Astrofysikk i lysets hastighet av Neil deGrasse Tyson

Neil deGrasse Tyson

Astrofysikk i lysets hastighet Oversatt av Ute Neumann

Neil deGrasse Tyson Originalens tittel: Astrophysics for people in a hurry Oversatt av Ute Neumann © Neil deGrasse Tyson Published in agreement with W. W. Norton & Company, Inc., 500 Fifth Avenue, New York Astrofysikk i lysets hastighet © CAPPELEN DAMM AS, Oslo, 2018 ISBN 978-82-02-57580-9 1. utgave, 1. opplag 2018 Omslagsdesign: Pete Garceau Norsk tilrettelegging: Miriam Edmunds Omslagsfotografi: © istock.com Sats: Type-it AS Trykk og innbinding: ScandBook UAB, Litauen 2018 Satt i 10,4/14 pkt. Sabon og trykt på 80 g Ensolux Cream 1,8 Materialet i denne publikasjonen er omfattet av åndsverklovens bestemmelser. Uten særskilt avtale med Cappelen Damm AS er enhver eksemplarfremstilling og tilgjengeliggjøring bare tillatt i den utstrekning det er hjemlet i lov eller tillatt gjennom avtale med Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk.

Utnyttelse i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndragning, og kan straffes med bøter eller fengsel. www.cappelendamm.no

Til alle som har det for travelt til å lese tykke bøker, og likevel søker en inngang til kosmos

Innhold Forord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1. Tidenes mest storslåtte fortelling . . . . . . . . . . . . .

2. På jorden som i himmelen . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Det bli lys! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Mellom galaksene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. Mørk materie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6. Mørk energi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7. Kosmos og periodetabellen . . . . . . . . . . . . . . . . .

8. Alt det runde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9. Usynlig lys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10. Mellom planetene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11. Eksoplaneten Jorden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12. Refleksjoner om det kosmiske perspektivet . . . .

13

Takk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Om forfatteren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26 36 46 56 70 86 100 110 124 134 145 157 159

Forord

I de senere årene har det knapt gått en uke uten at det har kommet meldinger om en kosmisk oppdagelse som fortjener krigstyper. Det kan tenkes at portvokterne i media har utviklet en viss interesse for universet, men antagelig skyldes den økte omtalen en genuin økning i publikums appetitt på naturvitenskapelig stoff. Det er mye som tyder på det, fra populære tv-show basert på og vinklet mot naturvitenskapelige temaer, til science fiction-filmer med berømte skuespillere, produsenter og regissører som blir store publikumssuksesser. Biografiske filmer som forteller livshistorien til betydningsfulle forskere lanseres i dag med storslåtte premierer og har blitt en egen sjanger. Over hele verden ser vi at det er stor interesse for vitenskapsfestivaler, science fiction-konferanser og naturvitenskapelige fjernsynsdokumentarer. Verdenshistoriens største bruttokassasuksess er en film der handlingen er lagt til en planet som kretser rundt en fjern stjerne. En berømt regissør står bak, og en kjent skuespillerinne spiller rollen som astrobiolog.

De fleste vitenskapsgrener har hatt et oppsving i vår tid, men astrofysikken overgår dem alle sammen. Jeg tror jeg 9

vet hvorfor. Vi har alle en gang sett opp mot nattehimmelen og spurt oss: Hva er meningen med alt dette? Hvordan fungerer det? Og hva er min rolle i universet?

Jeg har skrevet Astrofysikk i lysets hastighet for deg som ikke har tid til å fordype deg i verdensrommet gjennom forelesninger, lærebøker eller dokumentarer, men som likevel kunne tenke deg en kjapp, men meningsfull innføring i feltet. Ved hjelp av denne lille boken kan du tilegne deg grunnleggende kunnskaper om de viktigste ideene og oppdagelsene som vårt moderne bilde av kosmos er tuftet på. Hvis jeg har lykkes med mitt prosjekt, vil du snart være i stand til å føre en dannet samtale om mitt fagfelt – og det kan jo tenkes at du blir sulten på mer.

Det er ikke universets ansvar at du skal forstå det.

NDT

1

Tidenes mest storslåtte fortelling

For det var ikke ved hensikt, ved sin skarpsindighet, at førstepartiklene ordnet seg, hver og én i riktig rekkefølge; og ikke bestemte de selv hvilke bevegelser de skulle utføre.

