Kosmos är alldeles för litet!

Kosmologers reaktion på kosmos store strukturer i Origins

Daniel Håkanson

Fra Ariadnes årbok 2010


Origins-The Lives and World of Modern Cosmologists av Lightman and Brawer utkom 1990 ock är med sina intervjuer av 27 kosmologers förhållande til sitt ämne ett interessant forskningsociologisk tidsdokument. Jag vågar påstå att situasjonen idag prinsipielt är den samma som då - människans psyke förändras inte över en natt. Vad gäller själva forskningsläget är kanske den viktigaste förändringen sedan dess att man har funnit små variasjoner i den annars så jämna bakgrunnstrålningen. Dessa små variationer mener många forskare är i enlighet med Big-Bang teorin og ger en möjlighet att förklara den differentiering i kosmos som skett sidan dess. Man menar att strålningen visar kosmos tillstånd endast 100 miljoner år efter Big Bang. Med några citat från boken vill jag visa hur forskningsvärlden då förhöll set till faksta som var besvärliga för teoribildningen - upptäktene av kosmos stora strukturer. Problemet med strukturerna är ännu inte löst, men oavstt detta peker intervjuerna på interessanta förhåningssätt inför det som atttid skjer inom forsningen, nya upptäkter som hotar gamla teorier visar på behovet av ett paradigmskifte.

Big bang-modeller utgår från ett antagande om att universum är homogent, överordnat sett. Antagande är viktigt, för att detta skulle betyda, att man därigjennom kan beräkna en genomsnittlig densitet med en åtföljande gjenomsnittlig gravitasjon (igjen utgående fr¨ån att man tittar på universum i en tilräklig stor skala). Det unga universums ursprungliga ojämnheter förstärks av gravitasjonen genom att denna verkar sammandragande ock efterhand "klumper" materien till stjärnor ock galakser.


Melkeveien fra "Mount Barrow" i Tasmania.

Över de avstånd man hittils har kunnat överblicka, har detta inte varit fallet. Kosmos har hittills visat seg vara synnerligen heterogent. Det gjör at man inte kan beräkna den genomsnittliga densiteten (ock gravitasjonen). Heterogeniteten medför, att får lågre densitet ju större volum man observerar. Om universum överordnat sett skulle vara heterogent,så kan man dra få slutsatser om kosmos överordnade beteende utifrån mätningear i vår närhet.

Kosmos är för litet - ock för heterogent.

Vi börjar med ett citat från intervjun med kosmologen Maarten Schmidt när han får den överrumplande frågan om hur han skulle ha gått tillväga om han själv finge designa kosmos:

Well, that is surely the ultimate qustion that doesn't allow one to be cautious. God! What a wild question! That is the worst question I've ever heard. The first thing I would say is that I would never have construcred a universe in which it was even allowed to ask such question: (skrattar). That's a question to which I'm not sure I can give an answer. It's Iike asking me to take off my clothes and start walking around here. One naturally has a certain shyness about things, and I think that it is absolutely in confiict with my philosophy about doing scignce.
[...]
If I can be allowed to say scmething else, since I didn't give you a good ansuer to this question. Briefiy, as one of the perpetrators oflooking at the distant universet, I find it extraordinary that it is possib!e With human menns, with pieces of glass that are no larger than this room, to see things that are interestingly far out in the universe. Sometimes it strikes me that the universe is much smaller than … All right, here we gg. I would have con-structed a bigger universe. I think the universe is small. There we go. If I'd had my rathers, I would do that. I find the universe too confined. I find it amazing that it is so small.
… It is excraordinary that we can get to a distance were the light tra- vel time is a substanciai fracton of the age of the universe… I mean you'd almost feel claustrophobic in a universe that is so small that when you just look at one of the first results in radio astronomy, you already see the effect of the end of the universe. (Ur intervjun med Maarten Schmidt s. 1171)

Maarten Schmidt refererar till bakgrunnstrålningen som man menar kommer ftän ett kosmos som "bara» ar ca, 100 miljoner år gammalt. Ju Iängre ut vi ser i kosmos, desto yngre är det. Men så långt ut (Och så Iängt tillbaka i tiden) som till när kosmos var så ungt som 100 miljoner år gammalt kan vi inte se, eftersom kosmos hal utvidgats snabbare än ljuset hunnit färdats sedan Big Bang. Utvidgningen skedde alltså snabbare än ljusets hastighet! Men strålningen finns där, från universums "babytid" Om vi har tolkat strålningen ått.

