon kunne foregå. Da bestod universet av 75 % hydrogen, 24 % ⁴He (målt i andel masse), samt mindre mengder deuterium, litium og beryllium. Resten av grunnstoffene er blitt dannet i stjerner. Universet består av mye mer materie enn antimaterie, og ser ut til å ha null netto ladning, som er grunnen til at gravitasjon er den dominerende kraften på store lengdeskalaer.

Universets struktur

Stjerner er hopet sammen i galakser og galaksene danner galaksehoper som igjen danner superhoper og galaksefilamenter. Galaksefilamenter er de største kjente strukturer i universet og består av galakser som er bundet til hverandre gjennom tyngdekrefter. Disse danner massive, trådlignende formasjoner som er adskilt av enorme tomrom. Disse formasjonene kalles ofte for "det kosmiske vev" (se bilde).

Universets skjebne

Det finnes ulike teorier om universets ultimate skjebne. Hva som skjer avhenger av tettheten og formen til universet. Observasjoner har vist oss at universet er tilnærmet flatt. At universet er flatt, innebærer at tettheten til universet er lik den såkalte kritiske tettheten, dvs. at tettheten har en slik verdi at utvidelsen av universet etter hvert vil stoppe opp.

Dersom vi inkluderer mørk energi i vår modell, vil ekspansjonsraten til universet først gå ned på grunn av effekten fra gravitasjon, for deretter å øke på grunn av den mørke energien. Det er stadig økende enighet blant forskere om at universet vil fortsette å utvide seg for alltid.

Hva som skjer etter hvert som universet utvider seg, bestemmes av tettheten i universet. De mest omtalte teoriene er:

1. Varmedøden: teorien sier at etter hvert som tiden går, vil temperaturvariasjonene i universet jevne seg ut. Universet går mot termisk likevekt og prosesser som krever energi vil ikke lenger være mulig, som f.eks. å opprettholde liv. En lignende teori er "Big Freeze", som sier at etter hvert som universet utvider seg, vil det bli kaldere og kaldere. Da vil stjernene med tiden gå tom for drivstoff og slutte å skinne. Universet blir til slutt helt mørkt og temperaturen synker mot det absolutte nullpunkt.
2. "Big Rip": teorien sier at når universet utvides stadig raskere, vil det etterhvert bli revet fra hverandre. Det skyldes at akselerasjonskreftene fra den mørke energien er for sterke til at gravitasjonen klarer å holde universet samlet. Et "Big Rip" er bare mulig dersom energitettheten til den mørke energien øker uten begrensning over tid. Men eksperimenter tilsier at energitettheten er konstant over tid, selv når universet ekspanderer. "Big Rip"-teorien er dermed bare mulig i mørk energi-modeller som de fleste regner som urealistiske.
3. "Big Crunch": teorien sier at utvidelsen av universet etterhvert vil bremse ned og reversere, slik at universet til slutt kollapser og ender sin eksistens som en singularitet i form av et sort hull. Alternativt kan kollapsen føre til nydannelse av universet gjennom et nytt Big Bang. Observasjoner leder oss til å tro at universet vil fortsette å ekspandere for alltid, hvilket gjør at sannsynligheten for "Big Crunch" er liten.

Flere universer?

Det finnes flere hypoteser som sier at vi lever i ett av mange universer, i et såkalt multivers. Et bildesøk på nettet gir mange forsøk på visualiseringer av dette. Men det er stor faglig uenighet rundt multiverset. Flere fremtredende forskere tror på en av de flere multivershypotesene. Dette skyldes at multiverset kan forklare ulike observasjoner vi foreløpig ikke har gode forklaringer på. Men foreløpig er det ikke gjort observasjoner som kan motbevise eller styrke hypotesene om multiverset.

En teori om alt?

Per i dag har vi to teorier som all moderne fysikk bygger på: generell relativitet og kvantemekanikk. Gjennom kvantemekanikken har vi fått standardmodellen som har forent den sterke og svake kjernekraften, samt den elektromagnetiske kraften. Denne modellen inkluderer ikke en beskrivelse av gravitasjonskreftene. Dermed er ikke standardmodellen koblet til den generelle relativitetsteorien. Gravitasjon har liten betydning på avstander på størrelsen med et atom eller mindre, men er dominerende på store avstander. Den er derfor viktig for en total beskrivelse av universet.

Teorien om alt (eng. Theory of Everything, ofte forkortet som ToE) er en hypotetisk fysisk teori man håper å finne som kan forene kvantemekanikken med den generelle relativitetsteorien. Sammen vil disse kunne forklare og koble sammen alle fysiske aspekter ved universet fullt ut. Foreløpig er det ingen som har funnet en teori som samtidig beskriver tid, rom og materie på de minste og de største skalene. Teorien bør i tillegg blant annet kunne forutsi de frie parametrene i dagens standardmodell, slik som massen til partiklene universet er bygd opp av.

Det er dog uenigheter om en teori om alt i det hele tatt kan eksistere og om den i så fall vil være mulig å finne. Flere mulige teorier er blitt foreslått og jakten på en god teori er et aktivt forskningsområde. De mest kjente teoriene er strengteori, M-teori og "loop quantum gravity". Men foreløpig er det ingen av disse som lykkes i å være en teori som omfatter både standardmodellen og generell relativitet.