 | Heimsfræði„Jörðin er afar lítið svið á stórum alheimsleikvangi. Hugsaðu þér hversu miklu blóði var úthellt af hershöfðingjum og keisurum, til þess að þeir, í dýrð og sigurvímu sinni, gætu orðið tímabundnir herrar á agnarsmáum hluta punkts.” |
| Efnisyfirlit |
| Meira um heimsfræði |
Heimsfræði (e. Cosmology) er sú grein stjörnufræðinnar sem fæst við upphaf, þróun og endanleg örlög alheimsins. Orðið „cosmology“ á rætur að rekja til gríska orðsins „cosmologia“ sem samansett er úr orðunum „cosmos“, sem þýðir alheimur (eða skipulag, cosmos er andstæða við chaos eða ringulreið), og „logia“ sem merkir orðræða. Heimsfræðin er gríðarlega víðfeðm vísindagrein þar sem hún fæst bæði við eðlisfræði hins örsmáa og risastóra; allt frá öreindum til stjarna, vetrarbrauta og alheimsins í heild sinni. Það er þetta samband sem gerir heimsfræðinni mögulegt að varpa ljósi á innsta eðli alheimsins og leika þannig lykilhlutverk í að svara erfiðustu en um leið mest heillandi spurningum vísindanna.
Með sanni má segja að heimsfræðin sé mjög samtvinnuð sögu mannkyns enda fæst hún við dýpstu hugleiðingar okkar um veröldina. Heimsfræði hefur þannig verið viðfangsefni heimspeki og trúarbragða í þúsundir ára. Það er þó ekki fyrr en nú, á síðastliðinni öld eða svo, sem okkur hefur tekist að svara sumum þessara spurninga með sannfærandi hætti með aðferðum vísindanna.
Heimsmynd nútíma stjarnvísinda gerir ráð fyrir því að heimurinn hafi orðið til við Miklahvell fyrir um 13,7 milljörðum ára. Stjörnufræðingar hafa komist að þessari niðurstöðu með geysisterkum sönnunargögnum sem aflað hefur verið með athugunum tilraunum og kenningasmíðum.
Allar athuganir okkar af alheiminum eru gerðar út frá okkar eigin sjónarhorni hér á jörðinni og hefur það vissulega áhrif á niðurstöðurnar. Þegar stjörnufræðingar túlka stjarnfræðileg gögn hefur reynslan sýnt okkur að gera á engan hátt ráð fyrir því að jörðin gæti einhverrar forréttindastöðu í alheiminum.Við erum hvorki í miðju sólkerfisins né miðju Vetrarbrautarinnar. Því virðist skynsamlegast og óhætt að gera ráð fyrir því að við séum heldur ekki í miðju alheimsins. Þessi ályktun - að við njótum engrar forréttindastöðu í alheiminum og að sömu lögmál gildi um öll fyrirbærin í alheiminum og gilda á jörðinni - er oft kölluð Kóperníkusarreglan og er mjög oft notuð þegar við túlkum gögn sem við höfum aflað.
Það er í senn ótrúlegt og dásamlegt að hugsa til þess að skilningur á kenningunni um Miklahvell er á færi allra. Kenningin er sáraeinföld og glæsileg því hún er að miklu leyti byggð á reglum sem allir læra í eðlisfræði í grunn- og framhaldsskóla. Á sama hátt og þróunarkenning Darwins er vel skiljanleg flestu fólki er hægt að útskýra Miklahvellskenninguna á þann hátt að allir skilji. Fátt er jafn stórkostlegt og að skilja hvernig heimurinn sem maður býr í varð til.
Risavaxinn alheimur
Alheimurinn er risastór. Hann er miklu stærri en þú getur nokkurn tíma ímyndað þér. Til þess að reyna að gera okkur örlitla grein fyrir stærð hans skulum við setja upp eftirfarandi líkan.
Við búum á reikistjörnu sem við köllum jörð. Jörðin er lítil reikistjarna sem ferðast í kringum sólina ásamt átta öðrum reikistjörnum. Sólin elur af sér líf á jörðinni og er stórkostleg afleiðing þróunar í alheiminum, aðeins ein af gífurlegum fjölda sólstjarna í alheiminum. Stjörnurnar sem við sjáum á heiðskírri nóttu eru miklu fjarlægari en sólin okkar. Stjarnan sem er næst okkur, Proxima Centauri, er í 4,2 ljósára fjarlægð en vegna fjarlægðarinnar virðast okkur stjörnur vera lítið annað en daufir ljóspunktar á himninum. Umhverfis margar þessar stjörnur er einnig að finna reikistjörnur sem sumar hverjar eru ef til vill iðandi af framandi lífi.
