Det mindste i det største – Big Bang og elementarpartiklernes verden

Resumé af festtalen ved Aarhus Universitets årsfest
Af lektor Steen Hannestad

Kosmologi – videnskaben, som beskæftiger sig med de fysiske egenskaber af hele universet – er formentlig lige så gammel som menneskeheden. Til gengæld har den ændret sig radikalt op gennem forrige århundrede, med nogle af de største nye opdagelser inden for de seneste få år. Indtil omkring 1920 mente man, at hele universet bestod af vores egen galakse Mælkevejen. Men i 1922 påviste man for første gang eksistensen af andre galakser, og med et slag kunne universets størrelse regnes i milliarder af lysår. Ganske kort tid efter opdagede den amerikanske astronom Edwin Hubble, at universet udvider sig hele tiden. Begge opdagelser har haft dramatiske konsekvenser for vores forståelse af universet. Størrelsen af universet betyder, at ikke bare er Jorden ikke noget specielt i solsystemet, vores galakse er heller ikke noget specielt i universet, blot en blandt millioner af andre galakser. Samtidig betyder udvidelsen af universet, at det tidligere må have set ganske anderledes ud. Tætheden af stof og temperaturen har været langt højere, og hvis man går omkring 13,7 mia. år tilbage i tiden, har universet været så varmt og energierne så ekstreme, at vores nuværende fysiske modeller ikke formår at beskrive det – dette er selve Big Bang. Med hensyn til observationer har man siden begyndelsen på den moderne kosmologi i 1920’erne jagtet stadig større skalaer, og man er i moderne tid nået op på at kunne se millioner af galakser over afstande på milliarder af lysår.Den såkaldte kosmiske baggrundsstråling er i en vis forstand det endelige mål i denne søgen. Baggrundsstrålingen består af mikrobølger og blev dannet kun 300.000 år efter selve Big Bang. Når vi observerer disse mikrobølger, har de derfor været undervejs til os i mere end 13 milliarder år. Baggrundsstrålingen repræsenterer det længste, man nogensinde vil kunne se bort fra Jorden.

Protroner, neutroner og kvarker

Spørgsmålet er nu, hvor partikelfysikken kommer ind i billedet. For at forstå det må man et øjeblik vende blikket bort fra de store afstande i kosmologien og se på elementarpartiklernes verden. For at undersøge atomkerners struktur skal man bruge energier på millioner af elektronvolt. Ud fra sådanne studier ved vi, at atomkerner består af protoner og neutroner, og ved at skrue yderligere tusind gange op for energien kan man se, at protoner og neutroner består af de såkaldte kvarker.

På det fælleseuropæiske partikelfysiklaboratorium CERN i Genève er man ved at færdiggøre den såkaldte Large Hadron Collider (LHC)-accelerator, som vil komme op på energier på omkring 10.000 milliarder elektronvolt. Problemet er dog, at disse acceleratorer er bekostelige og tager meget lang tid at udvikle og bygge.

Kosmologi

Kosmologi rummer et naturligt alternativ til den eksperimentelle partikelfysik. Når man går tilbage i tiden bliver temperaturen i universet højere og højere. Universets nuværende temperatur er kun 2,7 grader Kelvin (altså grader over det absolutte nulpunkt). Da baggrundsstrålingen blev dannet, var temperaturen for eksempel 3.000 grader Kelvin. Temperaturen er et mål for energien i de partikler, der befinder sig i universet, og ved at gå tilpas langt tilbage i tiden kan man derfor nå energier, som ligger over, hvad acceleratorer som LHC kan producere. Ved at lave meget præcise målinger af baggrundsstrålingen samt af strukturen af galakser i det nuværende univers kan man aflæse det meget svage fingeraftryk af, hvad der foregik i det meget tidlige univers og dermed lave partikelfysik på en helt anden måde. Der er altså en fundamental dualitet mellem de mindste og de største størrelser – elementarpartiklerne og hele universet.

De første milliardtedele af et sekund

Dette grænseland mellem kosmologi og partikelfysik er internationalt et af de mest aktive forskningsområder. Det er specielt spændende, fordi det er drevet af nye observationer, som igen er drevet af udviklingen af ny teknologi, og fordi det rører ved nogle meget fundamentale spørgsmål: Hvorfor ser vores univers ud, som det gør? Er det muligt at forstå, hvad der skete i det meget tidlige univers?I de kommende år vil vi få adgang til en række nye kosmologiske målinger, blandt andet målinger af den kosmiske baggrundsstråling af den europæiske satellit Planck, der opsendes i slutningen af 2007 og har dansk deltagelse. Der vil også komme andre, helt nye typer målinger inden for de næste fem år. Samtidig er der også den måske endnu mere spændende mulighed, at vi kan begynde at studere præcis hvad der skete i de første milliardtedele af et sekund af universets eksistens. De kommende år tegner ekstremt lovende, og jeg tør godt love nye og overraskende opdagelser.

Powerpoint præsentationen fra festforelæsningen kan hentes her.