Universum – definition, fakta och ursprung (Big Bang)

Människor har länge haft idéer för att förklara universum. De flesta tidiga modeller hade jorden i universums centrum. Detta kallas geocentrism. Vissa gamla greker trodde att universum har oändlig rymd och har funnits i evighet. De trodde att det hade en uppsättning himmelska sfärer som motsvarade de fasta stjärnorna, solen och olika planeter. Sfärerna kretsade kring en rund men orörlig jord.

Under hundratals år ledde bättre observationer till Kopernikus' solcentrerade modell, som kallas heliocentrism. Detta var mycket kontroversiellt vid den tiden och bekämpades av religiösa auktoriteter, framför allt av den kristna kyrkan (se Giordano Bruno och Galileo).

Uppfinningen av teleskopet i Nederländerna 1608 var ett mycket viktigt ögonblick för astronomin. I mitten av 1800-talet var teleskopen tillräckligt bra för att man skulle kunna se andra galaxer. Det moderna optiska teleskopet (som använder synligt ljus) är ännu mer avancerat. Under tiden förbättrade Isaac Newton idéerna om gravitation och dynamik (ekvationer) och visade hur solsystemet fungerade.

På 1900-talet fick ännu bättre teleskop astronomer att inse att solsystemet ligger i en galax som består av miljarder stjärnor och som vi kallar Vintergatan. De insåg också att det finns andra galaxer utanför den, så långt vi kan se. Detta startade en ny typ av astronomi som kallas kosmologi, där astronomer studerar vad dessa galaxer är gjorda av och hur de är utspridda genom så att de kan lära sig mer om universums historia och hur det fungerar. Genom att mäta galaxernas rödförskjutning upptäckte kosmologerna snart att universum expanderar (se: Hubble).

Big Bang

Den mest använda vetenskapliga modellen av universum är den så kallade Big Bang-teorin, som säger att universum expanderade från en enda punkt som innehöll all materia och energi i universum. Det finns många typer av vetenskapliga bevis som stöder Big Bang-teorin. Astronomer tror att Big Bang inträffade för cirka 13,73 miljarder år sedan, vilket gör att universum är 13,73 miljarder år gammalt. Sedan dess har universum expanderat till att vara minst 93 miljarder ljusår, eller 8,80 ×10 ²⁶meter, i diameter. Det expanderar fortfarande just nu, och expansionen blir allt snabbare.

Astronomerna är dock fortfarande inte säkra på vad som orsakar universums expansion. Därför kallar astronomerna den mystiska energi som orsakar expansionen för mörk energi. Genom att studera universums expansion har astronomerna också insett att det mesta av materian i universum kan vara i en form som inte kan observeras med någon vetenskaplig utrustning som vi har. Denna materia har fått namnet mörk materia. För att klargöra att mörk materia och energi inte har observerats direkt (det är därför de kallas "mörka"). Många astronomer anser dock att de måste existera, eftersom många astronomiska observationer skulle vara svåra att förklara om de inte fanns.

Vissa delar av universum expanderar till och med snabbare än ljusets hastighet. Detta innebär att ljuset aldrig kommer att kunna nå oss här på jorden, så vi kommer aldrig att kunna se dessa delar av universum. Vi kallar den del av universum som vi kan se för det observerbara universum.

Ordet universum kommer från det gamla franska ordet Univers, som kommer från det latinska ordet universum. Det latinska ordet användes av Cicero och senare latinska författare i många av samma betydelser som det moderna engelska ordet används.

En annan tolkning (sätt att tolka) av unvorsum är "allt roterade som ett" eller "allt roterade med ett". Detta hänvisar till en tidig grekisk modell av universum. I den modellen befann sig all materia i roterande sfärer centrerade kring jorden; enligt Aristoteles var rotationen av den yttersta sfären ansvarig för rörelsen och förändringen av allt inom den. Det var naturligt för grekerna att anta att jorden var stationär och att himlen roterade runt jorden, eftersom det krävs noggranna astronomiska och fysiska mätningar (t.ex. Foucaultpendeln) för att bevisa motsatsen.