Ef við ímyndum okkur að sólin sé á stærð við fótbolta, staðsett á Ingólfstorgi, myndi jörðin vera á stærð við poppbaun í um 32 metra fjarlægð. Fjarlægasta reikistjarnan, Neptúnus, væri staðsett á Hlemmi. Í þessu líkani væri Proxima Centauri staðsett í miðri Afríku!
Sólin okkar og allar aðrar stjörnur sem við sjáum með berum augum á himninum byggja risavaxana stjörnuþyrpingu sem við köllum Vetrarbraut. Allar stjörnurnar í vetrarbrautinni, sólin þar með talin, snúast umhverfis miðju hennar á milljónum árum. Vetrarbrautin okkar er skífulaga, líkt og geisladiskur, og um hundrað þúsund ljósár í þvermál. Það tekur ljósið með öðrum orðum hundrað þúsund ár að ferðast þvert yfir Vetrarbrautina. Þótt ekki sé nákvæm tala á fjölda stjarna í Vetrarbrautinni þykir líklegt að þær telji yfir hundrað milljarða. Hundrað milljarðar stjarna í glæsilegri stjörnuþyrpingu sem samt er svo gisin að fjarlægðin milli þeirra mælist í ljósárum.
Vetrarbrautin er líkt og sólin ekki einsömul. Í alheiminum eru til hundruð milljarðar vetrarbrauta líkt og okkar þar sem hver og ein inniheldur hundruð milljarða stjarna og fjarlægðin svo geysileg að hún mælist í milljónum ljósára. Í ofanálag eru til stórar vetrarbrautaþyrpingar sem tilheyra sjálfar reginþyrpingum vetrarbrauta. Gróflegar áætlanir gera ráð fyrir að í alheiminum okkar séu um 100 milljarðar vetrarbrauta af öllum stærðum og gerðum. Ímyndaðu þér 100 milljarða vetrarbrauta sem hver inniheldur hundruð milljarða stjarna! Fjöldi sólstjarna í alheiminum væri þá eitthvað í kringum 10.000.000.000.000.000.000.000. „Í alheiminum eru til fleiri stjörnur en sandkorn á öllum ströndum jarðar,“ svo vitnað sé til orða Carl Sagan úr Cosmos-sjónvarpsþáttunum.
Þegar við skoðum stöðu okkar í alheiminum verður okkur ljóst hversu lítilfjörleg við erum. Mannkynið er örsmá tegund á agnarlítilli reikistjörnu sem sveimar umhverfis litla sólstjörnu, týnd í feyknarstórri vetrarbraut sem rekur um djúpviði geimsins. Við erum ekki stödd í miðju eins né neins. Staða okkar er ekki á neinn hátt sérstök. Við höfum enga forréttindastöðu í alheiminum líkt og forfeður okkur töldu lengi vel.
Horft aftur í tímann
Þegar við horfum út í himingeiminn á stjörnubjartri nóttu erum við að horfa langt aftur í tímann. Allt sem við sjáum berst til okkar utan úr geimnum með ljósi. Ljósið ferðast gífurlega hratt (en þó endanlega hratt) eða á um 300.000 km/s. Þegar við lítum á tiltekna stjörnu í 50 ljósára fjarlægð sjáum við hana eins og hún leit út fyrir 50 árum. Við sjáum alheiminn ekki eins og hann er heldur eins og hann var. Stjarnan sem um ræðir gæti þess vegna þegar hafa lokið ævi sinni í gífurlegri sprengingu; við munum einfaldlega ekki vita það fyrr en ljósið frá sprengingunni berst til okkar.
