Universet
er virkelig stort.
Vi lever i en galakse, Mælkevejen.
Der er omkring et hundrede milliarder stjerner i Mælkevejen.
Og hvis man tager et kamera,
og man peger det på en tilfældig del af himlen,
og man bare holder blænderen åben,
så længe ens kamera er fæstnet til Hubble-rumteleskopet
vil det se noget som dette.
Hver eneste af disse små klatter
er en galakse nogenlunde på størrelse med vores Mælkevej --
et hundrede milliarder stjerner i hver af de klatter.
Der er omkring et hundrede milliarder galakser
i det observerbare univers.
100 milliarder er det eneste tal, man behøver at kende.
Universets alder, mellem nu og Big Bang,
er et hundrede milliarder i hundeår.
(Latter)
Hvilket fortæller jer noget om vores plads i universet.
En ting, man kan gøre med et billede som dette, er simpelthen at beundre det.
Det er ekstremt smukt.
Jeg har ofte undret mig over hvilke evolutionspres,
der fik vores forfædre i Velden tilpasse og udvikle sig
til virkelig at nyde billeder af galakser,
når de ikke havde nogen.
Men vi kunne også tænke os at forstå det.
Som kosmolog vil jeg gerne spørge, hvorfor er universet sådan her?
Et stort spor, vi har, er, at universet forandrer sig med tiden.
Hvis man så på en af disse galakser og målte dens hastighed,
ville den bevæge sig væk fra en.
Og hvis man ser på en galakse endnu længere væk,
ville den bevæge sig endnu hurtigere væk.
Så vi siger, universet udvider sig.
Hvad det betyder er selvfølgelig, at før i tiden
var ting tættere på hinanden.
Før i tiden var universet tættere,
og det var også varmere.
Hvis man presser ting sammen, går temperaturen op.
Det giver på en måde mening for os.
Det, der ikke giver så meget mening for os,
er, at universet i tidlige tider nær Big Bang
også var meget, meget glat.
Man kunne tro, at det ikke er en overraskelse.
Luften i dette rum er meget glat.
Man kunne sige, "Jamen, måske glattede ting bare sig selv ud."
Men vilkårene nær Big Bang er meget, meget forskellige
fra vilkårene for luften i dette rum.
Især var ting meget tættere.
Tingenes gravitationelle træk
var meget stærkere nær Big Bang.
Det, man er nødt til at tænke på,
er, vi har et univers med et hundrede milliarder galakser,
et hundrede milliarder stjerner hver.
I tidlige tider var de hundrede milliarder galakser
presset ind på et område nogenlunde så stort her --
bogstaveligt talt -- i tidlige tider.
Og I skal forestille jer, at presse på den måde
uden nogen ujævnheder,
uden nogen små steder,
hvor der var få flere atomer end nogen andre steder.
For hvis der havde været det, ville de have kollapset under det gravitationelle træk
ind i et stort sort hul.
At holde universet meget, meget glat i tidlige tider
er ikke let; det er et skrøbeligt arrangement.
Det er et spor om,
at det tidlige univers ikke blev valgt tilfældigt.
Der er noget, der lavede det på den måde.
Vi kunne godt tænke os at vide hvad.
Så en del af vores forståelse af dette blev givet til os af Ludwig Boltzmann,
en østrigsk fysiker i det 19. århundrede.
Og Boltzmanns bidrag var, at han hjalp os med at forstå entropi.
I har hørt om entropi.
Det er tilfældigheden, urodenen, kaosheden i nogle systemer.
Boltzmann gav os en formel --
indgraveret på hans gravsten nu --
som virkelig kvantificerer, hvad entropi er.
Og den siger basalt set bare,
at entropi er antallet af måder,
man kan omarrangere et systems bestanddele, så at man ikke ikke kan se det,
så at makroskopisk ser ligner det sig selv.
Hvis man tager luften i dette rum,
lægger man ikke mærke til hvert enkelt atom.
En konfiguration med lav entropi
er en, i hvilken der kun er få arrangementer, der ser ens ud.
Et arrangement med høj entropi
er et, som der er mange arrangementer, der ser ens ud.
Dette er et afgørende vigtigt indblik,
for det hjælper os med at forklare
termodynamikkens anden lov --
den lov, der siger, at entropi stiger i universet
eller i en isoleret lille del af universet.
Grunden til, at entropi stiger,
er simpelthen fordi, der er mange flere måder
at have høj entropi end at have lav entropi på.
Det er et vidunderligt indblik,
men det udelader noget.
Dette indblik, at entropi stiger er forresten
det, der er bag det, vi kalder tidens pil,
forskellen mellem fortiden og fremtiden.