Den vanligaste termen för "universum" bland de gamla grekiska filosoferna från Pythagoras och framåt var το παν (Allt), definierat som all materia (το ολον) och allt utrymme (το κενον).

Breddaste innebörd

Den bredaste betydelsen av universum finns i De divisione naturae av den medeltida filosofen Johannes Scotus Eriugena, som definierar det som allting: allt som existerar och allt som inte existerar.

Tiden beaktas inte i Eriugenas definition, vilket innebär att hans definition omfattar allt som existerar, har existerat och kommer att existera, liksom allt som inte existerar, aldrig har existerat och aldrig kommer att existera. Denna allomfattande definition antogs inte av de flesta senare filosofer, men något liknande finns inom kvantfysiken.

Definition som verklighet

Vanligtvis anses universum vara allt som existerar, har existerat och kommer att existera. Denna definition säger att universum består av två element: rymd och tid, tillsammans kända som rymdtid eller vakuum, och materia och olika former av energi och dynamik som upptar rymdtiden. De två typerna av element beter sig enligt fysikaliska lagar, i vilka vi beskriver hur elementen interagerar.

En liknande definition av begreppet universum är allt som existerar vid en viss tidpunkt, t.ex. nutid eller början av tiden, som i meningen "Universum var av storlek 0".

I Aristoteles bok Fysik delar Aristoteles in το παν (allting) i tre ungefär likadana delar: materia (det material som universum består av), form (materiens placering i rummet) och förändring (hur materia skapas, förstörs eller förändras i sina egenskaper, och på samma sätt hur formen förändras). Fysikaliska lagar var de regler som styr materiens egenskaper, form och deras förändringar. Senare filosofer som Lucretius, Averroes, Avicenna och Baruch Spinoza ändrade eller förfinade dessa indelningar. Averroes och Spinoza har till exempel aktiva principer som styr universum och som verkar på passiva element.

Definitioner av rymdtid

Det är möjligt att bilda rymd-tider, som var och en existerar men som inte kan beröra, flytta eller förändra (interagera med varandra). Ett enkelt sätt att tänka på detta är en grupp av separata tvålbubblor, där människor som bor i en tvålbubbla inte kan interagera med dem som bor i andra tvålbubblor. Enligt en vanlig terminologi betecknas varje "såpbubbla" i rumtiden som ett universum, medan vår särskilda rumtid betecknas som universum, precis som vi kallar vår måne för månen. Hela samlingen av dessa separata rymdtider betecknas som multiversum. I princip kan de andra osammanhängande universerna ha olika dimensioner och topologier av rumtiden, olika former av materia och energi samt olika fysiska lagar och konstanter, även om sådana möjligheter är spekulationer.

Observerbar verklighet

Enligt en ännu mer restriktiv definition är universum allt inom vår sammanhängande rumtid som kan ha en chans att interagera med oss och vice versa.

Enligt relativitetsteorin kan vissa områden i rymden aldrig interagera med våra regioner ens under universums livstid, på grund av ljusets begränsade hastighet och rymdens pågående expansion. Radiomeddelanden som sänds från jorden kan till exempel aldrig nå vissa regioner i rymden, även om universum skulle existera i all evighet; rymden kan expandera snabbare än vad ljuset kan passera genom den.

Det är värt att betona att dessa avlägsna regioner i rymden anses existera och vara en del av verkligheten lika mycket som vi, men vi kan aldrig interagera med dem, inte ens i princip. Den rumsliga region inom vilken vi kan påverka och påverkas betecknas som det observerbara universum.

Strängt taget beror det observerbara universum på var observatören befinner sig. Genom att resa kan en observatör komma i kontakt med en större region av rumtiden än en observatör som står stilla, så det observerbara universumet är större för den förra än för den senare. Trots detta kan inte ens den snabbaste resenären interagera med hela rymden. Med "observerbart universum" avses vanligtvis det universum som vi ser från vår utsiktspunkt i Vintergatan.

