Fyrir um 100 árum bylti Albert Einstein heimsmynd okkar. Þá setti hann fram nýja kenningu um þyngdarkraftinn sem hann kallaði almennu afstæðiskenninguna, kenningu sem lýsti eðli rúms og tíma. Kenningin útskýrði ekki aðeins hegðun þyngdarkraftsins, heldur líka hvernig alheimurinn gæti þróast. Tilraunir og mælingar staðfestu fljótt spár afstæðiskenningarinnar og fóru menn þá að velta fyrir sér hvað hún segði um alheiminn.
Árið 1927 gerði Georges Lemaître, belgískur prestur og eðlisfræðingur, útreikninga sem sýndu að alheimurinn gat ekki verið stöðugur, eins og viðtekna heimsmyndin gerði ráð fyrir. Kenning Einsteins sýndi að alheimurinn, eða rúmið – geimurinn sjálfur – væri annaðhvort að þenjast út eða dragast saman, þ.e.a.s. alheimurinn hlyti að vera að stækka eða minnka. Lemaître setti fram þá tilgátu að alheimurinn ætti sér upphaf í einhvers konar „frumatómi“.
Einstein leist illa á þessa hugmynd Lemaître. Hann sagði að þótt útreikningarnir væru réttir væri eðlisfræðin andstyggileg. Einstein taldi enda, eins og flestir aðrir á þeim tíma, að alheimurinn væri stöðugur og óbreytanlegur. Svo viss var hann í sinni sök að hann bætti fasta við jöfnur sínar til þess að þær lýstu örugglega stöðugum alheimi. Síðar lýsti Einstein fastanum sem sínu mesta axarskafti.
Tveimur árum eftir að Lemaître vakti athygli Einsteins og annarra á hugmynd sinni um alheim í útþenslu gerði Edwin Hubble eina mestu uppgötvun vísindasögunnar. Mælingar hans sýndu að vetrarbrautir voru að fjarlægast hver aðra. Því fjarlægari sem þær voru, þeim mun hraðar fjarlægðust þær okkur. Alheimurinn var svo sannarlega að þenjast út!
Ef alheimurinn var að þenjast út hlaut hann að hafa verið minni, þéttari og heitari í fortíðinni, eins og Lemaître hafði bent á. Alheimurinn hlaut að hafa sprottið úr örsmáum punkti sem byrjaði að þenjast út í því sem við köllum nú Miklahvell.
Endurómur Miklahvells
Samkvæmt Miklahvellskenningunni átti alheimurinn sér heitt upphaf. Í árdaga var alheimurinn uppfullur af heitri geislun sem kólnaði verulega með tímanum samhliða útþenslunni. Útreikningar sýndu að hitinn frá Miklahvelli ætti enn að vera mælanlegur og bærist til okkar úr öllum áttum sem daufur örbylgjubjarmi – svokallaður örbylgjukliður.
Árið 1964 fannst örbylgjukliðurinn fyrir slysni og hlutu vísindamennirnir tveir, Arno Penzias og Robert Wilson, Nóbelsverðlaun fyrir. Uppgötvunin staðfesti að alheimurinn átti sér heitt upphaf og renndi enn styrkari stoðum undir Miklahvellskenninguna.
Mælingar á örbylgjukliðnum sýndu að hann var ótrúlega einsleitur og samfelldur, þ.e.a.s. nokkurn veginn eins, sama hvert við lítum, eins og mynd 1 sýnir. Hvers vegna?
Óðaþensla til bjargar
Árið 1980 birti bandaríski eðlisfræðingurinn Alan Guth (og samtímamenn hans) útreikninga sem sýndu að samkvæmt jöfnum Einsteins getur þyngdarkrafturinn ekki aðeins dregið hluti saman, heldur líka verkað eins og fráhrindikraftur.
Guth setti fram byltingarkennda hugmynd. Í frumbernsku alheimsins, aðeins 10-36 sekúndum eftir upphafið, þandist alheimurinn út 1026-falt á sekúndubroti. Þessi snögga útþensla hafði þau áhrif að allar orku- og efnisójöfnur í alheiminum sléttust út. Þannig gátu Guth og fleiri útskýrt hvers vegna alheimurinn virðist einsleitur í allar áttir.
En hvernig er hægt að staðfesta kenningu um atburð sem stóð yfir í innan við sekúndubrot fyrir 13,8 milljörðum ára?
