En innføring i kosmologi

Erling Skaar

Hovedfagsoppgave i fysikk Universitetet i Trondheim AVH våren 1985

Innhold:

Forord

Kosmologi er læren om universet. I kosmologien prøver man derfor å beskrive det universet vi lever i; hvordan det er i dag og hvordan det forandrer seg med tida. Siden mennesket er en del av universet, betyr det at kosmologien også berører mer grunnleggende spørsmål som for eksempel: Hvem/hva er vi? Hvorfor er vi til? osv. Dette betyr med andre ord at kosmologien i sin videste betydning befinner seg i et slags grenseland mellom naturvitenskapen og religion/filosofi. I et slikt grenseland oppstår det ofte endel problem og misforståelser. Jeg vil derfor kort prøve å klargjøre hvilke ideer og antakelser som ligger til grunn for dette heftet her i forordet.

Hensikten med heftet er å gi en innføring i kosmologi utfra en naturvitenskapelig synsvinkel. Men hva er det så mulig å si om vart univers utfra et strengt naturvitenskapelig grunnlag? For å forstå naturvitenskapens begrensninger er det viktig å merke seg at den handler om naturen slik navnet tilsier. Med naturen forstår vi da det naturvitenskapen er opptatt med. Om det finnes noe overnaturlig, og om dette eventuelt kan gripe inn i eller påvirke naturen, ligger da utenfor naturvitenskapens kompetanseområde. Det betyr med andre ord at naturvitenskapen ikke alene kan avgjøre dette grunnleggende spørsmålet. Nå er det imidlertid nødvendig å gjøre visse antakelser i denne sammenhengen. Hvis det finnes noe overnaturlig som griper inn og påvirker naturen kontinuerlig vil de observasjonene vi gjør av naturen bli svært usikre. Erfaringer viser imidlertid at en stein faller hver gang vi slipper den. Det er derfor grunn til å tro at om det finnes noe overnaturlig så kan vi se bort fra dette i praktiske naturvitenskapelige observasjoner. Man gjør med andre ord en antakelse om at naturen er alt man behøver å to hensyn til for å forklare naturen i nåtiden. Naturen er en virkelighet som følger sine egne lover (naturlover), og ved hjelp av naturvitenskapelige metoder er det da mulig å forklare alt i naturen ved hjelp av naturen selv.

Det er imidlertid ganske vanlig at bøker og artikler om kosmologi også utvider den ovennevnte antakelsen til å gjelde all fortid. I praksis betyr det at man ser bort i fra den muligheten at naturen har en overnaturlig årsak. Dette betyr med andre ord at de utelukker en mulig forklaring på enkelte kosmologiske problem uten at de egentlig har vurdert den. Jeg har i dette heftet valgt å være åpen for at enkelte problem innenfor kosmologien kan ha overnaturlig forklaring.

Det er imidlertid først når de naturlige forklaringene synes å være utilstrekkelige at jeg vil vurdere en overnaturlig forklaring. I praksis betyr det at jeg vil vurdere muligheten for at universet kan ha fått den nåværende formen som følge av en overnaturlig skapelse.

Jeg har ellers prøvd å vise hvordan mer eller mindre ubevisste antakelser er avgjørende for hvilke resultater naturvitenskapen gir. Når det gjelder spørsmålet om hvordan universet er blitt til, kan vi si at naturvitenskapen er et hjelpemiddel eller et verktøy. Dette verktøyet gir ulike resultater avhengig av hvilke grunnleggende antakelser brukeren gjør. Men naturvitenskapen kan også være til hjelp når det gjelder å vurdere de ulike kosmologiske modellene som finnes (I dette heftet bruker jeg ordet modell om teorier som av forskjellige grunner ikke lar seg kontrollere direkte. Big-Bang-teorien er ifølge dette en modell fordi det ikke er mulig å gå bakover i tida og kontrollere om den er riktig.). Den modellen som kan forklare flest observasjoner ved hjelp av færrest mulig tilleggsantakelser og færrest mulig selvmotsigelser,er da sannsynligvis den beste.

