E: To modeller
E1: Innledning
Etter at vi nå kort har gjennomgått det vitenskaplige grunnlaget for kosmologien vil til slutt se på to kosmologiske modeller. Når vi her bruker ordet modell istedenfor teori er det for å understreke at disse på en måte er noe mer enn en vanlig vitenskaplig teori. En teori beskriver oftest en begrenset del av virkeligheten og man kan som regel teste denne ved hjelp av vitenskapelige metoder. Disse modellene derimot, handler om hvordan naturen som helhet er blitt til og det er ikke mulig å kontrollere dem direkte ved hjelp av vitenskapelige metoder. Det er for eksempel ikke mulig å gå bakover i tida for å se hva som virkelig skjedde.
Når vi her har valgt ut to modeller, ligger det også en vurdering bak dette. Det eksisterer egentlig svært mange kosmologiske modeller. Mange av disse er imidlertid ganske like. Når vi her kaller den ene modellen for Big-Bang-modellen så kan dette nærmest oppfattes som en samlebetegnelse for alle de modellene som ser på universet som et resultat av en ekspansjon fra en mye tettere fase. Den andre modellen er forholdsvis ny og er derfor ikke så godt kjent. Det er imidlertid en modellen som representerer en utfordringen til Big-Bang-modellen, og den vil kanskje få endel å si for framtidas kosmologi. Vi kaller denne modellen C-decay-modellen.
Nå finnes det også endel andre modeller, og vi vil i innledningen kort nevne noen her. Det finnes for eksempel noen modeller som prinsipielt bygger på de samme antakelsene som Big-Bang-modellen, men som unngår den problematiske startfasen ved å anta at det er en nedre grense for hvor tett universet har vært. Til venstre vises et eksempel på en såkalt "Whimper- Wimper"-modell. Den vertikale aksen representerer den universelle skalafaktoren, og den kan betraktes som et mål for avstandene mellom galaksene.
En annen mer kjent modell er den såkalte "Steady-State"-modellen. Den er verre å fremstille ved hjelp av et diagram, men den sier kort at universet utvides heile tida samtidig som det skapes ny masse. Det betyr at massetettheten i universet kan være konstant . Denne modellen unngår for eksempel problemet med å forklare hva som var før begynnelsen fordi universet ifølge denne ikke par noen begynnelse i tid. En kontinuerlig skapelse av masse er imidlertid litt problematisk blant annet i forhold til termodynamikken. Den har også problemer med å forklare årsaken til den kosmiske bakgrunnstrålinga. Modellen har forholdsvis få tilhengere i dag.
Vi vil i det følgende legge vekt på en generell og ikke for detaljert beskrivelse av de to modellene. Samtidig vil vi presentere de viktigste argumentene for og imot modellene.
E2: Big-Bang-modellen
Universet startet ifølge denne modellen, sin utvidelse for 10-20 milliarder år siden. Alderen er man blant annet kommet fram til ved hjelp av Hubbles konstant. Inversverdien til denne gir som nevnt tidligere en maksimal alder på universet. Merk ellers at de hastighetene man trenger for å beregne Hubbles konstant er basert på rødforskyvninger fra fjerne galakser.
ÅRSAKEN TIL BIG-BANG
Selve startøyeblikket og det som par gått forut for dette ligger utenfor vitenskapens rekkevidde. De vitenskapelige metodene vi har til rådighet er ikke lenger brukbare når man par med et uendelig lite rom med ei uendelig stor tetthet å gjøre. Med bakgrunn i vår kunnskap om sorte hull skulle man vel egentlig ventet at den enorme massekonsentrasjonen i begynnelsen aldri ville kunne utvide seg. Selve startøyeblikket er derfor på en måte
utenom-vitenskapelig eller overnaturlig. Nå er dette i og for seg ikke noe stort minus med modellen da., det synes som om alle kosmologiske modeller trenger mer eller mindre hjelp utenfra for å kunne forklare opprinnelsen til det fysiske universet.
Merk ellers at den første tette masseklumpen ikke var en del av et allerede bestående univers, men at den var universet. Det er kanskje lettest a forestille seg dette hvis vi tenker på hvordan ei todimensjonal kuleflate kan utvide seg. Utvidelsen av ei kuleflate er ikke i ei allerede bestående flate, men det er selve flata som utvider seg.
PARTIKKEL-ANTIPARTIKKEL
Nå par det i den seinere tid vært skrevet mye om forholdene i
universet i den første tida etter "Big-Bang". Vi skal her bare trekke fram enkelte ting fra
denne perioden. Nå synes det som om de atomære partiklene (elektroner,
protoner osv.)
kan omdannes til høyenergetisk elektromagnetisk stråling og omvendt under ekstreme forhold. I de første
sekundene etter Big Bang var temperaturen og trykket så høyt at man regner med at
det ble dannet partikkel-antipartikkel-par fra strålingen. Etterhvert som temperatur og trykk avtok sluttet omdanningen til partikler og antipartikler. Men fortsatt var det slik at disse kunne omdannes tilbake hvis en partikkel og en antipartikkel møttes. Nå ville det være mest naturlig å tenke som så at det i universets første periode ble dannet like mange partikler og antipartikler. Problemet med dette er at storparten av partiklene da sannsynligvis ville finne seg en antipartikkel og omdannes til stråling på et seinere stadium. Når vårt univers likevel består av store mengder partikler og sannsynligvis ingen antipartikler, betyr det at det i universets første fase må ha blitt dannet flere av de første. Detaljene omkring dette er fortsatt uklare og enkelte bruker dette som et argument mot
Big-Bang-modellen.
