Hvor gammelt er universet? Har det alltid eksistert?

Mange har fått med seg at astrofysikere har bestemt universets alder til å være 13,8 milliarder år. Nylig var universets endelige alder et av argumentene Espen Ottosen viste til i en kronikk publisert på NRK Ytring:

Vitenskapen har vist at universets alder er endelig, og med premisset om alt som begynner å eksistere må ha en årsak, blir konklusjonen at universet må ha en årsak, som for Ottosen selvsagt er Gud.

Mangler fødselsattest

I virkeligheten har kosmologer ingen anelse om hvor gammelt universet er. Det ikke noe arkiv der universets fødselsdag er notert, og vi har ingen direkte metode vi kan bruke for å bestemme den.

I virkeligheten har kosmologer ingen anelse om hvor gammelt universet er.

Noe vi derimot kan gjøre, er å finne alderen til objekter i universet. Siden logikk tilsier at universet ikke kan være yngre enn objektene som befinner seg i det, kan vi på denne måten finne nedre grenser for t0 («Universets år 0»).

Studier av radioaktive prosesser viser at jorda er rundt 4,5 milliarder år gammel, så det er klart at universet må være eldre enn dette. Vi kan bruke observasjoner av gamle stjernehoper, sammen med fysiske modeller for hvordan stjerner utvikler seg, og finne at noen hoper er rundt 12 milliarder år gamle. Så universet må være eldre enn 12 milliarder år.

Slike målinger gir oss imidlertid bare nedre grenser, og vi vil gjerne vite hva alderen egentlig er.

Hvordan kom man fram til at den er 13,8 milliarder år? Svaret på dette spørsmålet bringer oss til Big Bang-modellen.

Universet er en bolledeig som hever

I 1929 publiserte Edwin Hubble observasjoner som viste at fjerne galakser er på vei vekk fra oss, med hastigheter som er større desto lengre unna oss de er. Den generelle relativitetsteorien ga rammeverket som Hubbles målinger kunne tolkes innenfor, og resultatet ble Big Bang-modellen. Dersom vi antar at vi ikke befinner oss på noe spesielt sted i universet, sier teorien at alle galakser er på vei vekk fra hverandre, og at dette kan forstås som en konsekvens av at rommet mellom dem utvider seg.

Et bilde på dette som kan være nyttig om det ikke skyves for langt, er en rosinbolledeig som står til heving. Avstanden mellom rosinene vil øke med tiden. Årsaken er ikke at rosinene flytter på seg, men at deigen mellom dem eser ut. Rosinene svarer til galaksene, deigen til rommet.

En konsekvens av Big Bang-modellen er at galaksene må ha vært nærmere hverandre i fortiden. Går vi langt nok tilbake i tid, tilsier modellen at alle galaksene befant seg på samme sted. Slik har det selvsagt ikke vært i virkeligheten, for før universet var omtrent en halv milliard år gammelt fantes det ikke galakser. I de første fasene av historien var universet en varm suppe av elementærpartikler som kvarker og elektroner. Men det hindrer oss ikke i å ekstrapolere modellen vår tilbake til et tidspunkt da alle avstander var lik null. Lengden av tidsrommet vi må ekstrapolere modellen vår for å komme til denne tilstanden kalles på fagspråket ekspansjonsalderen, og det er denne størrelsen kosmologer refererer til når vi snakker om universets alder.

Vi kan regne ut ekspansjonsalderen dersom vi vet hvor raskt universet har utvidet seg til ulike tider. Utvidelsesraten er bestemt av tyngdekraften, som igjen er bestemt av universets innhold av masse og energi.

Universets ekspansjonsalder er 13,8 milliarder år

I mars 2013 kom de første resultatene fra satellitten Planck. Planck måler egenskapene til den eldste strålingen i universet, den kosmiske mikrobølgebakgrunnen, med høy presisjon. Gjennom slike målinger er det mulig å finne ut hva universets innhold er, og hvor raskt det utvider seg i dag. Når resultatene fra Planck mates inn i Big Bang-modellen, blir resultatet at ekspansjonsalderen er 13,8 milliarder år.