Ljós sem við sjáum frá stjörnu í 60.000 ljósára fjarlægð lagði af stað þegar mannkynið var tiltölulega nýlega komið fram á jörðinni. Vetrarbrautir í milljón ljósára fjarlægð birtast okkur eins og þær voru fyrir milljónum ára. Ljósið frá einhverri þeirra hefur lagt af stað þegar risaeðlurnar gengu um jörðina. Beint fyrir augum okkar höfum við því gjörvalla sögu alheimsins, en hversu langt getum við séð? Það gefur auga leið að því lengra sem við horfum út í alheiminn, þeim mun yngri var hann. Ef alheimurinn er endanlega gamall hefur hann augljóslega átt sér upphaf. Hin fræðilegu endimörk hins sýnilega alheims eru þar af leiðandi upphaf hans! Við ættum því fræðilega séð að geta séð aftur að upphafni.
Óendanlega eða endanalega gamall alheimur?
Á alheimurinn sér upphaf? Er alheimurinn endanlegur? Þessar spurningar eiga rætur að rekja langt aftur í tíma. Á fyrstu öld fyrir Krist ritaði rómverski heimspekingurinn Lúkretíus (ca. 94-49 f.Kr.) til dæmis að „Alheimurinn [ætti] sér hvergi jaðar. Ef svo væri hefði hann endimörk einhvers staðar. Augljóslega getur ekkert haft endimörk án þess að nokkuð sé utan þeirra...“ Við nánari íhugun er ljóst að fjórir möguleikar koma til greina, það er að alheimurinn sé:
a) óendanlega stór og óendanlega gamall,
b) óendanlega stór og endanlega gamall,
c) endanlega stór og óendanlega gamall,
d) endanlega stór og endanlega gamall.
Heimsmynd Ísaks Newtons gekk út á stöðugan og óendanlega stóran alheim. Vegna þessara staðhæfinga hans spratt upp fjöldi þversagna og eru þversagnir Olbers og Bentleys þeirra þekktastar.
Þversögn Bentleys
 |
| Richard Bentley |
Eftir að Principia Mathematica Newtons kom út varð mönnum ljóst að í henni voru alvarlega þversagnir varðandi alheiminn. Í bréfi til Newtons benti klerkurinn Richard Bentley á augljósan galla í heimsmynd þess fyrrnefnda. Þar sem þyngdarkrafturinn er alltaf aðdráttarkraftur myndu söfn stjarna alltaf dragast saman hvert í annað. Ef alheimurinn er endanlegur myndu allar stjörnur hafa dregist að hver annarri og hrunið saman í hrikalegum hamförum. Það hefur þó greinilega ekki gerst ennþá.
Ef alheimurinn væri á hinn bóginn óendanlegur myndi togkrafturinn sem verkar frá báðum áttum á sérhvern hlut vera óendanlegur og rífa hann í sundur. Þannig myndi þyngdarkrafturinn frá öllum efnismassa alheimsins rífa allar stjörnur í sundur. Það hefur greinilega ekki heldur gerst. Newton hefur vafalítið brugðið nokkuð við að lesa bréf Bentleys en tókst þó að svara með því að fullyrða að í óendanlegum einsleitum alheimi gæti jafnvægi haldist ef engar ójöfnur væru til staðar. Slíkt ástand er gífurlega erfitt að viðhalda og héngu rök Newtons á bláþræði. Þessu má ef til vill líkja við að reisa blýant upp á oddinum. Til þess að hann haldist uppi þarf að stilla honum upp með mikilli nákvæmni og við minnstu röskun fellur hann. Newton fór þá auðveldu leiðina og dró þá ályktun að almættið hlyti að grípa inn í til að viðhalda stöðugleika alheimsins.
Við nánari skoðun á þversögn Bentleys getum við útilokað að alheimurinn sé c) óendanlega gamall og endanlega stór.
Þversögn Olbers
 |
| Heinrich Olbers |
Þversögn Olbers vafðist mjög fyrir heimspekingum og náttúrufræðingum í langan tíma þrátt fyrir að vera ótrúlega einföld. Þversögninni var fyrst almennt lýst af þýska stjörnufræðingnum Heinrich Olbers (1758-1840) árið 1826 þótt margir þekktir náttúrufræðingar hafi vakið athygli á henni fyrr, til dæmis Jóhannes Kepler árið 1610 auk Edmunds Halleys á átjándu öld. Þversögn Olbers byggir á þeirri einföldu athugun að himinninn er dimmur á næturnar en ekki skínandi bjartur. Hvers vegna?
