Lífspekifélagið

Gunnar Dal - Stórasprengja

 
Ekki vísindaleg tilgáta heldur mælanleg staðreynd.


Hvað var fyrst? Hvað er það sem gerist “í upphafi”? Vitum við það eða vitum við það ekki?

Allar heimspekistefnur eru svar við þessari spurningu. En hér verður aðeins leitast við að bregða upp hinni vísindalegu heimsmynd sem verður til eftir 1965. Sú heimsmynd svarar ekki þessari spurningu. Hún svarar hins vegar spurningunni: Hvað var fyrst í okkar “efnislega alheimi?” Hún hefur þá sérstöðu meðal heimshugmynda að byggjast eingöngu á mælanlegum staðreyndum, túlkuðum með stærðfræði. Hún fjallar ekki um heimspeki eða trú, og hún svarar ekki spurningum um hvað var á undan okkar alheimi, og hvað verður eftir að hann líður undir lok.

Hvað er þá fyrst samkvæmt þessari heimsmynd vísindanna? Það er ekki mikið miðað við allan hinn gífurlega og endalausa margbreytileika tilverunnar sem við þekkjum. Í upphafi, nánar tiltekið einum hundraðasta úr sekúndu frá byrjun alheimsins, er aðeins til þrennt, sem síðar verður efnisheimurinn: Ljóseindir eða fótónur (frumeiningar ljóssins), fiseindir og andfiseindir og kvarkur og andkvarkur.

Fyrsta sekúndubrotið er ekki þekkt, en talið er af mörgum efnafræðingum að þá ríki eitt alheimslegt lögmál sem svo til strax greinist í kraftana fjóra sem síðar urðu orsök alls sem gerist í öllum alheimi gegnum tíðina. Þeir virðast hlýða hinu sama alheimslega lögmáli og hafa svipaðan styrkleika. Sé þetta rétt eru kraftarnir fjórir, þyngdarafl, rafsegulkraftur, sterku og veiku kraftarnir í eðli sínu einn kraftur. Kaos, hin gríska ringulreið, var aldrei til. Í upphafi er ekkert til af því sem við nú köllum efni. Atóm eru ekki til og þess vegna ekki nein frumefni. Atómkjarnar eru ekki heldur til og hvorki nifteindir né róteindir. Ástæðan fyrir þessu, að því er virðist fábreytilega upphafi, er einföld. Hitinn er allt of mikill. Allt efni brotnar niður við ákveðið hitastig. Við aðeins nokkur þúsund gráður brotnar atóm niður í rafeindir og kjarna. Við nokkur þúsund milljón gráður brotnar atómkjarninn niður í róteind og nifteind. Og við hitastig sem er nokkrar milljónir milljóna gráða brotna róteindir, nifteindir og allar hadrónur niður í frumhluta sína sem menn nefna kvark. Fyrstu sjö hundruð þúsund árin í sögu alheims okkar er hitinn að lækka niður í 109K,( 1 með 9 núllum á eftir - gráður á Kelvinskvarða) en það hitastig er, ef svo mætti segja, landamæri þess sem við nú köllum efni. Svona einfalt er þetta upphaf. Örsmáar agnir á frjálsri hreyfingu. Annað ekki.

Og frá þessu einfalda upphafi er öll þessi óendanlega margbreytilega tilvera komin og lífið sjálft. Það er engu líkara en efni komi frá því sem er ekki efni í okkar merkingu orðsins og líf frá algerum dauða. Enginn býst við að líf geti þrifist í þúsund milljóna stiga hita, eða hvað? Vantar hér óþekktar víddir í heimsmyndina? Enn er hinum stóru spurningum ósvarað, og þessi ritsmíð fjallar ekki um þær, aðeins mælanlegar staðreyndir, heimsmynd vísindanna. Samkvæmt henni er allur hinn þekkti heimur okkar upphaflega eldhnöttur, mjög heitur og geysilega þéttur. Sumir hafa kallað þennan eldhnött „Alheimseggið“ og aðrir „Hið eina upphaflega atóm.“ Þessi hnöttur springur fyrir 12 til 18 milljörðum ára og síðan hefur alheimurinn verið í stöðugri útþenslu.