För att kosmologin som vetenskap skall kunna vara möjlig, måste man anta, att naturlagama som gäller på jorden också gället allmänt i kosmos - annars blir det inte beräkningsbart. Detta förutsätter att kos- mos är isotropt (verkar likadant i alla riktningar oavsett var man står) Och sålunda aven homogent (jämnt fördelat). Även om kosmos verkar heterogent inom den "lilla" omgivning vi hittills kan överblicka, så utgår de flesta kosmologer från att ojämnheterna iämnar ut sig över större avstånd. Den jämna bakgrundsstrålningen tyder på detta. Samtidigt menar många forskare, att de små ojämnheter man har sökt och nu funnit - skulle räcka för bildningen av stjärnor och galaxer. Alltså - kosmos får, enligt de teorier som finns idag, inte vara för homogent i mindre skala, for då skulle det vi kan se idag inte finnas till, men får heller inte vara heterogent i stor skala, för att det då inte skulle kunna vara beräkningsbart.
För art använda bilden av sandkornen på en badstrand: Tittar man riktigt nära ligger kornen ojämnt fördelade, men från Iängre håll när man överblickar hela stranden, verkar sandkornen ligga jämnt. Man hoppas att kosmos fungerar som badstranden i detta avseende.

Tyvärr har verkligheten inte gjort det Iätt för teoretikema. Kosmos har vi- sat sig bestå av jättelika strukturer över 100-tals megaparsec (1 megaparsec = ca 3 miljoner ljusår). Alla är ense om, att det skulle bli riktigt problematiskt om dessa heterogeniteter fortsätter över 1000-tals megaparsec, eller ännu värre - att heterogeniteten år genomgående, att den aldrig tar slut. Det vill saga att kosmos inte uppför sig som badstranden med sina sandkorn. De fiesta forskare har en klockartro på att kosmos överordnat sett är homogent, dels därför att bakgrundsstrålningen pekar på detta, och framför allt för att det som är upparbetat inom kosmologin till stor del skulle raseras om så inte vore fallet. Vad skall vi bygga på om kosmos inte (åtminstone skenbart)är beräkningsbart!

Också här kan man förstå Maarten Schmidts önskan om att kosmos skulle vara större - så blir de stora strukturerna man faktiskt funnit mindre oroalde.

Kosmos stora strukturer
- en nagel i ögat får forskningssamfundet

Låt oss återvända till de stora strukturerna och höra Margaret Geller berätta om sin forskning och om sina reflektioner över forsknings- samfundets reaktioner på hennes forskningsresultat (sid 364f).

Partly as a result of working with Peebles, I had this prejudice for the homogeneity and isotropy assumption, but I have certainly begun to wonder. One of the things that's very sobering about the surveys of the universe nearby is that the structures, at least as traced by the galaxies, are as big as the surveys. I think that really leads one to question. If we find much bigger structures, we're really going to have to question those fundamental assumptions, regardlesss of the smoothness of the microwave background. If we find the structures, if we see the sfiuctures, there is something wrong, and we're going to have to start looking at those basic assumptions. But I have certainly never questioned that and I've begun to. I think there's a lot of resistance …
It's funny, but there's always this idea in physics that the simplest model should be the right one. But, on the other hand, these are real macroscosmic systems. There are lots of phenomena and it's not so clear. You could say, "Should the simplest model of human behavior be the right one?" Well, there is no simple model of human behavior. And these systems really are complex. OK, they are physical systems, and they are far simpler than the interactions among human beings. But I'm not so sure that in this case the simplest models are going to turn to be the right ones.