Vi har altså ingen direkte målinger av universets alder.

Vi har altså ingen direkte målinger av universets alder. Det vi har er målinger av egenskaper ved universet. Når de kombineres med Big Bang-modellen, sier denne at for 13,8 milliarder år siden var alle objekter i universet på samme sted.

At universet har en endelig alder er en konklusjon som ikke kan være riktigere enn modellen den bygger på. Og i tilfellet Big Bang, er konsensus at modellen bryter sammen ved veldig tidlige tider. Før den såkalte Plancktiden, ufattelige 10-43 sekunder etter at modellen sier at alle avstander var lik null, vet vi at vi ikke har gode nok teorier til å beskrive forholdene. Av avgjørende betydning er det at generell relativitetsteori, det teoretiske rammeverket for Big Bang-modellen, ikke var gyldig ved disse tidene.

Må universet ha en begynnelse?

Kosmologer har forsøkt å finne svar på spørsmålet om universets alder som er uavhengige av Big Bang-modellen. På 1960-tallet viste Stephen Hawking og Roger Penrose at alle universmodeller der generell relativitetsteori gjelder og der tyngdekraften alltid er tiltrekkene, har en endelig alder. Det gjorde de ved å vise at med disse antagelsene vil det finnes lysbaner som ikke kan forlenges vilkårlig langt bakover i tid. Selv i universmodeller som er langt mer kompliserte enn Big Bang-modellen, vil universet ha en begynnelse.

Teori og observasjoner peker imidlertid klart i retning av at forutsetningene til Hawking og Penrose var brutt i det tidlige univers: Tyngdekraften var frastøtende i en periode som kalles inflasjonsfasen. I en klasse av modeller for denne fasen, såkalt evig inflasjon, ser det ut til at universet kan være uendelig gammelt.

I 2003 viste imidlertid Arvind Borde, Alan Guth og Alexander Vilenkin at i alle universmodeller med en utvidelsesrate som er positiv når den midles over tid – det vil si som har netto utvidelse – vil det finnes lysbaner som ikke kan forlenges vilkårlig langt bakover i tid. Evig inflasjon oppfyller denne betingelsen, og universet må derfor ha begynt å eksistere også i disse.

Men Borde-Guth-Vilenkin-teoremet er ikke sikrere enn premissene det bygger på.

Men Borde-Guth-Vilenkin-teoremet er ikke sikrere enn premissene det bygger på. Det har blitt laget universmodeller med null netto utvidelse. For uendelig lenge siden trakk de seg sammen, for så å begynne på en uendelig lang fase av ekspansjon. Hvor plausible slike modeller er, kan diskuteres. Men de kan ikke avskrives uten videre.

Det eneste sikre er at universet er veldig gammelt

Den viktigste grunnen til å holde spørsmålet om universets virkelige alder åpent, er at både Hawking-Penrose og Borde-Guth-Vilenkin ser bort i fra at alle våre klassiske forestillinger om tid og rom bryter sammen før Plancktiden. For å forstå universets begynnelse, må vi ha en teori som forener generell relativitetsteori med kvantefysikk. I dag er det ingen konsensus om hvordan en slik teori skal se ut, men i alle forslagene som finnes på markedet er det åpninger for at universet kan være uendelig gammelt.

Kanskje er 13,8 milliarder år nær det riktige svaret, kanskje er det uendelig langt unna.

Vi vet altså ikke hvor gammelt universet egentlig er. Tallet 13,8 milliarder år er en størrelse regnet ut innenfor en modell, en modell som vi ikke kan stole på fullt ut. Kanskje er 13,8 milliarder år nær det riktige svaret, kanskje er det uendelig langt unna. Den som søker vitenskapelig belegg for sin gudstro finner foreløpig lite av nytte i Big Bang-modellen.