Hver forskel, som der er
mellem fortiden og fremtiden,
er, fordi entropi stiger --
det faktum, at man kan huske fortiden, men ikke fremtiden.
Det faktum, at man bliver født, og så lever man, og så dør man,
altid i den rækkefølge,
det er fordi, entropi stiger.
Boltzmann forklarede, at hvis man starter med lav entropi,
er det meget naturligt for den at stige,
fordi der er flere måder at få høj entropi på.
Det, han ikke forklarede,
var, hvorfor entropien nogensinde var lav i første omgang.
Det faktum, at universets entropi var lav,
var en refleksion over det faktum,
at det tidlige univers var meget, meget glat.
Vi kunne godt tænke os at forstå det.
Det er vores job som kosmologer.
Desværre er det faktisk ikke et problem,
som vi har givet nok opmærksomhed.
Det er ikke en af de første ting, folk ville sige,
hvis man spurgte en moderne kosmolog,
"Hvilke problemer forsøger vi at besvare?"
En af de folk, der forstod, at dette var et problem,
var Richard Feynman.
For 50 år siden gav han en serie af en bunke forskellige foredrag.
Han gav de populære foredrag,
der blev til "The Character of Physical Law."
Han gav foredrag til Caltech førsteårsstuderende,
som blev til "The Feynman Lectures on Physics."
Han gav foredrag til Caltech kandidatstuderende,
der blev til "The Feynman Lectures on Gravitation."
I hver eneste af disse bøger, hver eneste af disse foredragssæt
understregede han denne gåde:
Hvorfor havde det tidlige univers så lav en entropi?
Så han siger -- jeg vil ikke gengive accenten --
han siger, "Af en eller anden grund havde universet på et tidspunkt
en meget lav entropi i forhold til dets energiindhold,
og siden da er entropien steget.
Tidspilen kan ikke blive fuldstændigt forstået
før mysteriet om universets histories begyndelse
bliver reduceret endnu mere
fra spekulation til forståelse."
Så det er vores job.
Vi vil gerne vide -- dette er for 50 år siden, "Jamen," tænker I,
"vi har vel fundet ud af det nu."
Det er ikke sandt, at vi har fundet ud af det nu.
Grunden til, at problemet er blevet værre
i stedet for bedre
er, at i 1998
lærte vi noget meget vigtigt om universet, som vi ikke vidste før.
Vi lærte, at det accelererer.
Universet udvider sig ikke kun.
Hvis man ser på galaksen, bevæger den sig væk.
Hvis man kommer tilbage en milliard år senere og ser på den igen,
vil den bevæge sig hurtigere væk.
Individuelle galakser styrter væk fra os hurtigere og hurtigere,
så vi siger, universet accelererer.
I modsætningen til det tidlige univers' lave entropi,
selvom vi ikke kender svaret på dette,
har vi i det mindste en god teori, der kan forklare det,
hvis den teori er korrekt,
og det er teorien om mørk energi.
Det er bare idéen, at tomt rum i sig selv har energi.
I hver lille kubikcentimeter rum,
uanset om der er noget eller ej,
uanset om der er partikler, stof, stråling eller andet eller ej,
er der stadig energi, selv i rummet selv.
Og denne energi udøver ifølge Einstein
et skub på universet.
Det er en uophørlig impuls,
der skubber galakser væk fra hinanden.
For mørk energi, i modsætningen til stof eller stråling,
tynder ikke ud som universet udvider sig.
Mængden af energi i hver kubikcentimeter
forbliver den samme,
selv som universet bliver større og større.
Dette har meget vigtige implikationer
for, hvad universet vil gøre i fremtiden.
For det første vil universet udvide sig for evigt.
Dengang da jeg var på jeres alder,
vidste vi ikke, hvad universet ville gøre.
Nogle folk troede, at universet ville falde sammen igen i fremtiden.
Einstein var tilhænger af denne idé.
Men hvis der er mørk energi, og den mørke energi ikke forsvinder,
vil universet bare fortsætte med at udvide sig for evigt og altid og altid.
14 milliarder år i fortiden,
100 milliarder hundeår,
men et uendeligt antal år i fremtiden.
Imens, til alle hensigter og formål,
ser rummet endeligt ud for os.
Rummet kan være endeligt eller uendeligt,
men fordi universet accelererer,
er der dele af det vi ikke kan se
og aldrig vil se.
Der er en endelig del af rummet, som vi har adgang til,
omringet af en horisont.
Så selv om tiden fortsætter for evigt,
er rummet begrænset for os.
Endelig har rum en temperatur.
I 1970'erne fortalte Stephen Hawking os,
at et sort hul, selvom man tror det er sort,
faktisk afgiver stråling,
når man tager kvantemekanik med i overvejelserne.
