Patricia Burchat
1,648,038 views • 16:09

Som partikelfysiker studerer jeg elementarpartiklerne, og hvordan de interagerer på det mest fundamentale niveau. I det meste af min forskningskarriere har jeg brugt acceleratorer, som elektronacceleratoren på Stanford Universitet, lige oppe af vejen, til at studere ting på mindste målestok. Men for nylig har jeg vendt min opmærksomhed mod universet på største målestok. For, som jeg vil forklare for jer, er spørgsmålene på mindste og største målestok faktisk meget forbundne. Så jeg vil fortælle jer om vores en-og-tyvende-århundredes syn på universet, hvad det består af, og hvilke store spørgsmål der er i fysiske videnskaber — i det mindste nogle af de store spørgsmål.

Så, for nylig har vi indset, at det normale stof i universet — og med normalt stof mener jeg jer, mig, planeterne, stjernerne, galakserne — det normale stof udgør kun få procent af indholdet i universet. Næsten en fjerdedel, eller nogenlunde en fjerdedel af stoffet i universet er noget, der er usynligt. Men usynligt mener jeg, det ikke absorberer i det elektromagnetiske spektrum. Det stråler ikke i det elektromagnetiske spektrum. Det reflekterer ikke. Det interagerer ikke med det elektromagnetiske spektrum, hvilket er det, vi bruger til at opdage ting med. Det interagerer overhovedet ikke. Så hvordan ved vi, det er der? Vi ved, det er der fra dets gravitationelle effekter. Faktisk dominerer dette mørke stof de gravitationelle effekter i universet på stor skala, og jeg vil fortælle jer om beviserne for det.

Hvad med resten af tærten? Resten af tærten er en meget mystisk substans ved navn mørk energi. Mere om den senere, OK. Så las os indtil videre se på beviserne for mørkt stof. I disse galakser, især i en spiralgalakse som denne, er det meste af stjernernes masse koncentreret i midten af galaksen. Denne kæmpe masse af alle disse stjerne holder stjernerne i cirkulære kredsløb i galaksen. Så vi har disse stjerne, der går rundt i cirkler, sådan her. Som I kan forestille jer, selv hvis I kender fysik, burde dette være intuitivt, OK — at stjerner, der er tættere på massen i midten, vil rotere med højere fart end dem, der er længere herude, OK.

Så det, man ville forvente, er, at hvis man målte kredsløbsfarten af de stjerner, at de ville være langsommere på kanterne end indeni. Med andre ord hvis vi målte farten som funktionen af afstanden — dette er den eneste gang, jeg viser en graf, OK — ville man forvente, at den går ned som afstanden forøges fra centrum af galaksen. Når de målinger bliver foretaget, finder vi i stedet, at farten stort set er konstant som funktion af afstanden. Hvis den er konstant, betyder det, at stjernerne derude mærker de gravitationelle effekter fra stof, som vi ikke ser. Faktisk lader denne galakse og enhver anden galakse til at være indhyllet i en sky af dette usynlige mørke stof. Og denne sky af stof er meget mere sfærisk end galakserne selv, og den strækker sig over et meget større område end galaksen. Så vi ser galaksen og fikserer på den, men det er faktisk en sky af mørkt stof, der dominerer denne galakses struktur og dynamik.

Galakser selv er ikke strøget tilfældigt i rummet; de har det med at hænge i hobe. Og dette er et eksempel på en meget, faktisk, kendt hob, Coma-hoben. Og der er tusindvis af galakser i denne hob. De er de hvide, lodne, elliptiske ting her. Så disse galakse-hobe — vi tager et øjebliksbillede nu, vi tager et øjebliksbillede om et årti, den vil ligne sig selv. Men disse galakser bevæger sig faktisk med ekstremt høj fart. De bevæger sig rundt i denne hobs gravitationelle potentialbrønd, OK. Så alle disse galakser bevæger sig. Vi kan måle disse galaksers fart, deres kredsløbshastigheder, og finde ud af, hvor meget masser der er i denne hob.

Og igen er det, vi finder, at der er meget mere masse der, end der kan gøres rede for af galakserne, som vi ser. Eller hvis vi ser på andre dele af det elektromagnetiske spektrum, ser vi, at der også er en masse gas i denne hob. Men det kan heller ikke gøre rede for massen. Faktisk ser der ud til at være omkring ti gange så meget masse her i form af dette usynlige mørke stof, som der er af det normale stof, OK. Det ville være skønt, hvis vi kunne se dette mørke stof en smule mere direkte. Jeg sætter bare denne store, blå klat derpå, OK, for at minde jer om, at det er der. Kan vi se det mere visuelt? Ja, vi kan.