Í byrjun var þetta kenning. En eftir 1965 breytist kenningin að dómi nær allra vísindamanna í mælanlegar staðreyndir. Rökin fyrir þessari heimsmynd eru svo sterk að flestir líta á þau sem sönnun. Þeir menn sem upphaflega settu fram kenninguna um stórusprengju gerðu það með stærðfræðilegum útreikningum. Samkvæmt þessum útreikningi töldu þeir að um allan alheim ættu að finnast leifar þessarar sprengju. Þeir reiknuðu út núverandi hitastig þessara leifa, öldulengd þeirra og geislun. Það er augljóst að mælikvarðinn á sannleiksgildi þessarar kenningar um stórusprengju var að þessar leifar fundust og mældust svipaðar því sem reiknað var með. Og þær fundust af allt öðrum mönnum en höfundum kenningarinnar. Þær hafa fundist um allan heim hvar sem menn mæla. Og mælingar sýndu að þær hafa nokkurn veginn sama hitastig og sömu öldulengd og reiknað hafði verið út fyrir fram. Og rökin eru fleiri. Það hafði líka verið reiknað út af höfundum kenningarinnar um stórusprengju, að helíum ætti, ef kenningin væri rétt, að vera um fjórðungur eða meira af efnismagni alheimsins. Mælingar hafa staðfest þetta. Helíum hefur alls staðar reynst vera fjórðungur eða meira af efnismagninu.

En hvað er það þá sem raunverulega gerðist í stórusprengju? Um það hefur fremsti efnafræðingur okkar tíma og eftirmaður Einsteins, Steven Weinberg, skrifað bókina THE FIRST THREE MINUTES, A modern View of the Origin of the Universe. Sú bók er helsta heimild þess sem hér fer á eftir.

Weinberg skiptir því sem gerist á fyrstu sekúndubrotum og fyrstu þremur mínútum niður í sex tímabil.



Fyrsta tímabil.



Fyrsta tímabil sköpunarinnar stendur yfir aðeins einn hundraðasta úr sekúndu. Það er tímabil hins mesta þéttleika og hins mesta krafts. Hitinn er mjög mikill, hugsanlega 1032(þrjátíu og þriggja stafa tala), gráður á Kelvinsmæli. Við þessar aðstæður eru engin atóm, eins og fyrr segir. Á þessu fyrsta tímabili eru aðeins til ljóseindir, fiseindir og kvarkur. Það er aðeins til geislun, öðru nafni ljós. Heimurinn er á þessu stigi mismunandi tegundir af geislum. Efnið verður til úr ljósi. Efni verður fyrst til við árekstur ljóseinda, þó að ljóseindir hafi hvorki þyngd né efnismassa. Þetta byggist á formúlu Einsteins E=mc2. Þessi formúla þýðir að hver efnisögn getur breyst í orku. E í þessari formúlu er orka, m efni og c hraði ljóssins. En hún þýðir líka að tveir skammtar af geislun eða tvær ljóseindir sem hafa nægilega mikla orku, það er að segja orku sem er jafnmikil og mc2 eða meiri, geta þegar þær rekast á horfið sem slíkar og hætt að vera ljóseindir, en orka þeirra breytist í tvær efniseiningar, sem hafa bæði þyngd og massa. Sé orkan minni en mc2 geta ljóseindir ekki myndað efniseindir við árekstur. Fram á þetta er hægt að sýna á efnarannsóknarstofum, en þetta gerist aðeins í árdaga. Heimurinn er fyrir löngu orðinn allt of kaldur til að þetta geti gerst. Lágmarkshiti til að breyta ljóseindum í efnisagnir er 6 X109 K, eða sex þúsund milljón gráður á Kelvinsmæli. Þetta gerist aðeins þrjár fyrstu mínúturnar í sögu alheimsins. Hitastig alheimsins lækkar í hlutfalli við það að heimurinn stækkar. Heimurinn kólnar mjög ört við útþensluna. Eftir þrjár mínútur ætti hitinn að vera kominn niður í 109 K eða þúsund milljón gráður. Þetta eru landmæri efnisins eins og fyrr segir.

Sérhver efnisögn hefur sín sérstöku hitamörk, sem eru skilyrði fyrir því að efni skapist í geislun. Öll efni geta myndast við árekstur ljóseinda. Allar hinar upphaflegu atómagnir sem löngu síðar mynduðu fyrstu atómin geta myndast úr ljóseindum. Það er grundvallarregla í nútíma efnafræði að hver einstök efnisögn í náttúrunni á sér það sem kalla mætti andefni meðnákvæmlega sama efnismassa og snúningi en gagnstæðri rafhleðslu. Þess vegna koma efnin fram tvö og tvö saman við árekstur ljóseinda. Þessar efnisagnir, róteindir og nifteindir, sem síðar mynduðu atóm, komu fram við mismunandi hitastig. Við þessi skilyrði myndast efnið úr ljósi, bæði hinu sýnilega og hinu ósýnilega. Þetta gerist líka öfugt. Það er að segja efnisagnir sem hafa efnismassa og þunga rekst saman og breytast í ljóseindir án efnismassa og þunga. Og við þær aðstæður sem ríktu í upphafi heimsins gerist þetta með geysilegum hraða. Við getum, ef við viljum, sagt. Í upphafi var ljósið. Allt er skapað úr ljósi. Allt er ljós í umbreyttri mynd.