Krumningen af rumtiden omkring det sorte hul
bringer de kvantemekaniske fluktuationer til live,
og det sorte hul stråler.
En præcist lignende udregning af Hawking og Gary Gibbons
viste, at hvis man har mørk energi i tomt rum,
så stråler hele universet.
Det tomme rums energi
bringer kvantefluktuationer til live.
Og derfor, selvom universet vil vare for evigt,
og normalt stof og stråling vil blive udvandet til det forsvinder,
vil der altid være noget stråling,
nogle termiske fluktuationer,
selv i tomt rum.
Så det, det her betyder,
er, at universet er som en kasse med gas,
der varer evigt.
Nå, hvad er implikationen af det?
Den implikation blev studeret af Boltzmann tilbage i det 19. århundrede.
Han sagde, altså, entropi stiger,
fordi der er mange, mange flere måder
for universet at have høj entropi end at have lav entropi.
Men det er en probabilistisk udtalelse.
Den vil sandsynligvis stige,
og sandsynligheden er enormt stor.
Det er ikke noget, man skal bekymre sig om --
at luften i dette rum alt sammen skulle samle sig ovre i én del af rummet og kvæle os.
Det er meget, meget usandsynligt.
Bortset fra hvis de låste dørene
og holdt os her bogstaveligt talt for evigt,
ville det ske.
Alt, der er tilladt,
enhver konfiguration, det er tilladt for molekylerne at opnå i dette rum,
ville eventuelt blive opnået.
Så Boltzmann siger, altså, man kunne starte med et univers,
der var i termisk ligevægt.
Han kendte ikke til Big Bang. Han kendte ikke til universets udvidelse.
Han troede, at rum og tid blev forklaret af Isaac Newton --
de var absolutte; de sad der bare for evigt.
Så hans opfattelse af et naturligt univers
var en, hvori luftmolekylerne bare var spredt jævnt ud overalt --
alt-molekylerne.
Men hvis man er Boltzmann, ved man, at hvis man venter længe nok,
vil de molekylers tilfældige fluktuationer
af og til bringe dem
ind i konfigurationer med lavere entropi.
Og så, selvfølgelig, efter tingenes naturlige rækkefølge,
vil de udvide sig tilbage.
Så det er ikke fordi, entropi altid skal stige --
man kan få fluktuationer til lavere entropi,
mere organiserede situationer.
Jamen hvis det er sandt,
går Boltzmann så videre til at opfinde
to idéer, der lyder meget moderne --
multiverset og det antropiske princip.
Han siger, problemet med termisk ligevægt
er, at vi ikke kan leve der.
Husk, livet selv afhænger af tidens pilen.
Vi ville ikke være i stand til at bearbejde information,
fordøje, gå og tale,
hvis vi levede i termisk ligevægt.
Så hvis man forestiller sig et meget, meget stort univers,
et uendeligt stort univers
med partikler, der tilfældigt støder ind i hinanden,
vil der af og til være små fluktuationer til tilstande med lavere entropi,
og så falder de tilbage igen.
Men der vil også være store fluktuationer.
Af og til vil man lave en planet
eller en stjerne eller en galakse
eller et hundrede milliarder galakser.
Så Boltzmann siger,
vi kun vil leve i den del af multiverset,
i den del af dette uendeligt store sæt af fluktuerende partikler,
hvor liv er muligt.
Det er den region, hvor entropi er lav.
Måske er vores univers bare en af disse ting,
der sker fra tid til anden.
Nå jeres hjemmeopgave
er virkelig at tænke over dette, at overveje hvad det betyder.
Carl Sagan sagde som bekendt engang,
at "for at lave en æbletærte,
må man først opfinde universet."
Men han tog fejl.
I Boltzmanns scenarie hvis man vil lave en æbletærte,
venter man bare på, at atomernes tilfældige bevægelser
laver en æbletærte til en.
Det vil ske meget oftere,
end at atomernes tilfældige bevægelser
laver en æbleplantage til en
og så noget sukker og en ovn,
og så laver en æbletærte til en.
Så dette scenario laver forudsigelser.
Og forudsigelserne er,
at fluktuationerne, der laver os, er minimale.
Selv hvis man forestiller sig, dette rum, vi er i nu,
eksisterer og er virkeligt, og her er vi,
og vi har ikke bare vores minder,
men vores indtryk, at udenfor er der noget,
der hedder Caltech og USA og Mælkevejen,
er det meget lettere for alle disse indtryk tilfældigt at fluktuere inde i ens hjerne,
end at de rent faktisk tilfældigt fluktuerer
til Caltech, USA og galaksen.