Men fordi de var til stede i uendelig antall, og fordi de i all evighet ble jaget gjennom rommet med støt og slag, har de møtt alle tenkelige former for bevegelse og forbindelse for så til sist å falle just i det mønster som har skapt denne vår egen verden. Og slik er vår verden blitt bevart gjennom mange og lange år, efter at den først var kommet i gang.

Lukrets, omtrent 50 f.Kr. I begynnelsen, for nesten fjorten milliarder år siden, fikk hele verdensrommet og all materie og all energi i det kjente universet plass på en billiondel av punktumet som står sist i denne setningen.

Det var så varmt at fundamentalkreftene som sammen har skapt universet, var samlet til ett. Vi vet fortsatt ikke hvordan det oppsto, men det mindre enn knappenålshodestore kosmos kunne ikke annet enn å utvide seg. Det er denne prosessen vi i dag kaller Big Bang eller det store smellet.

13

Vår moderne forståelse av tyngdekraften, som tilsier at masse og energi krummer tid-rommet som omgir dem, skriver seg fra den generelle relativitetsteorien, fremsatt av Albert Einstein i 1916. I 1920-årene kom kvantemekanikken, som bidro med en moderne redegjørelse for alt som er bitte lite: molekyler, atomer og subatomære partikler. Disse to forklaringsmodellene er formelt uforenlige, og dermed startet et kappløp blant fysikere for å kombinere teorien om de små tingene med teorien om de store tingene til én konsistent kvantegravitasjonsteori. Vi er ennå ikke i mål, men vi vet nøyaktig hvor vi finner de største hindrene. Det ene er å finne i «plancktiden» i den tidligste fasen av universet. Plancktiden utgjør tidsintervallet fra t = 0 til t = 10-43 sekunder (et ti-million-billion-billion-billiondels sekund) etter begynnelsen, da universet hadde vokst seg til 10-35 meter (en ett hundre milliarder billiondels meter) i diameter.

Den tyske fysikeren Max Planck, som har gitt navn til disse ufattelig små enhetene, la frem ideen om kvantisert energi i 1900 og regnes vanligvis som kvantemekanikkens far.

Konflikten mellom gravitasjonsteorien og kvantemekanikken utgjør i praksis ikke noe problem i dagens univers.

Astrofysikerne anvender prinsippene og redskapene fra den generelle relativitetsteorien og kvantemekanikken på svært ulike problemstillinger. Men i begynnelsen, i plancktiden, var de store tingene små, og vi mistenker at det må ha vært et slags hastebryllup mellom de to. Men akk, vi kjenner ennå ikke løftene som ble avlagt under seremonien, og dermed er det ingen (kjente) fysiske lover som 14

på pålitelig vis beskriver hvordan universet oppførte seg i dette tidsrommet.

Vi antar imidlertid at tyngdekraften slet seg løs fra de andre, ennå forente fundamentalkreftene mot slutten av plancktiden og slik fikk sin særegne identitet, som er omhyggelig beskrevet i gjeldende teorier. Universet bikket 10-35 sekunder og fortsatte å ekspandere, slik at energitettheten ble mindre, og de resterende forente kreftene delte seg i «elektrosvak kraft» og «sterk kjernekraft». Siden ble den elektrosvake kraften delt i elektromagnetisme og «svak kjernekraft», og dermed står vi igjen med de fire kreftene vi har lært å kjenne og elske: den svake kjernekraften som styrer radioaktiv spalting, den sterke kjernekraften som binder atomkjernen, elektromagnetismen som binder molekyler, og gravitasjonen som binder masse. * Det har nå gått et billiondels sekund siden starten. * Imens fortsatte vekselspillet mellom masse i form av subatomære partikler, og energi i form av fotoner (masseløse lyspartikler som er like mye bølger som partikler). Temperaturen var så høy at fotonenes energi spontant kunne omdannes til partikkelpar bestående av masse og antimasse, som straks annihilerte og tilbakeførte sin energi til fotoner. Ja visst, antimasse finnes! Og det var vi som oppdaget den, ikke science fiction-forfatterne. Einstein beskrev denne kuriøse prosessen i sin mest berømte ligning: E = mc2. Det er en toveis oppskrift på hvor mye 15

masse som tilsvarer en gitt mengde energi, og hvor mye energi som tilsvarer en gitt masse. c2 er lyshastigheten opphøyd i annen potens – et stort tall som ganges med massen og viser oss hvor mye energi man får ut av prosessen.