HYDROGEN-HELIUM-FORHOLDET
Etterhvert som universet ble avkjølt ble det så dannet
atomer. Det vil si at elektroner og protoner slo seg sammen. I begynnelsen regner man med at
protonene stort sett opptrådte enkeltvis. De bandt altså ikke til seg andre protoner
og dannet tyngre stoffer. Man har imidlertid beregnet at det i en kortere periode ville
kunne dannes heliumkjerner ved at to protoner og to nøytroner slo seg sammen.
Beregningene
viser også at dette ville gi ca. 1/4 med helium. Endel beregninger av grunnstoff
innholdet i universet tyder på at dette stemmer med virkeligheten.
Når det gjelder grunnstoffene mellom helium og jern i det periodiske systemet, så har disse blitt dannet ved kjernereaksjoner i det indre av stjerner på et seinere stadium ifølge Big-Bang-modellen. Dette kan da forklare hvorfor det ifølge observasjonene er lite av disse stoffene i universet.
KOSMISK BAKGRUNNSTRÅLING (3-KELVIN-STRÅLINGEN)
Ca. 300 000 år etter Big-Bang skjedde da det som
vi i dag kaller "Decoupling event"(frakoplingsøyeblikket). Man refiner da med at temperaturen
i universet hadde falt til ca. 3000 K. Dette er en så lav temperatur at masse og stråling
vil bli uavhengige av hverandre. Den tidligere kontinuerlige energioverføringen
fra atomer til stråling og omvendt, opphørte da. Siden har temperaturen til
strålinga og de ulike massene i universet forandret seg uavhengig av hverandre. På
grunn av den lave tettheten av universet har strålinga fra dette tidspunktet fortsatt
å bevege seg rundt i universet siden. På grunn av universets utvidelse har den så
fått en rødforskyvning på ca. z=1000 fordi universet har utvidet seg 1000 ganger siden
da. Stjernene sender til sammenlikning ut stråling med en temperatur omkring 5000
10000 K i dag. Figuren til venstre gir et bilde av mengdeforholdet til de ulike
strålingstypene i universet i dag.
Den kosmiske bakgrunnstrålinga er også spesiell på den måten at den er like sterk fra alle retninger i rommet (isotrop). Dette stemmer bra med at den har sin årsak i en tidligere periode i universets historie slik som beskrevet ovenfor. Dette blir derfor ofte brukt som argument for at Big-Bang-modellen er riktig.
DANNELSE AV STJERNER OG GALAKSER
Nå er det ikke alt som er like lett å
forklare wed hjelp av Big-Bang-modellen. ifølge denne modellen ble
galaksene og de første stjernene dannet i løpet av de første 2-3
milliarder årene etter "Big bang". I kosmologibøker blir det ofte kort
nevnt at små uregelmessigheter i massefordelingen i universet skapte en
sammenklumping til stjerner og galakser. Det blir sjeldnere nevnt noe om
de problemene som er knyttet til en slik dannelse. Nå er det for eksempel
en hårfin forskjell mellom de utgangsbetingelsene (ifølge Big-Bang) som
ville gi en rask sammenklapping av hele universet og de som ville fore til
at universet ekspanderte uten noen former for sammenklumping. At universet
ble akkurat slik som det er synes utfra Big-Bang-modellen å være et stort
slumpetreff.
Et mer alvorlig problem for Big-Bang-modellen er det kanskje å forklare hvordan de første stjernene ble dannet. Det er klart at gassene helium og hydrogen har masse og kan klumpes sammen ved hjelp av gravitasjonskrefter. Beregninger tyder imidlertid på at slike sammenklumpinger ikke vil bli særlig tette da det ganske raskt vil oppstå et trykk som vil motvirke ytterligere sammenklumping. på grunn av disse problemene er det noen som har foreslått at stjernene ble skapt som ferdige varme klumper. Dette er imidlertid litt vanskelig å kombinere med resten av Big-Bang-modellen og det er derfor ikke noen vanlig oppfatning.
Et annet problem er å forklare årsaken til de store dreieimpulsene som finnes i for eksempel spiralgalaksene. Når noe dreier har det en såkalt dreieimpuls som vil være bevart ifølge Newtons lover hvis ikke krefter utenfra stopper dreiinga. Nå vet vi at alle atomer og molekyler har såkalte termiske bevegelser, og tar man et lite utsnitt så er det en viss sannsynlighet for at partiklene til sammen har en dreieimpuls i forhold til en eller annen akse. Gjør man utsnittet større vil sannsynligheten for at partiklene skal ha en tilsvarende stone dreieimpuls, mindre. At galaksenes dreieimpuls har oppstått som følge av tilfeldige bevegelser i universets første periode er ikke så uproblematisk som "stillheten" omkring problemet skulle tilsi.
MISSING MASS (MANGLENDE MASSE)
Det synes å være et misforhold mellom de
hastighetene vi har målt i galaksehoper og galakser ved hjelp av
forskyvninger i spekteret, og den massen disse synes å inneholde. Massen i
galaksene er da-anslått utfra den lysmengden de sender ut. Det synes altså
som om hastighetene er så store at totalenergien ifølge Newton er positiv
for endel galakser og galaksehoper. Det betyr med andre ord at de ikke er
gravitasjonsmessig bundet slik vi har antydet tidligere. Når det likevel
synes som om galakser og galaksehoper er "stabile" formasjoner så antar
man at dette skyldes at de inneholder masse som vi foreløpig ikke har
oppdaget (missing.mass). Det er foreløpig uklart hvilken form denne massen
har (støv, sorte hull, eller annet).