Annað tímabil.



Á öðru tímabili sem hefst eftir að einn hundraðasti úr sekúndu er liðinn og stendur yfir aðeins einn tíunda hluta úr sekúndu, er alheimurinn orðinn aðeins fjögur ljósár að ummáli, sem er ekki mikið þegar haft er í huga að nú eru fjarlægustu stjörnur mældar í 10 milljarða ljósára fjarlægð (og sú fjarlægð á vafalaust eftir að aukast upp í 12 til 18). Samt er um sama efnismagn að ræða þá og nú. Það þýðir að hann er um það bil 3,8 þúsund milljón sinnum þéttari og þyngri en vatn við núverandi aðstæður á jörðinni. Alheimurinn þenst á þessu tímabili mjög ört út en það þýðir að bilin milli efnisagnanna stækka í réttu hlutfalli við útþensluna. Og hann kólnar líka í réttu hlutfalli við þessa útþenslu. Á þessu tímabili er hitinn kominn niður í 100 þúsund milljón gráður eða 1011 á Kelvinsmæli. Við þennan hita geta atóm ekki myndast. Atómkjarni getur að vísu myndast en hann splundraðist aftur á svipstundu. Róteindir og nifteindir eru því til, en aðeins ein á móti þúsund milljón ljóseindum og eindum sem hegða sér eins og geislaskammtar. Og róteindir og nifteindir breytast mjög ört, róteind í nifteind og nifteind í róteind. En varanlegir atómkjarnar eru enn engir til.



Þriðja tímabil.



Nú eru liðnar 0,12 sekúndur frá upphafi heimsins. Hitinn hefur fallið niður í 30.000 milljón gráður. Heimurinn hefur að sjálfsögðu þanist út og þéttleikinn minnkað niður í að vera 30 milljón sinnum meiri en þéttleiki vatns. Heimurinn er í hitajafnvægi og mestmegnis geislun. En hér gerast mikilvægar breytingar, þróun sem stefnir í átt til myndunar fyrsta varanlega atómkjarnans. Fyrir þetta tímabil var til jafnmikið af róteindum og nifteindum. Nú breytist þetta hlutfall þannig að nifteindir verða 38 af hundraði en róteindir 62 af hundraði.



Fjórða tímabill.



Á fjórða tímabili er hitinn fallinn niður í 10.000.000.000 gráður eða 1010 á Kelvinsmæli. Og það er liðin 1.1 sekúnda frá upphafi sköpunarinnar. Heimurinn breytist stöðugt og verður flóknari. Róteindir og nifteindir eru ekki enn farnar að mynda varanlega atómkjarna, en hlutföllin eru alltaf að breytast í rétta átt. Nú eru nifteindir orðnar aðeins 24 af hundraði en róteindir 76 . Heimurinn stækkar með ógnarhraða og þéttleikinn er nú aðeins 380.000 sinnum þéttari en vatn . Eðlilegt er að menn spyrji: Hvernig geta menn sett fram allar þessar afdráttarlausu fullyrðingar. Enginn hefur séð þetta gerast! En þetta er allt eitt og sama reikningsdæmið þar sem gefnar eru þekktar stærðir. Sé dæmið í grundvallaratriðum rangt fellur stærðfræði Einsteins. Og stærðfræðin túlkar hér eingöngu mælanlegar staðreyndir.



Fimmta tímabil.



Nú eru liðnar 13,83 sekúndur frá upphafi heimsins og hitinn er 3000 milljón gráður. Nú ætti að fara að styttast í það að nifteindir og róteindir myndi varanlegan atómkjarna í fyrsta skipti og grundvöllur sé lagður undir það sem við köllum efni. En að þessu er þó enn ekki komið. Heimurinn er orðinn nógu kaldur til að atómkjarni venjulegs helíums He4 gæti myndast. Hann þolir mjög mikinn hita án þess að leysast upp. En hann getur ekki myndast án trítíum atómkjarna eða kjarna úr helíum þrír. Þessir atómkjarnar þola miklu minni hita og springa við 3 X109K. Þyngri atómkjarnar geta þess vegna ekki orðið varanlegir. Trítíum eða þrívetni er þyngsta tegund vetnis H3. Í atómkjarna þess er ein róteind og tvær nifteindir. Helium þrír hefur hins vegar atómkjarna sem í eru tvær róteindir og ein nifteind. Á fimmta tímabilinu verða þær breytingar helstar að rafeindir og pósítrónur sem verið hafa helstu einingar alheimsins fram að þessu að víkja nú mjög ört og við það seinkar nokkuð kælingu heimsins. Þegar talað er um hita frá þessari stundu er átt við hita ljóseindanna. Hlutfallið milli róteinda og nifteinda er enn að breytast. Nifteindir eru nú orðnar 17 af hundraði en róteindir 83.