Rett før, mens og etter at den sterke kjernekraften og de elektrosvake kreftene skilte lag, var universet en sydende suppe av kvarker, leptoner og de tilsvarende antipartiklene, og bosoner, som er de partiklene som muliggjør vekselspillet mellom dem. Ingen av disse partikkeltypene antas å kunne deles i mindre eller enklere bestanddeler, selv om de alle finnes i ymse varianter. Det alminnelige fotonet tilhører boson-familien. De leptonene som er mest kjent blant lekfolk, er elektroner, og kanskje også nøytrinoer, og de mest kjente kvarkene er … nei, det finnes nok ingen kjente kvarker. Alle de seks underartene har fått abstrakte navn som ikke gir mening på noe filologisk, filosofisk eller pedagogisk plan bortsett fra at de gjør det mulig å skille mellom dem: oppkvarken og nedkvarken, særkvarken og sjarmkvarken, og toppkvarken og bunnkvarken.

Bosonene er forresten oppkalt etter den indiske forskeren Satyendra Nath Bose. «Lepton», derimot, er avledet av det greske leptos, som betyr «lett» eller «liten», mens opprinnelsen til ordet «kvark» er litterær og langt mer fantasifull. Fysikeren Murray Gell-Mann, som i 1964 fremsatte ideen om kvarkenes eksistens som integrerte bestanddeler i nøytroner og protoner, og som den gangen trodde at kvarkfamilien besto av bare tre medlemmer, hentet navnet fra et karakteristisk ullent utsagn i James Joyces Finnegans Wake: «Three quarks for Muster Mark!»

16

Det skal de ha, kvarkene: De har enkle navn, alle sammen – noe som ellers virker umulig å få til for kjemikere, biologer og særlig geologer når de skal navngi disse greiene sine.

Kvarker er rare dyr. I motsetning til protoner, som alle har en elektrisk ladning på +1, og elektroner, som har en ladning på -1, har kvarkene positiv eller negativ ladning som regnes i én eller to tredeler. Og du møter aldri en kvark alene, den klamrer seg alltid til andre kvarker i nærheten. Faktisk blir kraften som binder sammen to (eller flere) av dem, sterkere jo mer du skiller dem – som om de er forbundet med en slags subnukleær gummistrikk. Og når strikken mellom kvarkene tøyes for langt, ryker den, og den lagrede energien benytter seg av E = mc2 for å lage en ny kvark i hver ende, og dermed er vi tilbake ved start.

I kvark-lepton-fasen var tettheten i universet så høy at den gjennomsnittlige avstanden mellom ubundne kvarker var tilnærmet lik avstanden mellom bundne kvarker.

Under disse betingelsene var det umulig for nabokvarker å inngå faste forhold. Kvarkene beveget seg fritt, selv om de som helhet var bundet til hverandre. De første som rapporterte om disse heksegrytelignende forholdene, var en gruppe fysikere ved Brookhaven National Laboratories på Long Island i New York, i 2002.

Det foreligger sterke indisier på at det skjedde noe i universets aller tidligste fase, kanskje da en av kreftene ble skilt ut, som førte til at universet utviklet en bemerkelsesverdig asymmetri, der mengden masseholdige partikler så vidt overgikk de masseløse partiklene: i forholdet en milliard og én til en milliard. Denne vesle ubalansen gikk nesten ubemerket hen midt oppi all skapelsen, annihilasjonen 17

og nyskapelsen av kvarker og antikvarker, elektroner og antielektroner (bedre kjent som positroner) og nøytrinoer og antinøytrinoer. Alle særinger hadde plenty muligheter til å finne noen å annihilere med, og det samme gjaldt også alle andre.

Men det skulle det snart bli slutt på. Kosmos fortsatte å ekspandere og avkjøles, det vokste seg større enn vårt solsystem, og temperaturen sank snart til under en billion grader kelvin. * Det har nå gått et milliondels sekund siden starten. * Det lunkne universet var ikke lenger varmt og tett nok til å lage kvarker, og dermed fant alle seg en dansepartner og skapte slik en varig ny familie av tunge partikler kalt hadroner (fra det greske hadros, som betyr «tykk»). Skiftet fra kvarker til hadroner førte til at det oppsto protoner og nøytroner, i tillegg til noen andre, mindre kjente tunge partikler som alle er kombinasjoner av de forskjellige kvark-typene. I Sveits (her på Jorden) bruker den europeiske samarbeidsgruppen for partikkelfysikk1 en diger akselerator der de lar hadronstråler kollidere i et forsøk på å gjenskape nettopp disse forholdene. Akseleratoren er verdens største maskin og har rimelig nok fått navnet Large Hadron Collider.

1 Den europeiske organisasjonen for kjernefysisk forskning, bedre kjent under forkortelsen CERN.

18