Den moderna kosmologins framväxt

Har universum en början? Frågeställningen hör till kosmogonin, en disciplin som är lika gammal som mänskligheten. Människan hann faktiskt inte lyfta blicken från jorden, förrän hon försökte förstå världen med sin tanke och därvid föreställa sig hur den kommit till och utvecklats. Hos alla folk finner man därför i deras äldsta traditioner berättelser om jordens och himlens uppkomst. De flesta av dessa söker finna en skapande aktör – en gud, en tanke eller ett element – bakom allt som existerar. I västerlandet har Genesis-berättelsen helt dominerat den kosmogoniska spekulationen ända fram till 1700-talet. Då såg vetenskaplig rationalism dagens ljus med teorier om världen som en maskin. Inflytandet från teologin avtog, men vetenskapen om världens uppkomst låg ännu så i sin linda att man inte kunde tänka sig ett annat datum för skapelsen än det som låg implicit i Skriften. Frågeställningen förföljde likväl dem som inte längre nöjde sig med ett oskapat (annat än genom ett gudomligt ingripande) universum, sådant det erbjöds av Newton. Inte tillfredsställda med att bara notera hur världen nu ansågs vara långt äldre, började forskarna ana vilka mekanismer som ligger bakom stjärnornas tillblivelse. Man lämnar efter hand tanken på en skapelse till förmån för fysikens sätt att betrakta världens tillkomst och utveckling. Under 1800-talet upptäcker astrofysiken helt riktigt hur stjärnorna har sitt ursprung i gasnebulosor. I dag avslöjar de bästa teleskopen embryona till de äldsta galaxerna, stjärnornas födelse inne i moln av interstellär vätgas, liksom planeternas framväxt inne i skivor av kosmiskt damm. Vi befinner oss alldeles uppenbart i ett kosmos där skapelsen ständigt pågår. Men kan vetenskapen förklara en ”verklig” början, universums egen tillblivelse?

Den kosmologiska revolution som pågått alltsedan 1900-talets början ställer den frågan och uppvisar en enorm ambition att besvara den. Denna revolution kan sammanfattas i en enda fras: Universum har inte alltid varit vad det är i dag, det har en historia, en början och en utveckling. Den teoretiska ramen fastlades av Albert Einstein, vilket man måste börja med att påminna om. Men det radikalt nya perspektivet är ett verk av två pionjärer, ryssen Alexander Friedmann (1888–1925) och belgaren Georges Lemaître (1894–1966). Åtminstone tre av deras texter, publicerade av den förre år 1922 och av den senare 1927 och 1931, gör dem till de verkliga upptäckarna av den så kallade Big bang, en av 1900-talets allra viktigaste vetenskapliga upptäckter.

De första teorierna: ett statiskt universum

År 1916 lägger Albert Einstein fram sina ekvationer om den allmänna relativiteten, en teori om gravitationen som skapar en ny begreppsapparat för att förstå universum. Enligt Einstein utgör gravitationen inte en attraktionskraft som den beskrivits av Newton. I stället är den ett resultat av rum-tidens krökning, som alstrats av fördelningen av massa och energi. Den allmänna relativitetsteorin tillåter oss att för första gången på ett relevant sätt närma oss det kosmologiska problemet, att lära känna universums struktur i dess helhet. Universum, som ända till då hade blivit förstått endast på ett vagt sätt, blir i själva verket en fysikalisk storhet, väl definierad genom sin geometriska rums-tidsliga struktur och sin sammansättning av materia, strålning och alla övriga energiformer.

Första gången en exakt kosmologisk teori framlades är 1917, av Einstein själv. Helt naturligt vill han använda sin nya teori för att skapa en global modell av universum. Han söker en statisk lösning, alltså en där materiens medeltäthet liksom radien för rymdens krökning förblir konstanta tiderna igenom. Einstein räknar med att hans fältekvationer är förenliga med hans ursprungshypoteser, men så är inte fallet generellt sett. Den modell av universum som han först ställde upp förutsätter inte att radien är konstant, detta eftersom en obeveklig gravitation påverkar varje himlakropp och strävar efter att destabilisera hypersfären. Einstein finner inget annat råd än att lägga till en term ad hoc – men matematiskt logisk – i sina ekvationer för gravitationsfältet. Tack vare detta knep kan Einstein hålla fast vid en statisk och oföränderlig bild av universum. Den nya termen, benämnd ”kosmologisk konstant”, har exakt samma värde överallt och alltid. Formellt sett kan den anta vilket värde som helst, men han fixerar den, för att ”tvinga” sin modell att förbli statisk. Därmed har han lagt fast den teoretiska ramen, själva ekvationerna. Den verkliga revolutionen skall komma från annat håll, från Alexander Friedmann, och Georges Lemaître.

