Hur kommer universum utvecklas?

Himlakropp och stjärnhimmel

Universums ålder är enligt dagens vetskap fastställd till omkring 13,8 miljarder år. För nära 14 miljarder år sedan ägde Big bang rum, ursmällen som var universums startpunkt, och sedan dess har universum expanderat genom rymden. Att universum utvidgas har sedan länge varit en rådande teori. Redan 1929 publicerade Edwin Hubble sina resultat kring utvidgningen.

Universums expansion och rödförskjutning

Från observationer i rymden av det som kallas rödförskjutning vet vi att universum utvidgar sig. Rödförskjutning är ett slags dopplereffekt för ljus och inträffar då våglängden hos ljuset tänjs ut för att objektet är på väg bort genom att blå våglängder (korta) hos ljuset blir röda (långa).

Big bang-teorin – universum uppstår ur intet

Att universum utvidgas är en logisk följd av Big bang-teorin. Denna lanserades redan 1922 av Alexander Friedman och har sedan länge varit den klart mest etablerade kosmologiska teorin.

Kosmologi

Kosmologin är det vetenskapliga ämnesområde som sysslar med universums utveckling. Det finns flera teorier som är kandidater till att förklara hur universum uppstått, hur det utvecklas och hur det en dag eventuellt kommer försvinna. Kosmologin som forskningsområde har många kunskapsluckor av uppenbara anledningar. En av de stora frågorna är förstås varför Big bang inträffade och vad som fanns innan.

Hur kan något uppstå ur tomma intet? Enligt obestämdhetsrelationen kan energiförändringar uppstå ur just tomma intet och i vissa fall om den innehåller energi som kan fungera antigravitionellt kan en plötslig expansion ske till att bli omkring 10 cm i diameter. Från denna lilla massa ska sedan en expansion skett vilket framkallat vårt universum. Kanske kommer det om ett antal miljarder år då vårt universum fortsatt expandera och därigenom blivit allt glesare ske en ny Big bang – det är nämligen sådana förhållanden som är idealiska för denna form av uppståndelse ur intet.

Man kunde tänka sig att punkten där Big bang inträffade är ett centrum i universum. Den rådande teorin är dock att det inte finns något centrum i universum. Fysikern och kosmologen Max Tegmark skriver att ”märkligt nog ser fenomenet [expansionen av universum] likadant ut oavsett vilken (…) galax man betraktar det från”.

Inflationsteorin

Inflationsteorin beskriver en accelererande tillväxtfas som var den snabbaste delen i kosmos utveckling då det först utvidgades till en otrolig varm massa som sedan kallnade och arrangerades om till stjärnor och andra himlaobjekt. Max Tegmark: ”enligt några av de mest populära teorierna av inflationsteorin fördubblades massan ungefär var tionde triljondel av en triljondel av en kvadriljondels sekund”.

Varför expanderar universum och hur länge till?

En stor fråga är varför universum tycks expandera och hur länge det kommer fortsätta göra det.

Medan universum expanderar ökar avståndet mellan galaxer och det blir ett allt tommare universum (det är alltså inte galaxerna själva som expanderar). Rymden expanderar inte bara, den accelererar även, och expansionen sker enligt beräkningar snabbare än ljusets hastighet och det sker med en sådan fart att universums storlek fördubblas varje åtta miljarder år. Teorin om ett expanderade universum motsäger lagen om att inget kan färdas snabbare än ljuset. Denna lag gäller dock vad som sker i rymden, men inte rymdens egna utsträckning.

Eftersom universum tycks accelerera snabbare än ljushastigheten kommer vi heller inte kunna ta del av ett allt större universum. Eftersom delar av universum färdas bort från oss snabbare än ljuset kan vi inte längre motta information i form av ljus som når oss. Trots den otroliga hastigheten är det ändå fråga om en utdragen process eftersom universums storlek är av enorma mått.

Logiskt sett borde expansionen avta eftersom galaxhoparnas tyngdkraft motverkar en långsiktig utvidgning. Upptäckten av den mörka energin innebar dock insikten om en ny konstant som får universum att utvidgas. Om den sammanlagda synliga materian inte är tillräckligt omfattande kan expansionen fortgå på grund av den mörka materien. Fast givetvis är det inte så enkelt att andra samverkande faktorer inte spelar in. Till exempel förbrukas en del av den materia som stjärnor skapas av medan annat koncentreras i vita dvärgar, neutronstjärnor och svarta hål.

Är rymden oändlig?

Fastän universum har en startpunkt från vilket det expanderat till en viss storlek brukar man tala om rymden som oändlig. Detta kan beskrivas som att ett ändligt universum expanderar i en oändlig rymd.

Fastän universum har en startpunkt (samtidigt som Big bang utgör starten för universum vet vi förstås inget om eventuella tillstånd hos universum före denna händelse), från vilket det expanderat till en viss storlek brukar man tala om rymden som oändlig. Detta kan beskrivas som att ett ändligt universum expanderar i en oändlig rymd.

Om man ställer frågan om rymden är oändlig är det alltså inte samma sak som att fråga ifall universum är oändligt. Även om universum och rymden ofta förknippas med samma sak görs det inom kosmologin ofta skillnad.

Är tiden oändlig?

Ifråga om Big bang som en sorts tidens startpunkt är detta enbart en förmodan. För att kunna visualisera en tidslinje och få en översikt över universums utveckling är det praktiskt att utse en startpunkt. Att Big bang ibland framställs inte bara som universums början i en rumslig bemärkelse, men även utifrån en tidsdimension handlar en hel del om att vi inte kan blicka längre tillbaka med några teleskop (under den tidigaste fasen i universum var rymden inte genomskinlig).