Skammtaflökt
Í upphafi, á fyrstu sekúndubrotunum þegar alheimurinn var örsmár, réði skammtafræðin ríkjum. Orka og agnir flöktu; agnir urðu til úr orku og hurfu jafnharðan. Þetta skammtaflökt myndaði gárur í tómarúminu þannig að hitastig varð mismikið milli mismunandi staða í alheiminum. Útreikningar sýndu að hitastigsmunurinn var reyndar mjög lítill, aðeins hundrað þúsundasti hluti úr gráðu, en hefði tiltekið mynstur yfir allan himinninn.
Í lok 20. aldar og í byrjun þessarar mældu stjörnufræðingar hitastig örbylgjukliðsins með mikilli nákvæmni sem sýndi þennan mun (sjá mynd 2). Mælingar sýndu að örbylgjukliðurinn er ekki fullkomlega samfelldur heldur gáraður. Sem betur fer, því ef ekki væri fyrir þennan hitastigsmun milli svæða í alheiminum hefðu stjörnur og vetrarbrautir (og þar af leiðandi við) aldrei orðið til!
Samkvæmt óðaþenslukenningunni þandist alheimurinn svo hratt út (hraðar en ljósið) á fyrstu sekúndubrotum Miklahvells að skammtaflöktið myndaði þyngdarbylgjur sem gengu um tímarúmið eins og gárur á vatni. Kenningin spáir fyrir um að þyngdarbylgjurnar hefðu skilið eftir sig ákveðin mynstur í örbylgjukliðnum sem væru fingraför óðaþenslu. Ef slík mynstur er að finna í örbylgjukliðnum myndi það renna stoðum undir óðaþenslukenninguna.
Mælingar frá Suðurskautslandinu
Við fyrstu sýn kann Suðurskautslandið að virðast sérkennilegur staður fyrir stjörnuathugunir. Suðurskautið er kaldasti og þurrasti staður veraldar og er því einstaklega heppilegt fyrir rannsóknir á örbylgjugeislun sem vatnsgufa í lofthjúpnum gleypir annars.
Í þrjú ár starði lítill sjónauki, BICEP2, á himininn yfir Suðurpólnum í leit að fingraförum óðaþenslunnar í örbylgjukliðnum. Í mars síðastliðnum tilkynntu stjörnufræðingar við verkefnið að þeir hefðu nú fundið þessi fingraför, sem staðfestu þar með óðaþenslukenninguna!
Þetta er stórkostleg uppgötvun, ein mesta og mikilvægasta uppgövun vísindasögunnar. Fyrir hana verða eflaust veitt Nóbelsverðlaun. Verði hún staðfest.
Vísindamenn eru nefnilega venjulega fullir efasemda þegar um byltingarkenndar uppgötvanir er að ræða. Þeir vilja fá að skoða gögnin og krefjast þess að frekari mælingar verði gerðar.
Hvað var mælt?
Undanfarnar vikur hafa niðurstöðurnar því verið skeggræddar og ekki eru allir sannfærðir. Enginn efast um að BICEP2 hafi mælt eitthvað en menn greinir á um hvað.
Líklega mun taka nokkur ár að sannreyna niðurstöðurnar. Nokkrir aðrir sjónaukar, þar á meðal Planck-geimsjónauki Geimstofnunar Evrópu (ESA), geta mælt þessi fingraför óðaþenslunnar í örbylgjukliðnum og má búast við niðurstöðum frá honum síðar á þessu ári.
Hvað þýða niðurstöðurnar?
Hvers vegna þykja þessar niðurstöður svona merkilegar? Í fyrsta lagi renna mælingarnar stoðum undir óðaþenslukenninguna. Við vitum ekki aðeins að alheimurinn er að þenjast út, heldur höfum við nú fengið upplýsingar um hvað það var sem hratt útþenslunni af stað og gerði efni kleift að kastast í kekki og mynda vetrarbrautir, stjörnur og að lokum okkur.
Í öðru lagi benda mælingarnar til að þyngdarkrafturinn sé skammtaður. Menn hafa lengi reynt að samræma skammtakenninguna og afstæðiskenninguna í eina kenningu og uppgötvunin bendir til að þær tilraunir séu ekki með öllu tilgangslausar.
Þriðja atriðið er þó kannski einna merkilegast. Eitt af því sem óðaþenslukenningin spáir fyrir um er að óðaþenslusviðið sé svo öflugt að það endurtaki sig í sífellu. Þegar einni óðaþenslu lýkur hefst önnur annars staðar sem býr til annan Miklahvell og annan alheim. Þetta ferli endurtekur sig í sífellu. Það þýðir að alheimurinn okkar er aðeins einn af ótal mörgum alheimum sem mynda einn gríðarmikinn fjölheim!
Grein Sævars Helga birtist fyrst í nýjasta Kjarnanum. Lestu hann hér.