De dynamiska teoriernas framväxt

Alexander Friedmann föddes i Sankt Petersburg 1888. Han avlade examen i matematisk fysik 1910 och är från 1920 professor vid Leningrads universitet, där han samtidigt leder arbetet i meteorologi, flygteknik och kosmologi. I en artikel publicerad 1922, ”Om rymdens krökning” tar han det steg som Einstein inte hade vågat ta: Om man överger tanken på ett statiskt universum, kan det kosmologiska problemet ha ett obegränsat antal relativistiska lösningar, enligt vilka rymden förändras i takt med tiden – vad fysikerna kallar dynamiska lösningar. Exempelvis skriver Friedmann i en populärvetenskaplig bok: ”Ett variabelt universum möjliggör mycket mera allmängiltiga modeller. I vissa fall utgår universums krökningsradie från ett specifikt värde och växer ständigt tiderna igenom, i andra fall varierar krökningsradien periodiskt, så att universum dras samman till en nollpunkt, för att därefter med början i denna öka till ett specifikt maximivärde, sedan åter dras samman till en enda punkt, och så vidare.”

För första gången i kosmologins historia har frågorna om universums begynnelse och slut formulerats vetenskapligt, men Friedmann kan inte avhålla sig från att dra en metafysisk slutsats: ”Man kan lika gärna tala om världens skapelse ur intet.” Friedmann är i själva verket inte bara en briljant fysiker, han är också en övertygad ortodox kristen: Bakom den allmänna relativitetsteorin anar han, hur Gud skapat världen (även om han aldrig i klartext skulle ha gett uttryck åt denna sin övertygelse i en vetenskaplig publikation). Säkert är att sedan termen ”världens skapelse” en gång lanserats på den relativistiska kosmologins arena, kommer den att framkalla såväl uppseende som missförstånd och psykologiskt blockera flertalet av den tidens fysiker, främst av dem Einstein, som omedelbart reagerar negativt.

Naturligtvis var Friedmann besviken. Eftersom han inte har tillstånd att lämna Sovjetunionen för att möta Einstein i Berlin och söka övertyga denne, skriver han ett förklarande brev och uppdrar åt sin vän Yuri Krutkoff, som har tillstånd att resa utomlands, att övertyga den berömde tyske fysikern. Uppdraget kröntes tydligen med framgång, eftersom Einstein år 1923 i sin korta ”Kommentar till A. Friedmanns arbete, ’Om rymdens krökning’”, medger att han räknat fel och säger, att han håller dennes resultat för ”korrekta och klargörande”.

Kan man ur detta dra slutsatsen att Einstein till slut medger, att Friedmanns upptäckt är av den karaktären att man kan teckna en ny bild av universum? I ljuset av hans senare betänkligheter gentemot Lemaîtres arbete är detta knappast troligt. Einsteins attityd visavi det kosmologiska problemet ger uttryck åt en sorts olust som egentligen aldrig upphör.

Ett expanderande universum

Kring mitten av 1920-talet leder experimentella fakta till att man börjar ifrågasätta existensen av ett statiskt universum. Sålunda påpekar den brittiske astrofysikern Arthur Eddington år 1924, att av 41 spiralnebulosor, vilkas spektrum uppmätts av den amerikanske astronomen Vesto Slipher, hela 36 uppvisar en förskjutning mot rött. Året därefter, alltså 1925, bevisar Edwin Hubble, att spiralnebulosorna är extragalaktiska. Han bekräftar på så sätt, att det finns andra galaxer som liknar vår egen, och att det observerbara universum är långt större än vad man dittills kunnat tänka sig. Än viktigare, allt fler observationer gör det uppenbart, att ljuset från de avlägsna galaxerna konsekvent är förskjutet mot rött. Detta kan tolkas som en dopplereffekt och antyder, att de alla avlägsnar sig från oss med stor hastighet. Hur är det möjligt?

Det är Lemaître som löser gåtan. Född i Charleroi år 1894 fick han sina ingenjörsstudier avbrutna av första världskriget. Han kom därefter att ägna sig åt teoretisk fysik. Parallellt därmed prästvigdes han år 1923. Efter att i forskningssyfte ha besökt Storbritannien (där han arbetade hos Eddington) och Förenta staterna (där han träffade Slipher), utnämndes han 1927 till professor vid universitetet i Louvain. Han delade de föraningar som Friedmann hade haft – utan att ännu känna till hans verk – och kom att utveckla dem för att bygga upp basen för den moderna teorin om Big bang. Samma år som han återvänder publicerar Lemaître på franska sin grundläggande artikel, ”Ett homogent universum med konstant massa och växande radie förklarar radialhastigheten hos de extragalaktiska nebulosorna”. Som dess titel antyder knyter han samman rymdens utvidgning, som följer ur den allmänna relativitetsteorins kosmologi, med Sliphers och Hubbles observationer av hastigheten hos de bortflyende galaxerna. Bland de möjliga lösningarna till Einsteins ekvationer väljer han en modell som förutsätter en ständigt accelererande utvidgning. Han justerar därvid värdet på den kosmologiska konstanten på ett sådant sätt att universums radie ständigt växer från att ha haft en viss utsträckning redan i ett oändligt avlägset förflutet. Det är alltså inte frågan om en enda unik ”början” för universum vid en bestämd tidpunkt i det förflutna. Men den stora nyheten är att Lemaître är den förste som förklarar de kosmologiska spektrumens förskjutning mot rött med att rymdens radie växer och inte med att galaxerna själva rör sig. Universum utvidgas kontinuerligt, och som en följd därav växer skenbart avstånden mellan objekten i detta universum. Vidare, genom att använda sig av de astronomiska rön som då var kända påvisar Lemaître ett direkt samband mellan den hastighet med vilken galaxerna tycks avlägsna sig och avståndet till dem, detta enligt en lag som senare kom att tillskrivas Hubble.