TYNGRE GRUNNSTOFFER
I tida etter at galaksene ble dannet fikk vi så
dannet stjerner fra gass-skyer som trakk seg sammen. Noen av disse
eksploderte så i enorme supernovaer og det er i disse man regner med at
tyngre grunnstoffer er blitt dannet. Med tyngre grunnstoffer mener vi her
de grunnstoffene som har høyere atomnummer enn jern. Disse grunnstoffene
er så blitt spredt utover i universet og er senere blitt med da nye
stjerner og planeter ble dannet.
POPULASJON-1 OG POPULASJON-2 STJERNER.
Det har lenge vært vanlig å dele
stjernene opp i hovedgrupper; populasjon-1 og populasjon-2 stjerner.
Grunnen er blant annet at de har ulik plassering i galaksen og at
populasjon-1 stjernene inneholder ofte mer tyngre grunnstoffer. Ifølge
Big-Bang-modellen er populasjon-2 stjernene eldst. Populasjon-1 stjernene
har så blitt dannet noe seinere, blant annet av rester fra tidligere
supernovaer. Sola hører med til disse og er dannet for ca. 5 millioner ar
siden. Figuren til venstre viser hvordan gruppene i hovedsak er plassert i
melkeveien. Siden Big-Bang-modellen kan forklare det som er nevnt i de to
siste avsnittene på en grei måte betyr det en støtte til modellen.
Vi har Nå skissert hovedtrekkene i hvordan Big-Bang-modellen forklarer dannelsen av vart univers. Nå kunne vi tatt med mange flere observasjoner som enten støtter eller motsier denne modellen. Det vil vi ikke gjøre her, men bare understreke at Big-Bang-modellen i dag kan betraktes som en hypotese som forskerne jobber utfra. De enkelte forskerne er imidlertid ikke enige om alle detaljene i denne modellen. Nå må det også her sies at de fleste observasjonene som ligger til grunn for dagens kosmologi, er av en slik karakter at vi kan regne med forbedringer i framtida.
I praksis betyr det at framtida nok vil løse endel av de problemene vi strir med i dag. Når observasjoner og teori synes å motsi hverandre, kan nok dette til en viss grad skyldes for dårlige observasjonsmetoder.
Vi vil til slutt se på et kanskje mer grunnleggende problem for Big-Bang-modellen. Som nevnt bygger den på Einsteins generelle relativitetsteori, og den sammenhengen denne gir mellom massen av universet og krumminga av universet. Vi har til nå beskrevet universet som om det skulle ha positiv krumming. Dette er gjort fordi dette er lettest å forestille seg. Det er derimot ikke så sikkert at vi lever i et univers med positiv krumming. Som nevnt tidligere kan man avgjøre universets krumming ved å beregne den mekaniske energien til fjernere galakser ifølge Newtons formler Dette er også gjort og observasjonene tyder på at universet har negativ krumming. Det betyr at universet er uendelig stort og vil utvide seg i all framtid. Se figuren til venstre. Nå er dette på mange måter en mindre tilfredsstillende modell for universet. Det er særlig det at universet er uendelig stort som skaper endel problemer. Hvis det er uendelig stort i dag vil det også ha værtuendelig stort da det startet med Big-Bang. Det blir da for eksempel et problem å forklare hvordan et uendelig univers klarte å "lage" et Big-Bang samtidig alle steder. Når vi som kjent har lyshastigheta som en øvre grense for all informasjonstransport.
I de tilfellene en modell får problemer med ett eller annet, kan man i prinsippet gjøre ett av to. Enten kan man forkaste modellen og si at den er feil. Mer vanlig er det imidlertid at man konstaterer at modellen har endel problem, men tenker som så at disse vil kunne løses i framtida. Det finnes ingen kosmologiske modeller som ikke har problemer i forhold til observasjonene våre. Når de fleste forskerne i dag holder på Big-Bang-modellen, så er det nok utfra argumentet at den er den modellen som tross alt har de minste problemene
E3 C-decay-modellen
Som nevnt tidligere er denne modellen ny og derfor lite kjent. Dessuten har den innebygget i seg en antakelse om at lyshastigheta (c) har avtatt i løpet av universets historie. Dette er så oppsiktsvekkende sett utfra vanlige erfaringer at det trenges en ekstra kommentar. Det er derfor her nødvendig med en liten innledning før vi ser nærmere på denne kosmologiske modellen.
I forhold til det som er nevnt foran, kan man si at denne modellen særlig bygger på elektromagnetismen og deler av den generelle relativitetsteorien. Siden lys er et elektromagnetisk fenomen er det naturlig at elektromagnetismen får en sentral plass i modellen. Siden modellen antar at lyshastigheta har forandret seg, opererer den med to slags tidsbegrep. Det ene kalles her kosmisk tid (T) og det er i forhold til denne tida at lyshastigheta har forandret seg. Man kan derfor betrakte denne som den egentlige tida. Det andre tidsbegrepet kalles atomær tid (t) og i forhold til denne har lyshastigheta vært konstant. Vi skal komme tilbake til dette seinere.