Geller hade som utgångspunkt för sina undersökningar åsikten att univerum var homogent och isotropiskt. Hon visste att man hade funnit ett tomrum i Björnvaktaren (Boötes), och att det kanske var något ovanligt. Förmodligen skulle undersökningen inte visa något särskilt. Men det gjorde den, man fann nägot. Hon berättar:

And presto, we did find something. And not only that. Not only did we see the big structures, but we saw that they were really sharply defined, which was another real surprise that people are really refusing to come to terms with. It's amazing. The refusal is really striking.

Lightman/Brawer: Because you can't explain the observed distribution of galaxies just in terms of gravity!

That's right it appgars that you can't, but people are really fighting it, trying to say that they have. Its interesting to see how this happens. And it's going ro take whiie to see if people want to argue that different data sets look different. I am not impressed by this argument, because I think they au look the same…it's interesting because many people deny that they were surprised, even though it's obvious that evergone was. I mean there were people who essentially said their grandmother knew this … Nobody had seen sharp structures before. There was the Perseus-Pisces chain. But it isn't that. There are many of these structures, and nobody has realiy seen anything as sharply defined before. Why should you expect to see such a sharply defined pattern on such a big scale? I think that was the thing that was so surprising about it. People had this picture of hierarchal clustering. You had this gloppy distribution of galaxies. But I think had we found that in the survey and written our paper, people would have said, "Yes. Yes. tihis survey is a good thing …"
And nobody would bother to be racing to the surveys, which everybody is doing now. The reason they're doing it is because there was a pattern, which everybody has recconized. That makes a big difference … You certair!ly see holes in simulations of galaxy formation models, but it just doesn't have the same appeal. It doesn't have the same coherence. If you look at the pattern in the redshift survey, you can put your pencil down and sort of connect all of the galaxies. You can also remember the patterns. Whereas when you seg the patterns in the models, you can't fix them in your mind … They that we don't know things like the mean density of the cosmos …
Now it appears that there are motions large scale movements of galaxies not explained by the overalt expansion of the universe.


Perseus-Pisces Supercluster

Lightman/Brawer: Do you think that philosophical considerations have ever had much of an influence on your work?

At some level it's impossible to separate them because everybody has some set of principles on which they operate. People choose problems or find problems accordins to the way rheir mind is structured, according to their philosophy … I never do a problem unless I have a prejudice about it … My prejudices can certainly be wrong, and sometimes even the answer I thought I have sotten have been wrong, in fact. But l've learneri not to be afraid of those prejudices, which I think is a very important thing.

Hos nagla av de intervjuade kosmologerna fick man ett intryck av att de har med möjligheten av heterogenitet under åratal. Sandra Faber ar en av dem. Hon får frågan om Cellers mfl. resultat har överraskat henne: (s 338)

No, they didn't surprise me … because I had gradually begun to become more familiar with our territory, just from looking at the spiral samples. And gradually it has been dawning on me over the years that the gaIaxy distribution is very, very inhomogenous. When I looked at their picture I could see voids that were comparable to the voids i already knew existed. Now the other interesting facet of their picture, of course, are the thin walls, [framhävt av förf.] I am worried about that because they are making their map in velocity space, ard we were simultaneously showing that regions can have big peculiar velocities.

David Schramm får frigan (s 448) om vilka de största problemen är all losa för dagens kosmologi:

Certainly the whole question of galaxy formation, dark matter, large-scale structure - which I think are all the same problem. It's just the blind man looking at the elephant. Which parts do focus on? But it's really all one Problem. It's the wajor one, because it's the confrontation of the traditional astronomicm observations with all this early universe work.

