Upphaf Alheimsins Ritgerð þess er nánast eingöngu unninn upp úr heimildum og oft er um að ræða beina þýðingu úr enskum texta. Þannig ekki láta þér bregða þótt orðaval sé með undarlegum hætti. Hún er þó að flestu leyti mjög auðskilin.

Inngangur

Við vitum fyrir víst að alheimurinn er til en nokkrum spurningum er þó enn ósvarað. Meðal þeirra eru spurningar eins og hvernig byrjaði alheimurinn? Hver er aldur hans? Hvernig varð efnið til? Þessum spurningum verður ekki auðveldlega svarað en mannkynið hefur þó varið talsverðum tíma og orku í að fá svör við þessum spurningum, og uppi stöndum við með getgátur og kenningar.

Með nútíma vísindum hefur okkur hins vegar tekist að koma á framfæri áreiðanlegum kenningum sem geta svarað þeim spurningum sem eitt sinn töldust vera ágiskunarefni. Þetta hefur hins vegar leitt af sér enn áhrifameiri og flóknari spurninga. Svo virðist vera sem spurningar munu ætíð fylgja okkur í leit að meiri visku.

Til eru margvíslegar getgátur um það hvernig alheimurinn varð til og í þessari ritgerð mun ég fara í grófum dráttum í helstu grundvallaratriði kenningu Stóra Hvells en hún er sú kenning sem nýtur hvað mestrar aðhylli meðal vísindamanna. Mikilvægt er þó að hafa í huga að sífellt er verið að endurmeta og þróa núverandi vitneskju um alheiminn en það er jú gert til þess að bæta við þekkingu okkar um hann. Ef við lítum á þær staðreyndir og vitneskju sem nú liggja fyrir um Stóra Hvell er hægt að útskýra ýmsa þætti í sköpun alheimsins.

Stóri Hvellur

Hvernig varð alheimurinn til? Margir trúðu því eitt sinn að alheimurinn hefði enga byrjun né endi og væri því óendanlegur. Með innleiðingu kenningu Stóra Hvells var ekki lengur hægt að segja að alheimurinn væri óendanlegur.1 Milky Way vetrarbrautin inniheldur meira en hundrað milljarða sóla, fæstar sjást þó með berum augum. Okkar vetrarbraut er þó enginn risi meðal annarra vetrarbrauta. Það eru tugir milljarða af svipuðum vetrarbrautum dreifð út um alheiminn. Áður gátu menn einungis velt sér upp úr því hvernig alheimurinn var. Með tilkomu risastórra stjörnukíkja er nú hægt að segja til um sköpun alheimsins fyrir vissu.

Fyrir um 15-20 milljörðum ára síðan varð ógnarsprenging sem olli útþenslu alheimsins. Sprenging þessi er betur þekkt sem Stóri Hvellur. Þegar þetta átti sér stað var öll orka og allt efni á einum stað.1 Aðstæður áður en stóri hvellur átti sér stað eru getgátur og út fyrir svið hefðbundinna kenninga.2 Sprengingin sjálf var ekki hefðbundin sprenging heldur má frekar segja að allar eindir alheimsins hafi verið að ryðja sér rúms í geimnum og dreifast í burtu frá hvor annarri.1 Hinn ungi alheimur var mjög heitur, þéttur og sennilega mjög óreglulegur. Innan við mínútu eftir að Stóri Hvellur átti sér stað urðu kjarnahvörf og helíum myndaðist. Á meðan alheimurinn þandist út kólnaði hann, líkt og heitt loft kólnar þegar það dreifist og þenst út. Þegar efnið í alheiminum fór að kólna þéttist það og fór að mynda vetrarbrautir. Eftir að fyrstu stjörnurnar urðu til og dóu mynduðust þungu efnin á borð við kolefni, súrefni, sílikon og járn. Nýjar stjörnur mynduðust úr skýjum ryks og gass. Stóra Hvells kenningin leiðir okkur í gegnum þróun alheimsins, frá fyrstu míkrósekúndum og upp í myndun jarðarinnar, þróun lífs og komandi tíma óendanlega langt fram í tímann.