VITENSKAPELIG FUNDAMENT
Som navnet antyder er det antakelsen om at
lyshastigheta har forandret seg som utgjør kjernen i modellen. Men hvordan
er så dette mulig når lyshastigheta vanligvis regnes som en såkalt
naturkonstant. La oss se litt nærmere på dette problemet. Her antar vi da,
som det er vanlig, at lyshastigheta er konstant i rom. Det vil si at
lyshastigheta vil være den samme overalt i rommet på et bestemt tidspunkt.
Problemet er derfor om lyshastigheta har vært lik den nåværende
lyshastigheta i fortida. Dette er det prinsippielt mulig å avgjøre på to
måter:
(1) Sjekke opp eldre lyshastighetsmålinger.
(2) Studere lys som stammer fra
fortida. Når det gjelder metode 2 innebærer denne visse problemer. Selv om
vi antar at fjerntliggende stjerner består av samme atomer som sola og
følgelig vil sende ut samme slags lys i dag, betyr ikke dette nødvendigvis
at lyset vi mottar vil være forskjellig fra de to kildene hvis
lyshastigheta har forandret seg. La oss se på dette litt nærmere. Nå er
det grunn til å anta at energien til et foton alltid har vært konstant
selvom lyshastigheta har forandret seg. Til venstre vises et uttrykk for
energien hvor lyshastigheta c inngår. Det er da nærliggende å tenke at
hvis lyshastigheta har forandret seg siden det tidspunktet fotonet
forlot stjerna, vil dette vise seg ved at bølgelengda har forandret seg.
Dette er forutsatt at energien alltid har vært konstant. Nå er det
imidlertid slik at de karakteristiske absorpsjonslinjene befinner seg på
samme sted i lyset fra sola og fra andre stjerner. Vi ser da bort fra den
forholdsvis svake rødforskyvninga vi kan observere i spekteret fra fjerne
galakser. Konklusjonen skulle derfor bli at lyshastigheta har vært
konstant. Problemet med denne konklusjonen er imidlertid at vi ikke har
noen garanti for at Plancks konstant(h) har vært konstant. Utfra denne
modellen har h variert som 1/c og det resulterer i at både energien og
bølgelengda til et foton vil være konstant selvom lyshastigheta forandrer
seg. Dette viser forhåpentligvis at metoden ovenfor er lite brukbar til å
avgjøre hvordan lyshastigheta har vært i fortida.
|
Experimenter |
Date |
c-value |
|
Roemer Bradley Cornu Cornu-Helmert Michelson Newcombe Michelson Michelson Perrotin Perrotin Perrotin Michelson Michelson Mittelstaedt Pease-Pearson Anderson Huttle Essen Aslakson Bergetrand Essen Bergetrand Bergetrand Aslakson Froome Kraus Froorne Florman Scholdstrom Plyler,Blaine&Cannon Plyer et. al. Cohen et. al. Bergstrand Wadley Rank,Bennett&Bennet Edge Wadley Bergstrand Rank et. al. Rank et. al. Mulligan&McDonald Froorne Corson&Lorraine Karolus Hetmberger Simkin et. al. I.T.T. Staff Bay,Luther&White Evenson Blaney C.C.D.M.(France) " |
1675.0 |
301.300 |
Det er derfor metode 1 som danner grunnlaget for påstanden om at lyshastigheta har forandret seg. Nå har det vært gjort målinger av lyshastigheten de siste 300 årene fra 1675 . Se tabellen til venstre. Det er også klart at de eldste målingene var mer unøyaktige enn de som er gjort seinere. Men usikkerheter til tross, det synes likevel å være en klar tendens til at lyshastigheta har avtatt disse årene. De som vil lese mer om usikkerheter og målemetoder kan finne endel tekniske data i Barry Setterfields bok: "The velocity of light and the age of the univers". Vi vil her bare kort skissere noen momenter.
Først litt om hvordan de første lysmålingene ble gjort. Rømer(1675) observerte at månene rundt Jupiter kom fram seinere jo større avstanden mellom Jupiter og jorda var. Siden månene etter alt å dømme går med jevn hastighet rundt Jupiter må denne forsinkelsen skyldes at lyset trenger ekstra tid for å gå den ekstra avstanden. Ved å beregne ekstra avstanden (Ds) og tidsforsinkelsen, kunne han så regne ut lyshastigheta. På Rømers tid fikk man riktignok verdien 292 000 km/s, men erstatter man de lengdemålene som var brukt da med moderne verdier far man verdien 301 300 km/s. Det er verd å merke seg at det her er snakk om en forsinkelse på flere minutter og det er derfor tilstrekkelig å ha ei klokke med nøyaktighet i størrelseorden ett sekund.
Et annet prinsipp som ble brukt seinere for å male lyshastigheta, var å bruke et langt ror med speil i enden. Her kunne man så pumpe ut luften for å finne lyshastigheta i vakuum. Ved å rotere ei skive med et eller flere snitt i kunne man utfra rotasjonshastigheta beregne hvor lang tid lyset trengte fram og tilbake i røret.
VARIASJONSKURVA
For å kunne si noe mer om hvordan lyshastigheta har
avtatt ble resultatene fra tabellen foran puttet inn i en datamaskin
sammen med usikkerheter i målemetodene. Den kurva som da stemte best
medmåleresultatene var den som er vist til venstre sammen med den
matematiske formelen. Man prøvde også og tilpasse resultatene til en
konstant lyshastighet, men dette gav svært lite samsvar mellom teori og
observasjoner.