De gode nyheder er, at
derfor virker dette scenario ikke; det er ikke rigtigt.
Dette scenario forudser, at vi skulle være en minimal fluktuation.
Selv hvis man fjernede vores galakse,
ville man ikke få hundrede milliarder andre galakser.
Og Feynman forstod også dette.
Feynman siger, "Fra hypotesen, at verden er en fluktuation,
er alle forudsigelserne, at
hvis vi ser på en del af verden, vi aldrig har set før,
vil vi se den som blandet, og ikke som delen vi lige så på --
høj entropi.
Hvis vores orden skyldtes en fluktuation,
ville vi ikke forvente orden nogen andre steder end der, vi lige har bemærket det.
Vi konkluderer derfor, at universet ikke er en fluktuation."
Så det er godt. Spørgsmålet er så, hvad er det rigtige svar?
Hvis universet ikke er en fluktuation,
hvorfor havde det tidlige univers lav entropi?
Og jeg ville elske at give jer svaret, men jeg er ved at løbe tør for tid.
(Latter)
Her er universet, som vi fortæller jer om,
versus universet, der virkelig eksisterer.
Jeg har lige vist jer dette billede.
Universet har udvidet sig i de sidste 10 milliarder år sådan ca.
Det køler af.
Men vi ved nu nok om universets fremtid
til at sige meget mere.
Hvis mørk energi fortsætter med at være tilstede,
vil stjernerne omkring os opbruge deres kernebrændsel, de vil stoppe med at brænde.
De vil falde sammen til sorte huller.
Vi vil leve i et univers
med intet i sig ud over sorte huller.
Det univers vil vare 10 opløftet i 100 år --
meget længere end vores lille univers har levet.
Fremtiden er meget længere end fortiden.
Men selv sorte huller varer ikke evigt.
De vil fordampe,
og vi vil blive tilbage med intet ud over tomt rum.
Det tomme rum varer grundlæggende set evigt.
Men I bemærker, eftersom tomt rum afgiver stråling,
er der faktisk termiske fluktuationer,
og det kører i ring
alle de forskellige mulige kombinationer
af grader af frihed, der eksisterer i tomt rum.
Så selvom universet varer evigt,
er der kun et endeligt antal af ting,
der kan lade sig gøre i universet.
De sker allesammen over en tidsperiode
på 10 opløftet i 120 år.
Så her er to spørgsmål til jer.
Nummer et: Hvis universet varer i 10 opløftet i 10 opløftet i 120 år,
hvorfor er vi født
i de første 14 milliarder år af den tid
i Big Bangs varme, behagelige efterglød?
Hvorfor lever vi ikke i tomt rum?
I kunne sige, "Jamen, der er ingenting til at leve,"
men det er ikke rigtigt.
I kunne være en tilfældig fluktuation ud af intetheden.
Hvorfor er I ikke?
Mere hjemmearbejde til jer.
Så som jeg sagde, kender jeg faktisk ikke svaret.
Jeg vil give jer mit yndlingsscenario.
Enten er det bare sådan. Der er ingen forklaring.
Dette er et hårdt faktum om universet,
som man bør lære at acceptere og stoppe med at stille spørgsmål.
Eller måske er Big Bang
ikke universets begyndelse.
Et æg, et ubrudt æg, er en konfiguration med lav entropi,
og når vi alligevel åbner vores køleskab,
siger vi ikke, "Hah, hvor overraskende at finde
denne konfiguration med lav entropi i vores køleskab."
Det er fordi et æg ikke er et lukket system;
det kommer fra en høne.
Måske kommer universet fra en universal høne.
Måske er der noget, der helt naturligt,
ved vækst fra fysikkens love,
giver anledning til et univers som vores
med konfigurationer med lav entropi.
Hvis det er sandt, ville det ske mere end én gang;
vi ville være del af et meget større multivers.
Det er mit yndlingsscenario.
Så arrangørerne bad mig om at slutte med en dristig spekulation.
Min dristige spekulation
er, at jeg bliver fuldstændigt bekræftet engang.
Og om 50 år fra nu
bliver alle mine lige nu vilde idéer accepteret som sandheder
af de videnskabelige og eksterne samfund.
Vi vil alle tro på, at vores lille univers
bare er en lille del af et meget større multivers.
Og endnu bedre vil vi forstå det, der skete ved Big Bang
med en teori,
som vi vil være i stand til at sammenligne med observationer.
Dette er en forudsigelse. Jeg kunne tage fejl.
Men vi har tænkt som menneskerace
over, hvordan universet var,
hvorfor det blev på den måde, det blev i mange, mange år.
Det er spændende at tænke på, vi måske endelig kommer til at kende svaret engang.
Tak.
(Bifald)