“Við finnum þær minni og daufari, fleiri og fleiri, og við vitum að við erum að leita dýpra inn í geiminn, dýpra og lengra, þangað til við komum að daufustu geimþoku sem öflugasti stjörnukíkir nær að sjá, vitum við að við höfum náð að mörkum hins þekkta alheims.” –EDWIN HUBBLE

Edwin Hubble á heiðurinn að uppruna kenningu Stóra Hvells. Hann gerði skoðun á alheiminum sem leiddi það í ljós að alheimurinn er að þenjast út. Hubble uppgötvaði að hraði vetrarbrauta er í réttu hlutfalli við fjarlægð þeirra. Vetrarbrautir sem eru tvöfalt lengra í burtu frá okkur færast einnig tvöfalt hraðar. Annað athugavert er að alheimurinn þenst út í allar áttir en athugun Hubble sýnir að það hefur tekið allar vetrarbrautirnar jafn langan tíma að komast á þann stað sem þær eru á núna. Stóra Hvells kenningin setur upp grunn fyrir alheiminn á meðan Hubble setti upp grunninn fyrir kenningu Stóra Hvells.

Baksviðsgeislun örbylgna í geimnun

Fleiri vísbendingar benda til þess að kenning Stóra Hvells sé rétt. Árið 1965 voru tveir geimvísindamenn að nafni Arno Penzias og Robert Wilsson að mæla örbylgjur utan úr geimnum. Óvart uppgötvuðu þeir þeir hljóð af ókunnugum uppruna. Útvarpshljóðið virtist ekki myndast á einum stað heldur kom það úr öllum áttum.2 Það var augljóst að hljóðið sem þeir mældu var geislun frá fjarlægustu stöðum alheimsins sem Stóri Hvellur hafði skilið eftir sig.1 Eðlisfræðingurinn Robert Dicke komst að því að baksviðsgeislunin aflaði mikilvæga vitneskju um uppruna Stóra Hvells.2 Kenning Stóra Hvells veitir okkur ásættanlega lausn við nokkrum af mest íþyngjandi spurningum allra tíma. Eftir því sem rannsóknum og skoðunum fjölgar eykst þekking okkar á kenningunni og hún verður heilsteyptari og áreiðanlegri.

Helíum og Deuteríum í alheiminum

Í byrjun var ekkert annað en plasma grautur. Talið er að fyrstu mínúturnar eftir Stóra Hvell hafi aðstæður fyrir sköpun léttari efna verið hagstæð. En það stafaði vegna mikils hita og þéttleika. Samruni vetnis yfir í helíum er sú orka sem stjörnur geisla frá sér mestan hluta lífs síns. Við vitum fyrir víst að einungis brot af vetni hefur verið breytt í helíum í gegnum þróun alheimsins. Í flestum vetrarbrautum, þar með talið Milky Way , finnst 1 helíum atóm fyrir hver 10 af vetnis atómum. Áður en helíum og deuteríum myndaðist urðu til eindir. Þessar eindir eru kallaðar þungeindir(baryon) og innihalda ljóseindir, létteindir(lepton), rafeindir og kvarka(quark). Þessar eindir urðu síðan uppbygging fyrir allt efni sem við þekkjum. Á því tímaskeiði sem þungeindir voru að fæðast voru ekki til neinar mjög þungar eindir á borð við róteindir og nifteindir, en það var vegna gríðarlegs hita sem þá ríkti. Á þessari stundu var einungis kvarkagrautur. Eftir að alheimurinn hafði kólnað niður í 3000 milljarða á Kelvin byrjaði róttæk breyting sem má líkja við ferli þess þegar vatn breytist í ís. Eftir að um ein til þrjár mínútur höfðu liðið frá sköpun alheimsins byrjuðu róteindir og nifteindir að hvarfast hvor við aðra og mynda deuteríum.1 Deuteríum eða þungt vetni er ísótópi sem lifir ekki í þeim mikla hita sem myndast í miðju stjarna. Stjörnur búa ekki til deuteríum heldur eyðileggja það einungis. Skoðanir sýna að deuteríum er til staðar í okkar vetrarbraut sem geimefni sem ekki hefur þést í stjörnur. Flestir geimvísindamenn eru sammála því að helíum og deuteríum hafi myndast í fyrstu mínútum eftir Stóra Hvell. Aðstæður á þessum tíma voru þannig að kjarnamyndun var óhjákvæmileg.