Nå er det to kommentarer som er nødvendig her. For det første vil kurva gå mot uendelig for ca. 6 000 ar siden. Det er i praksis vanskelig å tenke seg at lyshastigheta har vært uendelig og kurva bør derfor stoppes et eller annet sted. Setterfield "stoppet" kurva da den var ca 5·1011 ganger høyere enn den er nå. Ved å gjøre det fikk han tilpasset endel kjente radioaktive aldersbestemmelser innen rammen på 6 000 år (kosmisk tid). Det er også nødvendig å se litt på den andre enden av kurva. Ifølge målingene som er gjort synes det som om minkningen av lyshastigheta har stoppet opp omkring 1960. Nå kan vel dette synes å være litt "unaturlig" i første omgang. Ifølge formelen foran skulle lyshastigheta begynt å stige igjen fra dette tidspunktet. Til dette er det bare å si at man av og til bruker en formel bare mellom 0 og 90 grader i fysikken, og det er også dette som er gjort her. Det betyr at formelen ikke gjelder etter 1960 da lyshastigheta da har nådd et naturlig eller stabilt leie. Man kan på en måte sammenlikne lyshastigheta med et strikk. Et strikk kan strekkes ut. Når det så slippes vil lengda følge en bestemt kurve inntil den når en stabil verdi.
Nå er det naturlig at man reagerer på det som er nevnt her. Hovedgrunnen er kanskje at en alder på universet på 6 000 år strider imot mye av det vi har hørt og lest om andre steder. Dessuten vil nok endel fysikere umiddelbart anta at en variasjon av fysikkens kanskje mest grunnleggende størrelse vil føre til endel uholdbare konsekvenser. Vi vil her kort se på noen av de konsekvensene en minkning av lyshastigheta får for resten av fysikken.
Hvis lyshastigheta har variert i fortida er det nødvendig å anta at også andre fysiske størrelser har forandret seg. Til venstre vises en oversikt over de størrelsene som har forandret seg. Generelt sett kan man si at alle lengder (bølgelengder osv.) energien i de ulike prosessene og kosmisk tid (T) har forblitt uforandret.
Elektromagnetiske frekvenser, de fleste hastighetene og den radioaktive nedbrytningstida var større da lyshastigheta var større. De varierer altså proporsjonalt med c( ~ c) Dette forklarer da hvorfor radioaktive prøver som kanskje viser en alder på 4 milliarder år (atomær tid) kan ha rukket å omdanne så mye radioaktivt stoff i løpet av 6 000 år.
Ellers kan vi nevne at hvilemassen har variert som 1/c2, Plancks konstant som 1/c og gravitasjonskonstanten som c4. Sammenhengen mellom kosmisk tid og atomær tid er T=ct. For å klargjøre forskjellen på disse kan vi si at alle solur og pendelur viser kosmisk tid. Atomur derimot viser atomær tid.
Newtons mekanikk kan ikke brukes direkte til å beregne kosmiske forhold bakover i tida. Dette skyldes at den bruker hvilemassen(m0). Ifølge Einsteins generelle relativitetsteori og C-decay-modellen er det ikke hvilemassen, men totalenergien E=mc2 som tiltrekkes av andre masser og motsetter seg akselerasjon. Hvis vi erstatter m0 med mc2 i Newtons ligninger får man et riktigere inntrykk av hva som er bevart. For å gjøre dette korrekt er det imidlertid nødvendig å forandre på enhetene (hvilemasseenheter må erstattes med gravitasjonsenheter)og da dette kan virke forvirrende vil vi ikke gjøre dette her. Resultatet blir at gravitasjonskrefter og bevegelser i universet ikke har forandret seg i universets historie. Jordas rundetid rundt sola har for eksempel vært uforandret.
UNIVERSETS HISTORIE
Vi vil nå kort skissere hvordan Setterfield tenker seg
at universets historie har forløpt. Det er tydelig at hans beskrivelse av
universets begynnelse eller skapelse er inspirert av bibelens
skapelseberetning. Vi vil imidlertid her legge vekt på å se om hans
beskrivelser stemmer med de observasjonene av universet som vi har
beskrevet foran.
Setterfield beskriver en 6-dagers periode hvor lyshastigheta var ca 5·1011 ganger så høy som nå. Etter denne perioden ble da Lyshastigheta sluppet, og den avtok da som skissert i kurva foran. I starten av 6-dagers perioden ble så alt skapt. De ulike stjerner tentes da etterhvert utover i denne perioden..De stjernene som man i dag regner med er omkring 10 milliarder år (atomær tid) skal da ha blitt tent den første dagen. Sola som er ca. 5 milliarder år skulle da blitt tent omkring den fjerde dagen. Siden alle radioaktive prosesser var mye raskere i denne første 6-dagersperioden kunne det bare to dager fra ei stjerne eller galakse tentes og til den for eksempel eksploderte på grunn av den raske energiutviklinga. ifølge denne modellen er de store radiokildene i universet rester fra slike galakse-eksplosjoner, mens kvasarene er galakser som har Nådd sitt maksimum rett etter 6-dagers perioden.