Universum är enormt och kanske oändligt stort. Den materia som kan ses är spridd över ett område som är minst 93 miljarder ljusår stort. Som jämförelse är diametern på en typisk galax endast 30 000 ljusår och det typiska avståndet mellan två närliggande galaxer endast 3 miljoner ljusår. Som exempel kan nämnas att vår Vintergatan är ungefär 100 000 ljusår i diameter, och vår närmaste systergalax, Andromedagalaxen, ligger ungefär 2,5 miljoner ljusår bort. Det observerbara universum innehåller mer än 2 biljoner (10¹² ) galaxer och totalt sett så många som uppskattningsvis 1×10²⁴ stjärnor (fler stjärnor än alla sandkorn på planeten jorden).

Typiska galaxer varierar från dvärggalaxer med så få som tio miljoner (10⁷ ) stjärnor till jättar med en triljon (10¹² ) stjärnor, som alla kretsar kring galaxens masscentrum. En mycket grov uppskattning utifrån dessa siffror skulle innebära att det finns omkring en sextiljon (10²¹ ) stjärnor i det observerbara universum. En studie från 2003 av astronomer från Australian National University resulterade dock i en siffra på 70 sextiljoner (7 x 10²² ).

Den materia som kan ses är spridd över hela universum när man räknar ut medelvärdet av avstånden på mer än 300 miljoner ljusår. På mindre längdsskalor observeras dock att materia bildar "klumpar", många atomer kondenseras till stjärnor, de flesta stjärnor till galaxer, de flesta galaxer till galaxgrupper och galaxhopar och slutligen de mest omfattande strukturerna, såsom galaxernas stora mur.

Universums totala densitet är för närvarande mycket låg, ungefär 9,9 × 10 10⁻³⁰ gram per kubikcentimeter. Denna massa-energi verkar bestå av 73 % mörk energi, 23 % kall mörk materia och 4 % vanlig materia. Tätheten av atomer är ungefär en enda väteatom per fyra kubikmeter volym. Egenskaperna hos mörk energi och mörk materia är inte kända. Mörk materia bromsar universums expansion. Mörk energi gör dess expansion snabbare.

Universum är gammalt och föränderligt. Den bästa gissningen av universums ålder är 13,798±0,037 miljarder år, baserat på vad man sett av den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen. Oberoende uppskattningar (baserade på mätningar som radioaktiva dateringar) stämmer överens, även om de är mindre exakta och varierar mellan 11-20 miljarder år. till 13-15 miljarder år.

Universum har inte alltid varit detsamma under hela sin historia. Att universum blir större förklarar hur jordbundna människor kan se ljuset från en galax 30 miljarder ljusår bort, även om ljuset bara har färdats i 13 miljarder år; själva utrymmet mellan dem har expanderat. Denna expansion stämmer överens med observationen att ljuset från avlägsna galaxer har rödförskjutits; de fotoner som sänds ut har sträckts ut till längre våglängder och lägre frekvens under sin resa. Hastigheten för denna rumsliga expansion accelererar, enligt studier av supernovor av typ Ia och andra data.

De relativa mängderna av olika kemiska grundämnen - särskilt de lättaste atomerna som väte, deuterium och helium - verkar vara identiska i hela universum och under hela den historia som vi känner till. Universum verkar ha mycket mer materia än antimateria. Universum verkar inte ha någon elektrisk nettoladdning. Gravitationen är den dominerande växelverkan på kosmologiska avstånd. Universum verkar inte heller ha något nettomoment eller vinkelmoment. Frånvaron av nettoladdning och rörelsemängd är förväntad om universum är ändligt.

Universum verkar ha ett jämnt kontinuum av rum och tid som består av tre rumsliga dimensioner och en temporal dimension (tid). I genomsnitt är rymden nästan platt (nära noll krökning), vilket innebär att den euklidiska geometrin experimentellt sett är sann med hög noggrannhet i större delen av universum. Universum kan dock ha fler dimensioner, och dess rumtid kan ha en global topologi med många kopplingar.