Steven Weinberg (s. 461) får samma frågan om Gellers mfl. forskning och avslöjar i samband med detta en intressant olöst fråga han själv har levt med i åratal:

No, I certainly did't anticipate it. And it's disturbing to see how unsmonth it (the universe) does appear, with only the microwaye background left to convince you that on really large sales, it's smooth. In other words, there's not a hell of a lot of evidence left for a Robertson-Walker universe (en matematisk beskrivning av ett isotropiskt och homogent universums geometriska egenskaper) outside of the microwave background, which is isotropic arourd us, and the Copernican principle that if the universe is isotropic around you, it's probably isotropic around everyone because there's nothing special about you. Maybe we're misunderstanding samething about the microwave background and, in fact, the universe isn't Robertson-Walker at all. That bothers me.
There is a mathematical question that I've been curious for years and years, and still don'tknow the answer to. It goes as follows: If the universe is isotropic around every point, then it's homogenous, However, there's no theorem that says that the universe is approximately isotropic aroud every point, then it's approximately homogenous. It's quite possible to me that the universe is so constracted that every observer looking around him or her sees the universe as being approximately isotropic, and yet the small departures from isotropy build up as you go to great distances, so that you can go to great distances and find conditions quite different …

Kosmos blir fysiskt

För att få en bakgrund till en rekapitulation av det sagda, låt oss se på förändringen av vår världsbild över tiden, och konstatera att vår bild av universum har forändrats starkt under de senaste århundradena.

I forna tider uppfattades kosmos som statiskt och orumsligt - himlakropparna fanns i fixstiärnssfårer utanföl tid och rum.
Ett stort steg framåt togs med upptäckten av spektralanalysen under 1800.talet. Från experiment på jorden vet vi att kroppar som utsänder ljus avslöjar sitt innehåll genom att ljus fran olika grundämnen utsänder olika fårgspektra, som år heit unika för just det ämnet. Dessutom sker en sk rödljusförskjutning hos kroppar som avlägsnar sig resp. närmar sig observatörens instrument.

Spektralanalysen (ekstern side) visade alltså stjärnornas sammansättning och relativa hastigheter. Detta kombinerat med att man fann referenspunkter för absoluta avstånd i stjärnorna i Cepheiderna gjorde avstånden till stjärnorna mätbara (ekstern side). Detta under forutsättning av att naturlagama på jorden i princip gäller får hela kosmos - utan den förutsättningen spricker kosmologin som vetenskap.
Detta var också en förutsättning for Gellers mfl. arbete, som visar den rumsliga fördelningen av galaxer (den vi ser på himlen är ju skenbar och skiller inte mellan stjärnor med oiika avständ frän oss). Mätningarna visar en del av en tredimensionell rymd. Förutsättningen är givetvis hela tiden att naturlagarna äl de samma överallt, dvs. att kosmos i princip är homogent. Förutom placeringen, som styrs framför allt av rödljusförskjutningen, så visar undersäkningen ocksä på avvikelser från den normala rørelsen, att allt är på väg ifrån oss och allt annat - ju Iängre bort något är frän nägot annat, med iu stöue hastighet avlägsnar det sig.
Därför år motståndet från Geller mfl. så stort. Få vara seg de som accepterar resultaternas allmängiltighet eller de som motsätter seg det - säger sig vara förvånade. Geller visar på existensen av jättelika, skarpt definerade, bubbeliknande strukturer, med tunna hinnor av galaxer och galaxhopar. Innanför dessa bubblor enorma (storleksordningen en halv miljard ljusår), som det verkar, tomma områden. Heterogeniteten visar ocksä rörelser som avviker fran de förväntade.
Problemet ar nu - efter att ha kommit över den första fasen - förnekelsefasen - inför ett nytt fenomen inom forskningen - hur kan man få ihop detta med den jämna bakgrundsstrålningen? Hur kan kosmos vara så heterogent, når bakgrundsstråiningen, som sägs visa situationen endast 100 miljoner år efter Big Bang, er så jamn? Räcker de ojämnheter, som trots allt har hittats de senaste åren, att förklara kosmos heterogenitet på så pass stora skalor? Framfor allt, upphör heterogeniteten när man kommer upp i till räckligt stora avstand? Många - nog de flesta - tror eller hoppas på detta, därför att motsatsen skulle väcka så manga nya frågor, samtidigt med att beräkningbarheten skulle ta stryk.
Big Bang år en logisk konsekvens av att extrapolera baklänges, utifrån det hastigt expanderande kosmos vi kanner. Om kosmos blir större och större, borde det bli mindre och mindre när vi går tilbaka i tiden. Samtidigt ar kosmos mycket storre än det vi kan se i dag. Dvs kosmos har utvidgats med störe hastighet än ljuset - ingen hastighet kan överskrida ljusets — utom själva utvidgningen (for att den åger rum i det rumslösa?). Det betyder att kosmos storlek gör att dess delar inte kan ha berört eller ha "blandats" med varandra (horisontproblemet). Dessutom är frågan om kosmos massa oklar, som - om gravitationslagarna gäller i hela kosmos - avgör om kosmos utvidgning kommer att fortsätta i all oändlighet, avstanna ett jamviktstillstånd, eller krympa i accelererande takt till en nytt imploderande Big Bang i en oändligt liten punkt (flathetsproblemet).
Frågan om kosmos massa kan inte Iösas med ett heterogent universum. Med strukturer på alla nivåer kan universums genomsnittliga massa inte uppskattas.