Om universet utvider seg og har utvidet seg i fortida er foreløpig uklart ifølge denne modellen. Spiralformen av galaksene og den kosmiske bakgrunnstrålinga kan muligens forklares som en følge av en tidligere "utstrekking" av universet. På grunn av problemene som er knyttet til utvidelsen av universet generelt, vil vi her anta at universet ble skapt noenlunde i sin nåværende form.
FORKLARINGER AV ENKELTE OBSERVASJONER
Den rødforskyvninga vi observerer fra de fjerneste galaksene skal ifølge
denne modellen være et direkte resultat av at lyshastigheta har avtatt
mens lyset var underveis. Det som har skjedd er på en måte at
brytningsindeksen i rommet har økt.Tilsvarende effekt har man observert
når man har sendt glassprismer gjennom ei lysstrale slik som figuren til
venstre viser. Den totale brytningsindeksen øker mellom lyskilden og
observatøren når prismet gradvis opptar en større del av mellomrommet.
Rødforskyvninga blir da et mål for hvor lenge lyset har vært underveis og
man kan ved hjelp av formler beregne hvor store avstander de ulike
rødforskyvningene tilsvarer.
Det er imidlertid karakteristisk at avstandene ikke blir så store som de avstandene som man vanligvis opererer med ifølge Big-Bang-modellen. Det betyr for eksempel at kvasarene ikke er så langt borte som man vanligvis antar. Det betyr igjen at de ikke er så "gåtefulle" som det ofte har vært antydet. Dette betyr også at endel av missing mass-problemene til noen galaksehoper forsvinner. Når man går over fra å anta at variasjon i rødforskyvning skyldes hastighetsforskjell,til å anta at den har sin årsak i at lyset fra de fjerneste delene har brukt litt lenger tid for å nå oss, vil man i flere tilfeller oppleve at galaksehopenes synlige masse er nok til å binde dem sammen gravitasjonsmessig.
Når det gjelder å forklare årsaken tilden høye graden av orden som finnes i universet(planetsystemet, livet på jorda ol.) er deten viss forskjell på de to modellene. C-decay-modellen regner som sagt med en utenomvitenskapeligeller overnaturlig skaper som har grepet innog ordnet disse tingene i løpet av 6-dagersperioden. De fleste som forsvarer Big-Bang-modellen regner med at alt somfinnes i universet kan forklares som etresultat av Big-Bang. Det er da bare årsakentil selve "Big Bang" som er overnaturlig påden måten at vi ikke kan forklare det ved hjelpav kjente naturlover.
E4 Oppsummering
Vi er nå ferdig med presentasjonen av våre to kosmologiske modeller. Forhåpentligvis har de skapt reaksjoner og spørsmål hos leseren som kan danne utgangspunkt for diskusjoner og videre studier. Det er vanlig at mennesker reagerer på nye ideer med skepsis. C-decay-modellen bryter med endel moderne forestillinger. Noen vil kanskje derfor avvise den som uvitenskapelig med en gang. De fleste vil forhåpentligvis vurdere argumentene for og imot for de tar noen endelig avgjørelse.
Som nevnt finnes det ikke noen endelige beviser som kan avgjøre hvilken kosmologisk modell som er riktig, og det blir da opp til den enkelte å velge hva han vil tro. Ofte spiller ulike følelser og andres meininger en viktig rolle i denne sammenhengen, men det er også mulig å resonnere seg fram til en selvstendig mening utfra kunnskaper om det som er nevnt i dette heftet.
Hva er det da som egentlig skiller de to forannevnte modellene? Når det gjelder det nåværende universet er det ikke noen grunnleggende forskjell. Universets størrelse og form samt stjernenes natur forklares altså noenlunde likt i de to modellene. Det som skiller dem har med opprinnelsen til universet å gjøre. Nå opererer de riktignok begge med en overnaturlig eller utenom naturlig skapelse. Med overnaturlig forstår vi da noe som ikke kan forklares ved hjelp av kjente naturlover. Hovedforskjellen er da at universet ifølge C-decay-modellen ble skapt i "ferdig form" omtrent slik vi ser det i dag, mens universet ifølge Big-Bang-modellen ble skapt i en "uferdig form" som siden, ved hjelp av naturlover, har utviklet seg til det det er i dag. Denne utviklinga har tatt lang tid, og universet er derfor svært gammelt ifølge "Big-Bang" modellen.
I dette heftet har vi prøvd å presentere disse to modellene utfra en vitenskapelig synsvinkel for at den enkelte skal få velge sin modell utfra et mest mulig vitenskapelig grunnlag. For de som savner relativitetsteoriene og kvantemekanikken i det vitenskapelige grunnlaget har vi i tillegget tatt med en begrunnelse for hvorfor disse stort sett er utelatt.
I oppgavene til dette kapittelet har vi referert noen observasjoner og meninger som kan være et utgangspunkt for samtale eller diskusjon. De to første oppgavene er laget for å øke den kvantitative forståelsen for modellene. De er litt større oppgaver hvor man blant annet skal lage diagrammer til modellene.
E5 Oppgaver
1 a) Lag et rom-tid diagram for universet ifølge Big-Bang-modellen. Anta at universet er 10 milliarder år og har utvidet seg med konstanthastighet lik c. (Merk at de verdiene vi bruker her er tilnærmingsverdiersom ofte har en stor grad av usikkerhet.)Tips: La 1 m tilsvare l0l0 år. Forstørr begynnelsen og slutten av tidsaksen (Big-Bang og "her og nå")100 ganger. Se figuren.
b) Marker langs romaksen (nå): Avstanden til Adromedagalaksa.Avstanden til
en fjern galakse 1.5 milliarder lysår borte. Marker langs tidsaksen:
-Når
lys med følgende rodforskyvning ble utsendt: z = 0.1, 0.5, 1, 3, 1000.