Vissulega er mikið um getgátur í þessum fullyrðingum en eftir því sem alheimurinn eldist erum við sannfærðari um þá kenningu sem við höfum um forsögu hans og með því að rannsaka alheiminn eins og hann er í dag er hægt að læra gríðarlega mikið um fortíð hans. Mikilli vinnu hefur verið varið í að skilja betur þann fjölda þungeinda sem eru til staðar og hvernig þær hegða sér. Hægt er að rekja hlutverk þeirra aftur í Stóra Hvell. Einnig getur verið athyglisvert að skoða hegðun einfaldra atóma á rannsóknarstofu því það getur hjálpað okkur að skilja hvernig þau mynduðust upphaflega. Við þurfum hins vegar á ítarlegri rannsóknum að halda til þess að hægt sé að skilja fullkomlega myndun alheimsins og uppbyggingu fyrstu atómanna. Kannski munum við aldrei komast að því.1

Aldur alheimsins

Megin fullyrðing varðandi Stóra Hvell er sú að fyrir um 20 milljörðum ára hafi tveir punktar í okkar alheimi verið óheyrilega nálægt hvor öðrum. Þéttleiki massa var óendanlegur á þessum tímapunkti og tími og rúm voru óendanlega bjöguð af þyngdarkröftum. En hvernig vitum við hvenær þetta átti sér stað? Var alheimurinn til fyrir Stóra Hvell? Ef svo er gæti alheimurinn hafa verið til í óendanlega langan tíma.

Stóra Hvells kenningin getur gefið svar við fyrri spurningunni en ekki þeirri seinni. Við skulum því tala um aldur alheimsins sem þann tíma sem hefur liðið frá því að Stóri Hvellur varð til. Við getum þó ekki útilokað að það hafi verið eitthvað forstig á undan Stóra Hvelli þó við getum varla sagt neitt til um það.2

En nú skulum við snúa okkur að því hvernig hægt sé að reikna út aldur alheimsins, en það er hægt með því að beita hefðbundinni eðlisfræðilegri jöfnu sem gengur út á það að vegalengd deilt með hraða er jafnt og tími, en þá komum við aftur að rannsóknum Hubbles. Með þessu er hægt að reikna út nokkuð nákvæmt gildi.

Tvær mikilvægustu mælistærðirnar sem við þurfum er fjarlægð vetrarbrautarinnar frá okkur og einnig rauðvik hennar. Vísindamenn reyndu í fyrstu tilraun að nota hornafræði á sínum tíma til að mæla fjarlægðirnar en það tókst ekki. Hins vegar tókst vísindamönnum að reikna út þvermál sporbaugs jarðar í kringum sólina. En þessir reikningar dugðu því miður ekki einir og sér til að ákvarða þá gríðarlegu fjarlægð sem er á milli okkar og vetrarbrautar og þeirra vetrarbrauta sem myndu gera okkur kleift að reikna aldur alheimsins.