De stora strukturerna ställer en grundläggande fråga om entropin (dvs. differentieringen) har ökat i kosmos sedan Big Bang - eller åtminstone sedan bakgrundsstrålningens tid (ca100 miljoner år). En ökande entropi ar annars kännetecknet för levande organismer. Kommer denna ökning att fortsätta, eller kommer den att vändas till den minskning som ju är enlighet med de fysiska principerna? Om entropin minska: går kosmos mot ökad utjamning, blandning, homogenisering och värmedöd ?

Finns medvetande och intelligens bara i människan? Spelar detta någon roll för kosmos utveckling?

Andrei Linde (488ff) en intressant analogi mellan universum och vårt medvetande - de är båda en black box, där vi studerar input och output snarare an det som försiggår inne i själva boxen:

I am just rather confident that we have lost something important in the way of development of Western science. And what is lost is connected with our behavioristic approach to science, to everything. You see, we have a blach box. We have some input and we have same output. What we are interested in is what is the reaction of the black box to the input, what will be the output. Nobody is much interesred in the black box.

Han får frågan om medvetandet är den svarta lådan.

Yes. I mean, for example, that people typicaliy use the same word for our consciousness, for our feelings, and for the processes that occur in our brain mean we are already in this black box, We cannot say what will happen to the universe when sone input goes to the universe and output goes out. The universe is elready in this black hox, and we are living in the black box, and aur mind is in this separate black box that reacts to the universe. So my interest in cosmology, to a great extem, is connected with my interest in consciousness. I consider cosmology as a model that can be to some extent studied exactly, without making same absolutely metaphpsical and unwerifiable conjectures.

Vi talar hela tiden om "strukturer". Hur är det med intelligensen, om medvetandet? Vi vet ju att den finns i oss. Varifrån kommer det? Finns detta också på andra ställen! Hur är det med livet! Spelar livet också en roll får kosmos utveckling? De nesta kosmologer menar (än så lange) att detta är obetydliga bisaker vad gäller kosmos utveckling. Eller år det dessa krafter som bidragit till den ökande entropin och den ökande differentieringen ock heterogeniteten, inte bara i levande organismer, utan också i kosmos! Ligger dessa krafter i så fall utanför räckvidden för dagens forskningsinstrument? Kan forskningen utvidgas får att också ta hänsyn till dessa faktorer?


Origins: The Lives and Worlds of Modern Cosmologists
Alan Lightman and Roberta Brawer