Vad som eventuellt fanns före Big bang är således ett mysterium vi sannolikt aldrig kommer kunna lösa. Svaret kan inte inhämtas med hjälp av bättre teleskop och att det ska kunna bringas klarhet med hjälp av några matematiska genombrott är orimligt.

Om denna riktning av tiden vi upplever har en början eller inte förblir en spekulativ fråga. Vad som dock adderar nya aspekter är teorier om att universums expansion en dag kommer övergå till att diminuera. I anslutning till en sådan teori öppnar sig också idén att ett universum genomgår faser med flera stora smällar och expansioner följt av tillbakagångar, något som stärker idén om att Big bang inte utgör tidens början. Likaså kan situationen ändras om hypoteser om multiuniversum får starkare belägg, något som eventuellt kommer få Big bang att inte längre framstå som en trolig punkt för tidens början.

Den andra delen av frågan är ifall tiden är oändlig i en framåtriktning. Med andra ord att den saknar slut. Att tänka sig att tiden har ett slut överstiger förmodligen fattningsförmågan för de flesta människor. Att tiden tar slut skulle innebära att inga händelser längre ägde rum, vilket rimligtvis bör kräva att allt som kan sätta igång händelser har upphört existera, såsom energi och materia. Att tiden skulle ta slut i denna bemärkelse är snarare något som förorsakas av faktorer i den rumsliga världen än att tiden som en egen konstant utövar påverkan på det rumsliga som får energiprocesser att stanna och materia att bli orörlig.

Hur slutar universums utveckling?

Universum slutar i detta scenario med ett slags implosion där allt sammanpressas till den storlek det var före Big bang.

Vetenskapliga genombrott som Big bang och inflationsteorin har gett oss kunskap om universums uppkomst. När det gäller slutet på universums utveckling är bilden mer splittrad och ett antal teorier konkurrerar.

Big Chill

Den stora nedkylningen med evig expansion. I detta scenario varar universum för alltid, men blir samtidigt allt kallare och mörkare i takt med att det blir allt glesare mellan galaxerna. Denna teori är den för tillfället ledande, vilket inte är så konstigt då det är den utveckling universum har haft hittills samtidigt som det saknas starka indikationer för att utvecklingsgången ska avbrytas.

Big Crunch

Teorin Big Crunch, eller Stora krossen, anger att expansionen avbryts och i stället inleds en bakvänd kollaps tills universum krossas. Universum slutar i detta scenario med ett slags implosion där allt sammanpressas till den storlek det var före Big bang. Skeendet är utdraget och brukar illustreras symmetriskt, med andra ord att tidsperioden för kollapsen är lika stor som den var för expansionen.

Teorin lutar sig på tanken om decelaration – att den mörka energin löses upp eller minskas tillräckligt för att accelerationen av universum ska stanna upp och i stället slå övergå till en minskning. En teori om vad som sedan händer är att sammandragningen kommer medföra temperaturökningar, vilket leder till en ny stor smäll av Big bang-typ. Den kontrasterande teorin är att det helt enkelt kommer upphöra existera efter sammandragningen fullbordats.

Big Rip

Universum expanderar i allt mer accelerande fart tills allting från planeter till atomer bortom gravationens påverkan slits sönder. Detta spektakulära och skrämmande scenario anses betydligt mindre sannolikt än Big Chill och Big Crunch.

Big Snap

Rymdens struktur är sådan att när den tänjs ut för mycket knäcks den. Det finns ett maximum för expansionen vilket Max Tegmark liknar med ett gummiband som inte kan tänjas ut oändligt emedan det består av atomer och har struktur – ”kan det vara så att även rymden har en kornstruktur på så småskalig nivå att vi inte har upptäckt det?”, frågar sig Tegmark. Utrymmet för en omvälvande utveckling gör detta till ett instabilt universum och Tegmark beskriver en modell där detta redan sker ”om några få miljarder år” och föregår således vår egen sols kollaps.

”Hur skulle en nära förestående Big Snap yttra sig?” frågar sig Tegmark retoriskt och ger svaret ”om rymdens kornighet ökar gradvis skulle de småskaligaste strukturerna spricka först” med följd att vi märker förändringar i kärnfysikens lagar som att atomer som tidigare varit stabila nu sönderfaller.

Death Bubbles

Death Bubbles innefattas i en teori som Max Tegmark beskriver i följande ordalag: ”rymden ´fryser´ i ödesdigra bubblor som expanderar med ljusets hastighet”. Dessa så kallade dödsbubblor finns endast i teorin.

Vilken av dessa eller någon annan hittills okänd teori – Max Tegmark misstänker att ingen teorierna är korrekt och menar att det är 50 procent chans att något hittills okänd utgång väntar för vårt universum – som kommer besannas är ett svar som låter dröja, men det beror på hur den mörka energin (70% av massan i universum) kommer bete sig, om den tunnas ut eller förtätas.

Artikel av Oskar Strandberg | publicerad 2020.04.10

Textkällor

  • Tegmark, Max (2014), Vårt matematiska universum (övers. Pär Svensson)
  • Red. Paul Parsons (2014) Teorier på 30 sekunder (övers. Christian Thurban)
  • Clark, Stuart (1997), Universum i fokus (övers. Hans-Uno Bengtsson)

Bildkälla

NASA och ESA