-Når
gjennomsnitstettheta universet var: 10-30 kg/dm (1 H gr. m
) (Nå) 10-24 (1 H pr. cm3) (galaksetettheten) 100
(vann:l, jorda:5)
-Når mennesket kom(5·106)
-Når livet oppstod
(3·109)
-Når solsystemet ble til.
-Når galaksene ble til.
-Når
hydrogen og helium ble dannet.
-Når de andre grunnstoffene ble dannet.
-Når de
fjerneste kvasarene sendte utlyset som når oss (z = 2.5).
-"Decoupling
event"
c) Tegn på diagrammet hvordan det lyset som når oss nå har beveget seg. Bruk diagrammet til å finne: Avstanden nå til ei galakse medrødforskyvning Z= 0.1 Avstanden til galaksen da lyset ble utsendt.
d) Universet ovenfor har en radius på 1010 lysår. Hva blir
radien i meter?
Volumet av et krumt rom er:2p2
r3(ikke: (4/3)p r3)
Hva blir volumet av universet?
Hva blir massen av universet? (tetthet:10-30 kg/dm3)
Radius av
et sort hull er: r=2GM/c2 . Hva med universet som helhet?
2 a) Lag et diagram som viser lyshastighetas variasjon ifølge C-decay-modellen. Tips: Anta at universet er 6000 år Forstørr de første 6 dagene. Se fig. La den horisontale aksen fremstille lyshastigheta logaritmisk. Bruk formelen side 75 for å bestemme noen verdier på kurva. Eks: c=10 c0 når sin2kt=1/10 osv, c0 = 3·108 m/s og k=90/6000
b) Hvor mye eldre vil et radioaktivt stoff bli i 6-dagersperioden hvis vi
regner alderen på vanlig måte (atomær tid)? Beregninger viser at et stoff
vil bli ca. 1,8·109 år eldre (atomær tid) i løpet av perioden etter
6-dagersperioden. Hver dag i 6-dagers perioden vil den radioaktive alderen
øke med ca. 1,4·l09år.
Bergarter som inneholder radioaktive stoffer kan ofte aldersbestemmes.
Ifølge denne modellen var de tyngre radioaktive stoffene samlet i kjernen
av stjernene og planetene i begynnelsen. Den korte halveringstida førte
til ei rask oppvarming, og de radioaktive stoffene ble da etterhvert
presset sammen med andre stoffer opp mot overflata. Her ble de med i
bergarter som ble dannet. Vulkaner og andre oppkommer avsatte så nye
stoffer oppå de gamle og dette er grunnen til at de yngste bergartene som
regel ligger øverst.
Bergartene på månen er aldersbestemt til fra 2-5 milliarder år. Når ble
disse dannet ifølge C-decay-modellen? På jorda har man funnet bergarter
med tilsvarende aldrer. Eldste i Norge er ca. 3 milliarder år. Store deler
av skifer, kalkstein og sandsteinsbergartene er imidlertid aldersbestemt
til omkring 0.5 milliarder år. Hva betyr det? Setterfield mener at disse
ble avsatt under en stor flomkatastrofe med fjellfoldninger og
vulkanutbrudd og tilhørende istid på grunn av aske i atmosfæren, som
rammet jorda omkring år 2500 før Kristus.
Ved hjelp av ulike metoder har man beregnet at stjernene har en alder lik
5-10 milliarder år. Når tentes så disse ifølge C-decay-modellen? Generelt
kan man si at de største stjernene tentes først, og noen av disse har da
endt som supernovaer på grunn av rask energiutvikling.
c) Hvor langt har lyset beveget seg siden lyshastigheta begynte å avta? Anslå ved hjelp av diagrammet (a) og kurva side 77 Når omtrent en kvasar med rødforskyvning z=0.5 sendte ut det lyset som når oss. Ser vi noen himmellegemer slik de var i 6-dagersperioden?
d) Hvis radioaktiviteten og lyshastigheta var større for ville sola sende mer energi (pr. kosmisk tid) til jorda. Hvorfor betyr ikke det nødvendigvis at jorda ble overopphetet? Setterfield regner med at det var lite radioaktiv stråling på jorda i begynnelsen på tross av den korte halveringstida. Hva kan dette skyldes?
Nedenfor følger utsagn som kanskje bryter litt med den vanlige oppfatninga om at Big-Bang-modellen er vitenskapelig godt fundert. Diskuter utfra klippene og hjelpespørsmålene hva grunnen til uenighetene kan være. Prøv også å trekke konsekvenser av de ulike synene. Studer gjerne også annen litteratur omkring emnet og se hva denne sier om de problemene som er tatt opp her.
3 J.Narlikar har skrevet en artikkel i New Scientist 91(1981) (Was there å
big bang), hvor han blant annet spør om den kosmiske bakgrunnstrålinga er
et godt argument for Big-Bang. Betyr det for eksempel noe i denne
sammenhengen at også den kosmiske røntgenstrålinga synes å være isotrop?
Hva kan årsaken til disse strålingene være?