Sjötta tímabil.



Það hefur gerst! Stóra stundin er runninn upp. Hinir fyrstu varanlegu atómkjarnar hafa orðið til. Grundvöllur efnisins í okkar merkingu orðsins hefur verið lagður. Þrjár mínútur og tvær sekúndur eru liðnar. Hitinn er kominn niður í þúsund milljón gráður, 109K. Hann er ekki nema sjötíu sinnum meiri en hitinn í miðju sólarinnar nú. Rafeindir og pósítrónur eru að mestu horfnar, en helstu einingar heimsins eru áfram ljóseindir, fiseindir og andfiseindir. Og stuttu eftir upphaf þessa tímabils er hinu þýðingarmikla takmarki náð. Alheimurinn er orðinn nógu kaldur til að róteindin og nifteindin geti myndað atómkjarna þungs vetnis. Þessi þungi vetniskjarni getur síðan rekist á róteind eða nifteind og myndað annað hvort atómkjarna helium þrír He3 eða atómkjarna þyngsta vetnis sem kallað er trítíum H3. Loks getur helium þrír rekist á nifteind og myndað átómkjarna venjulegs helíums He4. Og það getur líka myndast með því að trítíum atómkjarni rekist á róteind, því að í atómkjarna venjulegs helíums eru tvær róteindir og tvær nifteindir. Og nú er kominn fram varanlegur atómkjarni í tvö fyrstu frumefni, vetni og helíum. Þegar atómkjarnar fara að myndast hverfa svo til allar nifteindir sem eftir eru, um 13%, inn í atómkjarna helíums. Og þær eru um helmingur þess þunga sem er í helíum. Ef þessi útreikningur er réttur þá ætti helíum að vera 26% af því efni sem er í okkar þekkta alheimi. Rannsóknir og mælingar hafa sýnt að helíum er örlítið meira. En það þýðir aðeins að sá tími þegar varanlegir atómkjarnar fara að myndast hefur byrjað örlítið fyrr eða þegar nifteindir voru 14 af hundraði á móti 86 af róteindum. Vetrarbrautir og sólir eru síðar myndaðar úr þessum tveimur fyrstu frumefnum, vetni og helíum í hlutföllunum 22 til 28 af hundraði helíum, hitt er vetni. Rannsóknir og mælingar margra vísindamanna á ólíkum stöðum hafa staðfest þetta og þær eru í góðu samræmi við það sem höfundar þessarar heimsmyndar höfðu áður reiknað út. Þetta ásamt mælingunum í leifum stórusprengju sem einnig voru reiknaðar út áður en farið var að mæla þær, þykja svo sterk rök að flestir telja þessa heimsmynd sem hér hefur verið lýst ekki kenningu heldur vísindi, mælanlegar staðreyndir túlkaðar með stærðfræði.



Sjöunda tímabil.



Þetta tímabil er annars eðlis en hin sex. Það er eins og í sköpunarsögunni eins konar hvíldardagur. Gífurleg sköpun hefur farið fram á aðeins þremur mínútum. Næstu sjö hundruð þúsund árin gerist tiltölulega lítið. Myndin er allan þennan tíma að skýrast og festast. Heimurinn heldur auðvitað áfram að þenjast út og kólna. Ljóseindirnar skilja við “efnið” en það er skilyrði þess að atóm geti myndast. Þegar 34 mínútur og 40 sekúndur er liðnar frá upphafi heimsins er hitinn 300 milljón gráður. Þessi heimur er enn gjörólíkur þeim sem við lifum í. Á þrítugustu og fimmtu mínútu frá stórusprengju hefst sjö hundruð þúsund ára samningarfundur atómkjarna og rafeinda sem lýkur með sameiningu og atómið verður til. Þar með er grundvöllur efnisheimsins lagður.Mörgum kann að finnast þetta hart undir tönn og enginn skemmtilestur.Vonandi eru hinir þó fleiri sem telja raunverulega þekkingu á upphafi þessa alheims okkar einnar messu virði.