Og lad mig derfor lede jer gennem, hvordan vi kan gøre dette. Så her er en iagttager: det kunne være et øje, det kunne være et teleskop. Og forestil jer, der er en galakse herude i universet. Hvordan ser vi den galakse? En stråle af lys forlader galaksen og rejser gennem universet i måske milliarder af år, før det kommer ind i teleskopet eller jeres øje. Nå, hvordan deducerer vi, hvor galaksen er? Altså vi deducerer det ved retningen, som strålen rejser i når den kommer ind i vores øje, ikke? Vi siger, lysstrålen kom denne vej fra; galaksen må være der, OK. Forestil jer nu, jeg sætter en galaksehob i midten — og glem ikke det mørke stof, OK. Hvis vi nu ser på en anden lysstråle, en, der rejser på denne måde, er vi nu nødt til at tage det med i overvejelserne, som Einstein forudså, da han udviklede den generelle relativitetsteori. Og det var, at det gravitationelle felt fra massen vil afbøje ikke bare partiklernes bane, men vil afbøje lyset selv.

Så denne lysstråle vil ikke fortsætte i en lige linje, men vil derimod bøje og kunne end med at gå ind i vores øje. Hvor vil denne iagttager se galaksen? I kan svare. Op, ikke? Vi ekstrapolerer tilbage og siger, galaksen er heroppe. Er der nogen anden lysstråle, der kunne klare den ind i iagttagerens øje fra den galakse? Ja, godt. Jeg ser folk gøre sådan her. Så en lysstråle kunne gå ned, blive bøjet op i iagttagerens øje, og iagttageren ser en lysstråle her.

Tag nu med i overvejelserne, at vi lever i et tredimensionelt univers, OK, et tredimensionelt rum. Er der nogle andre lysstråler, der kunne klare den til øjet? Ja! Strålerne ville ligge i en — jeg ville gerne se — jah, i en kegle. Så der er en hel lysstråle — lysstråler i en kegle — der alle vil blive bøjet af den hob og klare den ind i iagttagerens øje. Hvis der er en kegle af lys, der kommer ind i mit øje, hvad ser jeg? En cirkel, en ring. Det hedder en Einstein-ring. Einstein forudså det, OK. Nå det vil kun være en perfekt ring, hvis kilden, afbøjeren og øjenæblet i dette tilfælde alle er i en perfekt lige linje. Hvis de er en smule forskudt, ser man et andet billede.

Altså I kan lave et eksperiment i aften til receptionen, OK, for at finde ud af, hvordan det billede vil se ud. For det viser sig, at der er en form for linse, som vi kan lave, der har den rigtige form til at producere denne form for effekt. Man kalder dette for gravitationslinseeffekten. Og derfor er dette jeres instrument, OK. (Latter). Men ignorer den øverste del. Det er den nederste del, som jeg vil have jer til at koncentrere jer om, OK. Så faktisk, hjemme, når vi smadrer et vinglas, gemmer jeg bunden, tager den til maskinsforretningen. Vi sliber den af, og jeg har en lille gravitationslinse, OK. Så den har den rigtige form til at producere linseeffekten. Og så er det næste I skal gøre i jeres eksperiment at tage et lommetørklæde. Jeg tog et stykke millimeterpapir — jeg er fysiker. Så, et lommetørklæde. Tegn en lille modelgalakse i midten. Og læg så linsen over galaksen, og det, I vil finde, er, at I vil se en ring, en Einstein-ring. Bevæg nu bunden hen til siden, og ringen vil dele sig op i buer, OK. Og I kan lægge den på toppen af billedet. På millimeterpapiret kan I se, hvordan alle linjerne på millimeterpapiret er blevet forvrænget. Og igen er dette en ret præcis model på, hvad der sker ved gravitationslinseeffekten.

OK, så spørgsmålet er: ser vi dette på himlen? Ser vi buer på himlen, når vi ser på, lad os sige, en galaksehob? Og svaret er ja. Og her er så et billede fra Hubble-rumteleskopet. Mange af billederne, I ser, er tidligere fra Hubble-rumteleskopet. Nå, for det første, for de gyldne galakser — disse er galakserne i hoben. De er dem, der er indhyllet i det hav af mørkt stof, der forårsager bøjningen af lyset til at skabe disse optiske illusioner, eller luftspejlinger, praktisk talt, af bagvedliggende galakser. Så stregerne, som I ser, alle stregerne, er faktisk forvrængede billeder af galakser, der er meget længere væk.

Så det, vi kan gøre, er, at alt efter hvor meget forvrængning vi ser i de billeder, kan vi kalkulere, hvor meget masse, der må være i denne hob. Og det er en enorm mængde masse. Og man kan også se med det blotte øje, ved at se på dette, at disse buer ikke centreres om individuelle galakser. De centreres om en mere udspredt struktur, og det er det mørke stof, i hvilket hoben er indhyllet, OK. Så dette er det tætteste man kan komme på at se i det mindste det mørke stofs effekter med sit blotte øje.

