43. Hypotesen om et big bang

Ingen ved, hvordan universet så ud for 15 milliarder år siden, eller om der overhovedet var noget univers. Til gengæld mener fysikere og astronomer, at for 13,8 milliarder år siden opstod det univers, vi kender i dag. Det opstod ud fra en ekstremt kompakt og ekstremt varm urtilstand: Tætheden var måske 1093 g/cm3 og temperaturen 1032 grader. Og urtilstanden var selv opstået ud fra et ufatteligt ”big bang”, hvor rummet og tiden blev født. Det oprindelige univers udvidede sig med rasende hast, så det blev større og større, og koldere og koldere. I dag er tætheden faldet til omkring 10-31 g/cm3 og temperaturen til – 270 °C.

Ideen om at verden engang blev til, er mildest talt ikke ny. Den er et centralt dogme ikke blot i kristendommen, men også i Islam og den endnu ældre jødiske religion. Men en ting er religiøse dogmer, noget andet er videnskabelige teorier. Mens det i dag er naturligt at opfatte verden ikke blot som værende i udvikling, men at have udviklet sig fra en begyndelsestilstand, er denne tanke i et historisk og videnskabeligt perspektiv særdeles unaturlig. Den er faktisk så unaturlig, at den først blev fremført i 1931, mere præcist den 9. maj. I dag har big bang-teorien for længst opnået paradigmatisk status. I betragtning af teoriens enorme betydning, er ophavsmanden til ideen om et big bang forbavsende ukendt. Navnet Georges Lemaître (1894-1966) siger de færreste noget.

Stadig i slutningen af 1920’erne var tanken om en verden af en endelig alder fremmed for astronomerne, og vi kan kun i ganske enkelte tilfælde finde hentydninger til denne næsten kætterske idé. Da det et par år senere blev erkendt, at universet udvider sig, ændrede astronomerne ikke umiddelbart deres opfattelse. Den mest populære model for det ekspanderende univers var i 1927 blevet foreslået af den belgiske fysiker og astronom Lemaître, og hans model antog ikke nogen egentlig begyndelse. Modellen blev videre udviklet af den fremtrædende engelske astronom Arthur Eddington (1882-1944) og kendes derfor som Lemaître-Eddington-modellen. Eddington var klar over den teoretiske mulighed for en kosmisk skabelsesakt, men ”på mig virker ideen om en begyndelse på naturens nuværende orden frastødende”, som han sagde i et foredrag i starten af 1931. Lemaître fandt den derimod tiltrækkende, og som svar på Eddingtons holdning udmalede han i en kort artikel fra maj 1931 i tidsskriftet Nature et scenario for universets oprindelse. Sin korthed til trods er Lemaîtres artikel en milepæl i kosmologiens historie, for det var første gang, at en astronom seriøst foreslog og videnskabeligt begrundede, at verden skulle være opstået ud fra en ufattelig kompakt begyndelsestilstand. Det var den første version af big bang-teorien, om end en meget spekulativ version.

I øvrigt var det ironisk nok en indædt modstander af big bang-teorien, astronomen Fred Hoyle (1915-2001), der fandt på navnet. I en BBC-radioudsendelse den 28. marts 1949 kritiserede han ”hypotesen om, at alt stof i universet blev skabt i et big bang på en bestemt tid i den fjerne fortid”. Lemaître selv brød sig ikke om navnet og brugte det aldrig.

Lemaîtres hypotese var, at hele verden var startet i et enkelt ”kvantum” i form af et primitivt og udifferentieret ur-atom. ”Vi kunne opfatte begyndelsen af universet i form af et enkelt atom, hvis atomvægt er den samme som universets samlede masse”, skrev han i artiklen i Nature. ”Dette højst ustabile atom ville adskilles i mindre og mindre atomer ved en slags super-radioaktiv proces.” Den oprindelige tilstand ville have karakter af en slags ”ikke-væren”, for i denne tilstand havde grundlæggende begreber som tid og rum endnu ingen mening. Ved at forestille sig den metaforiske eksplosion af det hypotetiske ur-atom som en radioaktiv kvanteproces sagde han samtidig, at den var tilfældig og uden årsag. Dermed undgik han det klassiske spørgsmål om årsagen til verdens begyndelse og om, hvad der var før den. I overensstemmelse med kvantemekanikken ville det oprindelige ur-atom kunne resultere i den brogede, mangfoldige og umådelige verden, vi lever i, netop fordi denne udvikling ikke var determineret af den oprindelige tilstand.

Senere i 1931 udviklede Lemaître sin vision af verdens skabelse til en egentlig videnskabelig teori baseret på Einsteins ligninger for universet. Denne teori eller model adskilte sig fra senere big bang-modeller ved at starte i en materiel tilstand snarere end i ”ingenting”. Han forestillede sig ur-atomet som en gigantisk atomkerne med en tæthed på 1015 g/cm3, der indeholdt alt stof i universet. Først med den radioaktive eksplosion ville rum og tid skabes, og rummet udvide sig i overensstemmelse med Einsteins ligninger. Ligesom Einsteins statiske univers fra 1917 havde en endelig størrelse, så var også Lemaîtres ekspanderende big bang-univers endeligt.

For så vidt Lemaîtres model beskrev et univers i udvidelse, var den tilfredsstillende. Men var der nogen grund til at tro på, at verden faktisk var startet i eksplosionen af et ur-atom? Var det ikke blot endnu et eksempel på matematisk hjernespind? Det mente mange videnskabsmænd i 1930’erne, hvor man enten høfligt ignorerede teorien eller afviste den som en ”brillant jeu d’esprit”, som en skeptiker formulerede det. Altså – en begavet leg med ord og matematik, men ikke et realistisk bud på verdens oprindelse. En canadisk astronom mente endog, at Lemaîtres hypotese var ”en vild spekulation uden den fjerneste evidens som støtte for den”. Enkelte kritikere antydede, at hypotesen var en videnskabelig version af det religiøse skabelsesdogme – Lemaître var trods alt katolsk præst – men antydningerne er ubegrundede. Hans teori var et forsøg på at forklare universets udvikling, ikke en skabelsesberetning.