Universum har samma fysikaliska lagar och konstanter överallt. Enligt den rådande fysikens standardmodell består all materia av tre generationer leptoner och kvarkar, som båda är fermioner. Dessa elementarpartiklar interagerar via högst tre grundläggande interaktioner: den elektrosvaga interaktionen som omfattar elektromagnetism och den svaga kärnkraften, den starka kärnkraften som beskrivs av kvantkromodynamiken och gravitationen, som för närvarande bäst beskrivs av den allmänna relativitetsteorin.

Den speciella relativitetsteorin gäller i hela universum i lokal tid och rum. I annat fall gäller den allmänna relativitetsprincipen. Det finns ingen förklaring till de särskilda värden som fysiska konstanter tycks ha i hela vårt universum, t.ex. Plancks konstant h eller gravitationskonstanten G. Flera bevarandelagar har identifierats, t.ex. bevarandet av laddning, bevarandet av rörelsemängd, bevarandet av vinkelmängd och bevarandet av energi.

Allmän relativitetsteori

Exakta förutsägelser av universums förflutna och framtid kräver en korrekt gravitationsteori. Den bästa tillgängliga teorin är Albert Einsteins allmänna relativitetsteori, som hittills har klarat alla experimentella tester. Eftersom rigorösa experiment inte har utförts på kosmologiska längdskalor kan den allmänna relativitetsteorin dock tänkas vara felaktig. Dess förutsägelser verkar dock stämma överens med observationerna, så det finns ingen anledning att anta en annan teori.

Den allmänna relativitetsteorin består av en uppsättning tio icke-linjära partiella differentialekvationer för rymdtidens metrik (Einsteins fältekvationer) som måste lösas utifrån fördelningen av massa, energi och rörelsemängd i hela universum. Eftersom dessa är okända i exakta detaljer har kosmologiska modeller baserats på den kosmologiska principen, som säger att universum är homogent och isotropt. Denna princip innebär i praktiken att gravitationseffekterna av de olika galaxer som utgör universum är likvärdiga med effekterna av ett fint damm som är jämnt fördelat i hela universum med samma genomsnittliga densitet. Antagandet om ett enhetligt damm gör det lätt att lösa Einsteins fältekvationer och förutsäga universums förflutna och framtid på kosmologiska tidsskalor.

Einsteins fältekvationer innehåller en kosmologisk konstant (Lamda: Λ), som är relaterad till energitätheten i den tomma rymden. Beroende på dess tecken kan den kosmologiska konstanten antingen bromsa (negativ Λ) eller påskynda (positiv Λ) universums expansion. Även om många forskare, inklusive Einstein, hade spekulerat i att Λ var noll, har nyligen gjorda astronomiska observationer av supernovor av typ Ia upptäckt en stor mängd mörk energi som accelererar universums expansion. Preliminära studier tyder på att denna mörka energi är relaterad till en positiv Λ, även om alternativa teorier ännu inte kan uteslutas.

Big Bang-modellen

Den rådande Big Bang-modellen förklarar många av de experimentella observationer som beskrivs ovan, t.ex. korrelationen mellan avstånd och rödförskjutning hos galaxer, det universella förhållandet mellan väte- och heliumatomer och den allestädes närvarande, isotropa mikrovågsstrålningsbakgrunden. Som nämnts ovan beror rödförskjutningen på rymdens metriska expansion. När själva rymden expanderar ökar också våglängden för en foton som färdas genom rymden, vilket minskar dess energi. Ju längre en foton har färdats, desto mer expansion har den genomgått. Därför är äldre fotoner från mer avlägsna galaxer de mest rödförskjutna. Att fastställa korrelationen mellan avstånd och rödförskjutning är ett viktigt problem inom experimentell fysisk kosmologi.