Narlikar remarks: This energy density is not too different from the energy
densities observed in other astrophysical phenomena in the universe, such
as starlight, cosmic rays, galactic magnetic fields and so on. Does this
mean that the microwave background also is of astrophysical origin and not
å relic of the big bang?
4 Halton Arp har skrevet en artikkel i Science 174(1971) (Observational
paradoxes in Extragalactic Astronomy), hvor han nevner en rekke argumenter
for at kvasarene ikke er så fjerne som rødforskyvninga tilsier. Hvilke
konsekvenser vil det få for modellene foran hvis kvasarene er nære
himmellegemer?
When starlike sources of radio noise være discovered, the
feature that made these "quasars" so remarkable was their very high red
shifts. Estimating their distances from the relation between red shift and
distance for normal galaxies yielded luminosities that være of the order
of hundreds to thousands of times brighter than those of normal .
galaxies. The brightest quasar in ap parent magnitude, 3C 273, for
example, was calculated on this basis to be radiating about 1047 ergs per
second, an amount that would be generated by converting completely into
energy 1 solar mass per year. At their red-shift distances some quasars
would be even more luminous. Known energy-genera tion mechanisms, of
course, are much less efficient than any hypothetical total conversion of
mass to energy.
An additional difficulty is that some quasars are observed to vary is
optical and radio brightness. This observation means that the amount of
energy that undergoes å time fluctuation must be enclosed within å region
that has å maximum diameter of, in some cases, no more than å few
light-days. This limitation leads to exceedingly high energy densities and
difficulties in get ting the photons of light out of the object without
excessive numbers of collisions with electrons.
It is just possible to construct models of synchrotron energy generation
that work under such restrictions, but these models require very special
assumptions. Most recently (S), very-longbase-line radio observations of
the quasar 3C 279 have indicated two equal sources of radio emission which
appear to be separating at the rate of about ten times the velocity of
light if the red-shift distance to the quasar is assumed to be valid. Here
again, very special models are required to explain such results without
calling into question the values for certain accepted physical constants,
such as the velocity of light.
5 Niegel Henbest har skrevet en artikkel i New Scientist 93(1982) (Crab nebula's halo betrays hidden past), hvor han forteller at han lette etter større konsentrasjoner av stoffer som oksygen og karbon i krabbetåka som er et resultat av en supernova. ifølge big-bang-modellen har slike stoffer blitt dannet i stjerners indre og så blitt spredt gjennom supernovaer. Han fant ikke det han ventet. Hvor kan årsaken til uoverensstemmelsen ligge?
6 Se klippet fra store norske leksikon. Er det fordi vitenskapen er kommet
for kort, eller er det fordi big-bang-modellen er feil at solsystemets
opprinnelse er så vanskelig å forklare ?
Solsystemets opprinnelse. Problemet om solsystemets opprinnelse og
utvikling er et av de vanskeligste i kosmogonien. En rekke meget plausible
løsninger er blitt gitt, men ingen har ennå vært helt tilfredsstillende.
De hypoteser og teorier som er satt fram kan deles i to hovedgrupper. En
gruppe forutsetter at system et ble formet som et resultat av
vekselvirkningen mellom Solen og ett eller flere andre himmellegemer. Den
annen gruppe forutsetter at systemet ble formet som et resultat av en
langsom utvikling av en urmasse. Hvis den riktige løsningen er å finne i
den første gruppen er dannelse av solsystem en meget sjelden foreteelse.
Hvis den er å finne i den andre, og det svnes overveiende sannsynlig, er
det en helt alminnelig pr6sess, og man må regne med at det bare innenfor
vårt eget melkeveisystem finnes flere mill. solsystemer på forskjellige
utviklingstrinn. TR
7 G.B.Burbidge skrev blant annet dette i en artikkel i Nature 233(1971):
Er big-bang-modellen verdifull som bakgrunn for å forstå universet?
Was there really å big bang? I believe that the answer clearly must be
that we do not know, and that if we are ever to find an answer much more
effort must be devoted to cosmological tests, with å much more openminded
approach, and that much more original thinking must be done to attempt to
explain the large amount of observational material, and not only that
material that can be used in å narrow sense to fit preconceived ideas.
Probably the best argument in favour of å beginning is the general result
that the ages of many stars in our galaxy are approximately equal to H-'.
Probably the strongest argument against å big bang is that when we come to
the universe in total and the large number of complex condensed objects in
it, the theory is able to explain so little.
8 Edward R.Harrison har skrevet det som står til høyre om målsettingen for
kosmologien og den muligheten at universet er blitt til for 6000 ar siden
i en kompleks form. Hentet fra boka "Cosmology: the science of the
universe" Er målsettinga nøytral?
..... The aim of cosmology is to explain the
universe with initial conditions that are as simple as possible.
If the universe was created 6000 years ago, or even yesterday, it was
created in å fantastically complex state. Stars være created already in
their various stages of evolution; the light that stars had supposedly
emitted tens of thousands of years ago was created in the act of traveling
toward us; fossils være created in the surface of the Earth with
deceptively long ages; and so on. From å scientific viewpoint the universe
becomes å giant hoax.
Belief that things are created within the universe is as old as cosmology.
Then came science with its insistence that elementary constituents are
conserved and only their combinations are created and destroyed. We now
have conservation laws of energy, momentum, electric charge, and other
things, and whenever å conservation law fails we search for å new and
deeper law of conservation.