Lemaître var ganske klar over, at hans idé om en eksplosiv start på universet måtte kunne begrundes i form af målinger, der gør en sådan start sandsynlig. Han henviste til den kosmiske stråling, der havde været kendt siden 1912 og som består af elektrisk ladede partikler, der fra rummet rammer Jorden. Denne stråling opfattede han som ”hieroglyffer i vort astronomiske bibliotek”, nemlig at partiklerne fra rummet udgjorde de svage rester fra det oprindeligt meget voldsomme radioaktive fyrværkeri. Ligesom man må forstå forstenede knogler som fossiler fra fortidens dyr, så måtte man forstå partiklerne fra den kosmiske stråling som fossiler fra den ultimative eksplosion ved verdens begyndelse. Det var en dristig tanke, der gav hans teori en vis fysisk baggrund, men tanken holdt ikke stik. Den kosmiske stråling er ikke et levn fra big bang, hvilket stod klart senest omkring 1950. Alligevel var Lemaîtres idé ikke helt ved siden af: Der findes levn fra big bang, blot i form af den baggrundsstråling af mikrobølger, der blev påvist i 1965, kort tid før Lemaîtres død.

Big bang-modellen fra 1931 fik aldrig luft under vingerne. Den var kendt blandt astronomer og fysikere, men mindre end en håndfuld tilsluttede sig modellen eller søgte at udvikle den. Dette skyldtes ikke blot konservatisme, men nok så meget at man savnede gode grunde for at tro på den. Lemaîtres teori var simpelthen ikke videnskabeligt overbevisende og blev derfor henvist til en plads på udskiftningsbænken for kosmologiske teorier. Først i slutningen af 1940’erne kom big bang-teorien igen på banen, nu genfødt i en skikkelse, der var væsentlig anderledes end Lemaîtres. Vi skal en tur til Washington, D.C., og den russiske fysiker George Gamow (1904-1968), der i 1933 hoppede af og flyttede til USA.

I et ambitiøst forsøg på at forklare, hvordan grundstofferne var blevet til, konkluderede Gamow i 1948, at de var blevet ”bagt” i et inferno ved universets begyndelse. Som Lemaître antog han en kosmisk begyndelsestilstand og et slags ur-atom, blot var dette en ekstrem kompakt og varm suppe af radioaktive neutroner. Gamows model for big bang-universet var baseret på kernefysiske beregninger af hyppigheden af grundstoffer, hvilket gjorde den interessant blandt fysikere, men ikke blandt astronomer. Det lykkedes ganske vist at beregne hyppigheden af helium i universet til ca. 30 %, men de tungere grundstoffer forblev en gåde. Efter få år mistede fysikere og astronomer interessen for den.

I slutningen af 1950’erne var big bang-modellen altså igen dømt ude. Ti år senere var den dog på banen igen, og denne gang som den dominerende spiller. Teorien for universets fødsel blev selvfødt tre gange, inden modellen var sund og levedygtig. Den nye teori fra 1965 var på mange måder en genoplivning af Gamows oprindelige teori, men den var mere sofistikeret og havde større forklaringskraft. Den kosmiske baggrundsstråling var netop blevet opdaget, og det var ikke mindst forklaringen af dette fænomen, der gjorde den nye big bang-teori til en succes og vendte teorien til den standardteori for universets udvikling, den er også i dag. Den moderne teori er langt mere avanceret og eksperimentelt underbygget end Lemaîtres noget primitive teori om ur-atomet, men i en begrebsmæssig forstand skete det afgørende nybrud med den belgiske fysikers innovative tanker fra 1931.

Når standardmodellen for det tidlige univers i dag har så stor autoritet, skyldes det ikke mindst detaljerede studier af den kosmiske baggrundsstråling, der har bekræftet og raffineret teorien om et big bang. En anden væsentlig årsag er den stadig tættere symbiose mellem kosmologi og elementarpartiklernes fysik, der for alvor begyndte i 1970’erne. Ved hjælp af avanceret partikelfysik er man blevet klogere på det tidlige univers, og omvendt har man brugt big bang-teorien til at afdække partikelfysikkens mysterier. De enorme temperaturer og energier i det tidlige univers overstiger langt, hvad enhver nutidig og fremtidig accelerator vil kunne præstere, og man har betegnet big bang-universet som ”den fattige mands accelerator”.

Ud fra kosmologiske argumenter kunne fysikere i 1980’erne således beregne, at der højst kan være tre typer af neutrinoer, en neutral og næsten masseløs elementarpartikel, hvilket senere blev bekræftet af eksperimenter. Og ved en kombination af kosmologi og partikelfysik fandt man frem til den mængde tung brint (deuterium), der blev skabt i big bang. Man kunne da beregne tætheden af almindeligt stof i universet, hvilket viste, at der må eksistere enorme mængder af ”mørkt stof”, en eksotisk form for stof der endnu ikke er forstået.

Endelig, var big bang virkelig altings begyndelse? Det traditionelle svar er ja, men i sig selv udelukker big bang ikke et tidligere univers, der måske har eksisteret i en uendelighed af tid. Flere fysikere arbejder i dag med teorier for et sådant tidligere univers, der kollapsede i et ”big crunch”, ud af hvilket big bang opstod.