Sá sem rambaði fyrstur á rétta lausn á þversögn Olbers var bandaríska ljóðskáldið og rithöfundurinn Edgar Allan Poe. Í ljóði sínu Eureka segir Poe að ástæða þess að við sjáum ekki stjörnur, hvert sem litið er, sé sú að ljósið frá þeim hefur ekki haft nægan tíma til að berast til okkar. Alheimurinn er með öðrum orðum of ungur til að himinninn sé logandi bjartur.
Það er ótrúlegt að hugsa til þess að svo einfaldur og sjálfsagður hlutur eins og myrkur næturinnar skuli hafa svona miklar heimsfræðilegar afleiðingar í för með sér. Út frá þessari staðreynd getum við dregið þá ályktun að a) óendanlega stór og óendanlega gamall alheimur er ómögulegur.
Eftir sitjum við með tvo möguleika: Annað hvort er alheimurinn a) endanlega gamall og óendanlega stór, eða b) endanlega gamall og endanlega stór. Til að öðlast betri innsýn í þetta þurfum við að skoða Miklahvellskenninguna og útþenslu alheimsins.
Skyggnst inn í dýpstu innviði alheimsins
Tiltölulega nýlega hefur orðið mögulegt að staðfesta með tilraunum og athugunum lausn Edgars Allan Poe á þversögn Olbers. Árið 2004 var Hubblessjónaukanum gert að skyggnast dýpra inn í geiminn (og þar með aftur í fortíðina) en nokkurn tímann áður hefur verið gert. Sjónanukanum var beint á stað á himninum á stærð við títuprjónshaus sem haldið er með útréttum armi og ljósinu þaðan safna í yfir ellefu daga samtals! Afraskturinn er ein stórfenglegasta ljósmynd sem tekin hefur verið af alheiminum sem við búum í.
Á myndinni má sjá yfir tíu þúsund kornungar vetrarbrautir í næstum 13 milljarða ljósára fjarlægð – ljósið frá fjarlægasta punktinum á þessari mynd var 13 milljarða ára á leið til jarðar. Nýjustu athuganir benda til þess að alheimurinn sé 13,7 milljarða ára gamall sem þýðir að ljósið frá vetrarbrautunum á mynd Hubbles hefur hefur naumlega haft nægan tíma til að berast okkur. Þessar ungu eða fornu vetrarbrautir eru svo til nýmyndaðar eftir Miklahvell. Því má segja að á myndinni sjáist í raun endir upphafsins. Þetta eru hin sýnilegu endimörk stjarna og vetrarbrauta.
Svo áhrifamikil mynd vekur aðeins upp fleiri enn áhugaverðari spurningum en hún svarar. Hvað ætli sé að finna handan fjarlægustu vetrarbrautarinnar? Á myndinni er augljóst að ekkert nema svarta myrkur er milli vetrarbrautanna. Það er þetta kolniðarmyrkur sem veldur því að næturhimininn er dimmur hjá okkur.
Aftur á móti leynist ljós í þessu myrki sem við sjáum ekki með berum augum. Ljósið er á formi örbylgna sem augu okkar geta ekki greint svo það eina sem við sjáum er myrkrið. Gætu augu okkar greint örbylgjur sæjum við himinn löðrandi í björtum örbylgjuklið hvert sem litið væri. Örbylgjukliðurinn er eftirgeislun upphafsins, Miklahvells, og hefur verið mældur með gríðarlegri nákvæmni.
Lokasvarið við þversögninni er því það að himinninn er í raun og veru ekkert svartur. Geislunin er aðeins of dauf til þess að við greinum hana? Hvers vegna? Svarið við þeirri spurningu leiðir okkur að innsta eðli leyndardóma alheimsins.
Heimildir:
- Caroll, Bradley og Ostlie, Dale. 1996. An Introduction to Modern Astrophysics. Addison Wesley, New York.
- Freedman, Roger og Kaufmann, William. 2004. Universe, 7th Edition. W. H. Freeman, New York.
- Kaku, Michio. 2005. Parallel Worlds: A Journey Through Creation, Higher Dimensions, and the Future of the Cosmos. Doubleday, New York.
- Jones, Mark og Lambourne, Robert. 2004. An Introduction to Galaxies and Cosmology. Cambridge University Press, New York.
- Sagan, Carl. 1980. Cosmos. Random House, New York.