Næsta skref var að fá meiri skilning á púls stjarna. Athuganir höfðu sýnt að stjörnur með sama ljósmagn blikkuðu á sömu tíðni, líkt og viti sem hefur 150.000 watta ljósaperu snýst á hverjum 30 sekúndum og svo viti sem hefur 250.000 watta ljósaperu snýst einu sinni á hverri mínútu. Með þessa vitneskju í höndunum gerðu vísindamenn ráð fyrir því að stjörnur sem blikkuðu í okkar vetrarbraut á sömu tíðni og stjörnur í öðrum vetrarbrautum hefðu sama styrkleikastig. Með því að beita hornafræði tókst þeim að reikna út fjarlægð stjörnunnar í okkar vetrarbraut. Þar með var hægt að rannsaka fjarlægð fjarlægu stjörnunnar með því að rannsaka mismun í styrkleika líkt og að ákvarða fjarlægð tveggja bíla að nóttu til. Ef við gerum ráð fyrir því að styrkleiki bílljósanna sé sá sami má áætla að ljós bílsins sem virðast daufari sé lengra í burtu frá athuganda heldur en bílljósin sem virðast skærari. En ekki er einungis hægt að nota þessa kenningu til þess að reikna út vegalengd til fjarlægustu vetrarbrauta. Eftir að vetrarbraut er komin í ákveðna fjarlægð frá okkur er ómögulegt að greina einstaka stjörnur innan þeirrar vetrarbrautar. Vegna mikils rauðviks frá þessum fjarlægu vetrarbrautum þurfti að finna upp nýja aðferð sem byggist á því að reikna út fjarlægð þyrpingu margra vetrarbrauta í stað einstakra stjarna. Með því að rannsaka stærðir vetrarbrautaklasa sem eru nálægt okkur, hafa vísindamenn fengið hugmynd um það hvaða stærðir séu á öðrum klösum. Þar af leiðandi er hægt að segja fyrir um fjarlægð klasanna frá Milky Way með sama hætti og fjarlægðir stjarna hafa verið fundnar út. Með útreikningum sem innihalda fjarlægðina frá fjarlægustu klösum og rauðvik þeirra, er hægt að segja til um hve lengi vetrarbrautin hefur verið að færast frá okkur. Með sama hætti er hægt að nota þennan tíma öfugt til að segja til um hvenær þessar tvær vetrarbrautir voru á sama stað og tíma, eða, á þeirri stundu sem Stóri Hvellur átti sér stað. Sú jafna sem venjulega er notuð til að sýna aldur alheimsins verður sýnd hér:

(fjarlægð ákv. vetrarbrautar) / (hraði þeirrar vetrarbrautar) = (tími)

eða

4.6 x 10^26 cm / 1 x 10^9 cm/sek = 4.6 x 10^17 sek

Þessi tiltekna jafna sem gefur að tíminn sé 4.6 x 10^17 sek. er u.þ.b. fimmtán milljarðar ára. Þessi niðurstaða er nokkurn veginn eins fyrir allar vetrarbrautir sem hafa verið rannsakaðar en vegna óvissu í mælingum er einungis hægt að segja gróflega til um aldur alheimsins. Að finna út aldur alheimsins er flókið skref en það myndi auka skilning okkar mikið.

Hvað tekur við næst?

Nú er búið að útskýra helstu þætti sem komu við sögu upphafs okkar alheims. Okkar skilningur á Stóra Hvell, fyrstu atómunum og aldri alheimsins er augljóslega ófullkominn. Eftir því sem tíminn líður og fleiri uppgötvanir verða, leiðir það af sér enn fleiri og flóknari spurningar sem að sjálfsögðu leiða síðan til fleiri og flóknari svara við þeim. Þar sem við teljum árangur okkar vera ófullkominn innan vísindanna eru vísindamenn út um allan heim að auka þá litlu þekkingu sem við höfum á hinum gríðarlega flókna alheim.

Síðan Stóra Hvells kenningin var lögð fram hafa verið margir sem hafa mótmælt henni. Þessi mótmæli gagnvart kenningunni hefur þjónað því að vera ákveðin áskorun fyrir þá sem stutt hafa kenninguna og þeir hafa því leitað frekari vísbendinga sem styðja kenningu Stóra Hvells. Þar sem Stóra Hvells kenningin endar hafa margir reynt að fara enn lengra og nokkrar uppgötvanir hafa sýnt enn skýrari mynd af upphafi alheimsins.