Foruten at kosmologien befinner seg i grenselandet mellom naturvitenskap og religion/filosofi, kan man også si at den befinner seg i ytterkanten av naturvitenskapen. Mye av det vi kan lese i kosmologiske fremstillinger er forholdsvis usikkert. Grunnen er at det er vanskelig å finne sikre: vitenskaplige metoder som kan bekrefte eller avkrefte de ulike teoriene. Jeg har i denne sammenheng prøvd å vurdere endel teorier med hensyn på hvor"sikre" de er. Endel vil nok umiddelbart reagere når teorier som relativitetsteoriene, kvantemekanikken og Hubbles lov blir vurdert som"usikre". Dette er blant annet gjort for å understreke at vi fortsatt ikke har funnet sannheten on naturen, og man bør derfor alltid være åpen for å revurdere ulike forestillinger om naturen. Historien har blant annet vist at mange av fremskrittene i naturvitenskapen har skjedd nettopp når noen satte spørsmålstegn ved såkalte aksepterte sannheter.

Som grunnlag for den vitenskapelige beskrivelsen og vurderinga av de ulike kosmologiske modellene har jeg her valgt Newtons og Maxwells likninger. Grunnen er særlig følgende: Disse likningene har vist sin nytte og anvendelighet i tusenvis av praktiske situasjoner; fra romferd til avansert elektronikk. Det betyr derfor at det er forholdsvis sikkert at disse gir en riktig beskrivelse av naturen under vanlige forhold . Om de kan brukes til å beskrive mer ekstreme forhold (høye hastigheter og sterke gravitasjonsfelt), har jeg tatt opp i tillegget bak i heftet. Dessuten er Newtons og Maxwells likninger forholdsvis enkle. Dette gjør at det er mulig for den enkelte leser å forstå sammenhengen mellom det jeg her har kalt grunnlovene (Newtons og Maxwells likninger) og de ulike kosmologiske modellene. Det er ellers verdt å merke seg at disse likningene bruker rom og tid som absolutte begrep. Dette er også en av grunnene til at de er enklere å forstå. Om rom og tid virkelig er absolutte begrep, er diskutert i tillegget bak i heftet. Egentlig er det vel kanskje et spørsmål om praktisk valg av referansesystem, mer enn det er en absolutt egenskap ved naturen.

I tillegg til denne beskrivelsen av det grunnlaget jeg har valgt, vil jeg også kort nevne noen av de ideene som ligger til grunn for den praktiske oppbygginga av heftet. Jeg har tenkt meg at det vi kan kalle naturvitenskapens kunnskaper har en hierarkisk oppbygging. Nederst finner vi grunnlovene (Newtons og Maxwells likninger). Ideen er at alt i naturen skal kunne forklares utfra disse grunnlovene. De to første kapitlene er da en innføring i disse grunnlovene og noen grunnleggende begrep. Nå er det imidlertid praktisk i mange situasjoner å  s1å sammen mange "små" hendelser som hver for seg følger grunnlovene til større lovmessigheter. De to neste kapitlene handler da om endel slike lovmessigheter (eks: termodynamikk og strålingslovene) som man må kjenne til for å forstå hvordan universet fungerer. Dessuten handler disse kapitlene om hva vi finner i universet og hvorfor vi vet dette. I det siste kapittelet forsøker jeg så å samle det vi vet i generelle beskrivelser av hvordan universet er og har oppstått.

Når det gjelder det naturvitenskapelige utvalget, har jeg valgt å konsentrere meg om noen få viktige begrep,lovmessigheter,teorier og modeller. Jeg har forsøkt å gjøre beskrivelsene korte og enkle, framfor lange og eksakte. Målet er at leseren skal få en innføring i kosmologi. Skal dette skje innenfor en forholdsvis kort tidsramme, er man nødt til å forenkle og utelate endel.

Dette heftet er skrevet med tanke på at det kan brukes i videregående skole i et tilvalgsemne i kosmologi. Det er nok en fordel at elevene har litt bakgrunn i fysikkpensumet fra videregående skole før de leser dette heftet. Nå har jeg imidlertid prøvd å gjøre stoffet i heftet mest mulig selvforklarende, og mye kunnskap i fysikk er derfor ikke noe absolutt krav. Det viktigste grunnlaget er interesse for emnet samt åpenhet slik at man ikke avviser ukjente teorier før man har studert dem.

Til slutt vil jeg spesielt takke førsteamanuensis Erlend Østgård som har vært veileder for denne oppgaven. Selvom han kanskje opprinnelig hadde tenkt seg en litt annen fremstilling av emnet kosmologi, har han likevel støttet min "versjon" med blant annet konstruktiv kritikk, og jeg har fått en stor grad av frihet til å skrive det jeg mener bør være med.

Erling Skaar