Den grundläggande betydelsen hos Lemaîtres arbete passerar obemärkt förbi. När han för första gången träffar Einstein vid Solvay-konferensen år 1927, säger den celebre fysikern till honom: ”Era beräkningar är korrekta, men ur fysikens synvinkel tycks de mig vara helt motbjudande!”

Uratomen

Samma år som hans tidigare arbete börjar bli accepterat av vetenskapssamhället, vågar Lemaître framföra en än djärvare hypotes: Om universum expanderar nu, bör det inte i så fall ha varit mindre och tätare i det förflutna? I sin bok The Expanding Universe, publicerad i mars 1931, introducerar han det revolutionerande begreppet ”uratom”: För länge sedan bör universum ha varit så förtätat att det skulle kunna betraktas som ”ett kvantum av ren energi”. Lemaître beskriver sålunda i grova drag för första gången ett samband mellan kosmologi och kvantfysik, en disciplin som just höll på att växa fram.

Denna tanke blev starkt ifrågasatt av hans kolleger i forskarvärlden. Det faktum att Lemaître var matematiker och präst skapade ett naturligt motstånd mot denna nya världsbild. Enligt Eddington ”är tanken att världen har en början motbjudande”, medan Einstein å sin sida betraktar hypotesen om uratomen som ”inspirerad av den kristna dogmen om skapelsen och totalt omotiverad från fysikens perspektiv”. Denna reaktion var orättfärdig, eftersom världens fysiska början var något helt annat för Lemaître än metafysikens skapelsetanke. För honom representerade vetenskap och religion helt skilda synsätt i förståelsen av världen. Lemaître hade en naturlig föreställning om ursprunget som tydligt skilde sig från tanken på en övernaturlig skapelse: ”Jag menar, att den som tror på ett högre Vara bakom varje varelse och varje handling, också tror att Gud till sin natur är fördold och kan glädja sig över att se hur fysiken i själva verket tillhandahåller en slöja som döljer skapelsen”, skriver han i en opublicerad text från år 1931. För prästen-forskaren kommer Gud alltid att förbli ett högsta och otillgängligt Vara. Detta tillåter honom att hålla kvar världens ursprung inom fysikens strikta gränser utan att blanda in en övernaturlig skapelseakt. Det är viktigt att betona denna teologiska stringens, när man i våra dagar ser hur kosmologerna jämför bilden av den diffusa kosmiska mikrovågsstrålningen med ”Guds ansikte”!

Det var vid mitten av 1960-talet som man slutligen kom att upptäcka denna fossila strålning, nerkylda spår av uratomen, ironiskt kallad Big bang av dess mest obeveklige motståndare, den brittiske astrofysikern Fred Hoyle. Efter att ha avvisats under ett halvt sekel kom Lemaîtres teori slutligen att accepteras av majoriteten kosmologer, men utan att rättvisa ändå skipades för dess upphovsman. I det allmänna medvetandet, stött av talrika vetenskapsskribenter som skrivit för den breda publiken, har universums expansion och Big bang kommit att tillskrivas Edwin Hubble och Albert Einstein. Och även om Hubble förvisso experimentellt visade på det lineära sambandet mellan rödförskjutningen i galaxernas spektra och avståndet till dem, så upptäckte han varken den systematiska spektralförskjutningen (det var det Vesto Slipher som gjorde) eller accepterat den relativistiska tolkningen av observationerna, alltså att det är själva rymden som utvidgas i stället för en verklig förflyttning av galaxerna. Och vad beträffar den geniale upptäckaren av relativitetsteorin, så förkastade han under mer än tio år tanken på ett universum i utveckling.

Friedmann och Lemaître inledde en vetenskaplig revolution av samma betydelse som den kopernikanska revolutionen. I den förkopernikanska kosmologin var rymdens centrum en mycket speciell plats, Jorden. I den förfriedmannianska kosmologin begränsades universums utveckling i tiden till ett mycket speciellt fall, det statiska, alltså avsaknaden av all utveckling. Den kosmologi som oåterkalleligen introduceras av Friedmann och Lemaître talar om ett historiskt universum och dettas begynnelse. Friedmann och Lemaître skriver därmed in sig i den lista på stora förnyare som omfattar namn som Ptolemaios, Kopernikus, Kepler, Galilei, Newton och Einstein.

Översättning: Tord Fornberg

Artikeln var ursprungligen publicerad i tidskriften Études januarinummer 2014.

Lästips

Den moderna kosmologins framväxt skildras mera utförligt av Stephen Hawking i hans båda böcker Kosmos. En kort historik (2. uppl., Rabén Prisma 1997) och Universum i ett nötskal (Prisma 2002).

Jean-Pierre Luminet är astrofysiker, verksam vid Paris-Meudon-observatoriet.