Nýlega hefur geimrannsóknarstofnunin NASA gert nokkrar mjög merkilegar uppgötvanir sem geta stutt kenningu Stóra Hvells. Sú mikilvægasta er það að geimvísindamenn í athugungarstöðinni Astró-2 gátu staðfest eitt af grunnskilyrðum þess að Stóri Hvellur hefði átt sér stað. Í júní 1995 tókst vísindamönnum að finna frumhelíum, eins og deuteríum, langt út í geimnum. Þessi fundur styður þá mikilvægu hlið Stóra Hvells að blanda af vetni og helíum hafi verið skapað í upphafi alheimsins.

Auk þess hefur Hubble sjónaukinn, sem er skýrður í höfuðið á föður kenningar Stóra Hvells, aflað mikilvægra heimilda um það hvaða frumefni voru til eftir sköpun alheimsins. Geimvísindamenn hafa fundið frumefnið bór í gríðarlega gömlum stjörnum. Þeir fullyrða að bórið sé annað hvort leif af orkuöflugum atburðum sem áttu sér stað við myndun vetrarbrauta eða að bór sé jafnvel enn eldra og sé upprunalega frá Stóra Hvelli. Ef seinni fullyrðingin er sönn, neyðast vísindamenn til að breyta kenningunni um sköpun alheimsins og þeirra viðburða sem áttu sér stað strax eftir hana vegna þess að samkvæmt henni gat svo stórt og þungt atóm ekki verið til í upphafi.

Við sjáum því að rannsókninni mun sennilega aldrei ljúka. Hungur okkar í meiri vitneskju verður aldrei fullnægt. Það er því ekki hægt að svara þeirri spurningunni “hvað gerist næst?”. Sú leið sem liggur áfram mun ákvarðast af því hvaða uppgötvanir við gerum og hvaða spurninga við spyrjum. Við erum föst þeim vítahring að ein spurning og svar við henni leiðir óhjákvæmilega af sér aðra spurningu og svo koll af kolli.

Dýpri pælingar

Það er ekki auðvelt að útiloka þessa hlið vísindanna frá hinum hefðbunda manni sem veltir fyrir sér tilvist sína. Allir hafa einhvern tímann á sínum lífsferli glímt við þá spurningu um það af hverju við séum hér? Sumir hafa fundið þörfum sínum nægt með heimspekilegu svari við þessari spurningu á meðan aðrir hafa farið veg vísindanna. Þeir sem hafa kosið veg vísindanna hafa tekið þessa pælingu skrefinu lengra með að einbeita sér ekki eingunis að tilvist mannsins heldur tilvist alls sem við þekkjum.

Ef þú sætist niður og reyndir að ímynda þér allt um allan alheiminn ofbyði það huganum. Vísindin hafa hins vegar sagt okkur að alheimurinn sé í raun og veru takmarkaður, með byrjun, miðju og framtíð. Það er auðvelt að flækjast í samræðum þar sem talað er um ár í milljörðum og samt líður þessi tími. Þegar við lifum okkar líftíma hér á jörðu, lifum við einnig hluta af líftíma alheimsins.

Ég hef reynt að greina frá helstu atriðum þessarar leiðangurs. Þó er skrýtið að við munum sennilega aldrei vita hvernig þetta byrjaði. Við getum einungis sett fram getgátur og reynt að giska eins vel og okkur er fært. Með okkar eigin tækni hefur okkur tekist að finna vísbendingar sem benda til þess að þessar ágiskanir séu nálægt sannleikanum. En ef við hugsum aldir fram í tímann, getur maður spurt sig að því hvort mannkynið þá muni líta á okkur eins og við lítum á þá sem héldu að jörðin væri miðpunktur alheimsins?

Ritgerð þess er nánast eingöngu unninn upp úr heimildum og oft er um að ræða beina þýðingu úr enskum texta sem gæti valdið misskilning. Ef þú hins vegar lest hana með opnum huga muntu eflaust dýpka skilning þinn á ýmsum geimvísindalegum efnum.