Andra experimentella observationer kan förklaras genom att kombinera rymdens totala expansion med kärnfysik och atomfysik. När universum expanderar minskar den elektromagnetiska strålningens energitäthet snabbare än materiens, eftersom fotons energi minskar med våglängden. Även om universums energitäthet nu domineras av materia dominerades den alltså en gång av strålning; poetiskt sett var allting ljus. När universum expanderade minskade dess energitäthet och det blev svalare; när det gjorde det kunde materiens elementarpartiklar associeras stabilt till allt större kombinationer. I början av den materiedominerade eran bildades således stabila protoner och neutroner, som sedan associerades till atomkärnor. I detta skede var materian i universum huvudsakligen en varm, tät plasma av negativa elektroner, neutrala neutriner och positiva atomkärnor. Kärnreaktioner mellan atomkärnorna ledde till de nuvarande mängderna av lättare atomkärnor, särskilt väte, deuterium och helium. Så småningom förenades elektronerna och atomkärnorna för att bilda stabila atomer, som är genomskinliga för de flesta våglängder av strålning. Vid denna tidpunkt frikopplades strålningen från materien och bildade den allestädes närvarande, isotropa bakgrunden av mikrovågsstrålning som observeras idag.

Andra observationer är inte klart besvarade av den kända fysiken. Enligt den rådande teorin fanns det en liten obalans mellan materia och antimateria när universum skapades, eller så utvecklades den mycket kort därefter. Även om materia och antimateria för det mesta förintas och producerar fotoner, överlevde en liten rest av materia, vilket gav det nuvarande materiedominerade universumet.

Flera bevis tyder också på att en snabb kosmisk inflation av universum inträffade mycket tidigt i dess historia (ungefär 10⁻³⁵ sekunder efter dess skapelse). Nya observationer tyder också på att den kosmologiska konstanten (Λ) inte är noll och att universums nettomassa-energiinnehåll domineras av mörk energi och mörk materia som inte har karakteriserats vetenskapligt. De skiljer sig åt i sina gravitationseffekter. Mörk materia graviterar på samma sätt som vanlig materia och bromsar därmed universums expansion; däremot tjänar mörk energi till att påskynda universums expansion.

Multiverse-hypotesen

Vissa människor tror att det finns mer än ett universum. De tror att det finns en uppsättning universum som kallas multiversum. Per definition finns det inget sätt för något i ett universum att påverka något i ett annat universum. Multiversum är ännu inte en vetenskaplig idé eftersom det inte finns något sätt att testa den. En idé som inte kan testas eller som inte bygger på logik är inte vetenskap. Man vet alltså inte om multiversum är en vetenskaplig idé.

Detta är ett vetenskapligt ämne som kallas "Universums slutliga öde". Det är ett ämne inom kosmologin. Det finns möjliga scenarier för dess utveckling. Den grundläggande frågan är om dess existens är begränsad eller oändlig.

Universums framtid är ett mysterium. Det finns dock ett par teorier som bygger på universums möjliga former:

• Om universum är en sluten sfär kommer det att sluta expandera. Universum kommer att göra motsatsen och bli en singularitet för en ny big bang. Detta är Big Crunch- eller Big Bounce-teorin.
• Om universum är en öppen sfär kommer expansionen att påskyndas. Efter 22 000 000 000 000 (22 miljarder) år kommer universum att slitas sönder av kraften. Detta är Big Rip-teorin.
• Om universum är platt kommer det att expandera i all evighet. Alla stjärnor kommer att förlora sin energi.
• Efter ett googol år kommer de svarta hålen också att vara borta. Detta är universums värmedöd eller Big Freeze-teorin.
• En "Boltzmanns hjärna" kan uppstå, och slumpmässiga kvantfluktuationer och kvanttunnling kan generera en ny Big Bang efter otroligt lång tid. Under en oändlig tid kan entropin också minska genom Poincarés återkommande teorem eller genom termiska fluktuationer.

Kosmologerna är överens om att universums form anses vara "platt" (parallella linjer förblir parallella) och att det kommer att fortsätta att expandera i all evighet.