OK, så, en hurtig opsamling for at være sikker på I kan følge med. Altså beviserne, som vi har på, at en fjerdedel af universet er mørkt stof — dette gravitationelt tiltrækkende stof — er, at galakser, farten, med hvilken stjerner er i kredsløb i galakser, er alt for stor; de må være indhyllede i mørkt stof. Farten, med hvilken galakser inden i hobe er i kredsløb, er alt for stor; de må være indhyllede i mørkt stof. Og vi ser disse gravitationslinseeffekter, disse forvrængninger, der siger, at, igen, hobe er indhyllede i mørkt stof.

OK. Så lad os nu vende os mod mørk energi. Så for at forstå beviserne for mørk energi er vi nødt til at diskutere noget, som Stephen Hawking henviste til i den sidste session. Og det er det faktum, at rummet selv udvider sig. Så hvis vi forestiller os en sektion af vores uendelige univers — og derfor har jeg lagt fire spiralgalakser ind, OK — og forestiller os, at man indlægger et sæt båndmål, så hver linje herpå svarer til et båndmål, vandret eller lodret, til at måle, hvor ting er. Hvis man kunne gøre dette, ville man opdage, at med hver dag, hvert år, hver milliarder af år, OK, er afstanden mellem galakser større. Og det er ikke fordi, galakser bevæger sig væk fra hinanden gennem rummet. De bevæger sig ikke nødvendigvis gennem rummet. De bevæger sig væk fra hinanden, fordi rummet selv bliver større, OK. Det er det, udvidelsen af universet eller rummet betyder. Så de bevæger sig længere fra hinanden.

Nå, det, Stephen Hawking også nævnte, er, at efter Big Bang udvidede rummet sig med meget høj fart. Men fordi der er gravitationelt tiltrækkende stof inden i dette rum, vil det bremse udvidelsen af rummet, OK. Så udvidelsen bremses med tiden. Så i det sidste århundrede, OK, debatterede folk om, hvorvidt denne udvidelse af rummet ville fortsætte for evigt; hvorvidt den ville bremses, I ved, vil blive bremset, men fortsætte for evigt; bremses og stoppe, asymptotisk stoppe; eller bremses, stoppe og så vende om, så det begynder at trække sig sammen igen. Så for lidt over et årti siden satte to grupper af fysikere og astronomer ud for at måle farten, med hvilken udvidelsen af rummet blev bremset, OK. Med hvor meget mindre udvider det sig i dag sammenlignet med, lad os sige, et på milliarder år siden?

Det overraskende svar på dette spørgsmål, OK, fra disse eksperimenter var, at rummet udvider sig med en højere fart i dag, end det gjorde for nogle få milliarder år siden, OK. Så udvidelsen af rummet accelererer faktisk. Dette var et fuldstændigt overraskende resultat. Der er intet overbevisende teoretisk argument for, hvorfor dette skulle ske, OK. Ingen forudså frem i tiden, dette er det, man ville finde. Det var det modsatte det, der var forventet. Så vi mangler noget for at være i stand til at forklare det. Det viser sig nu i matematik, man kan lægge det ind som et begreb, der er en energi, men det er en fuldstændig forskellig type af energi fra noget, vi nogensinde har set før. Vi kalder det mørk energi, og den har denne effekt at få rummet til at udvide sig. Men vi har ikke en god grund til at lægge den derind lige her, OK. Så det er virkelig uforklaret, hvorfor vi er nødt til at lægge den ind.

Nå, så lige nu er det, jeg virkelig gerne vil understrege over for jer, at for det første er mørkt stof og mørk energi fuldstændigt forskellige ting, OK. Der er virkelig to mysterier derude om, hvad udgør det meste af universet, og de har meget forskellige effekter. Mørkt stof, fordi det tiltrækker gravitationelt, har det med at fremme strukturvækst, OK. Så galaksehobe vil have det med at dannes, på grund at al denne gravitationelle tiltrækning. Mørk energi derimod lægger mere og mere rum mellem galakserne, får den, den gravitationelle tiltrækning mellem dem, til at blive mindre, og derfor hæmmer den strukturvæksten. Så ved at se på ting som galaksehobe, og hvordan de — deres tæthed, hvor mange der er som en funktion af tid — kan vi lære om, hvordan mørkt stof og mørk energi konkurrerer imod hinanden i strukturdannelse.

Med hensyn til mørkt stof sagde jeg, at vi ikke har noget, I ved, virkeligt overbevisende argument for mørk energi. Har vi noget for mørkt stof? Og svaret er ja. Vi har velmotiverede kandidater til mørkt stof. Nå, hvad mener jeg med velmotivede? Jeg mener, at vi har matematisk sammenhængende teorier, som faktisk blev introduceret til at forklare et helt andet fænomen, OK, ting, som jeg ikke engang har talt om, der hver forudser eksistensen af en meget svagt interagerende, ny partikel.

Så dette er præcis det, man vil have i fysik: hvor en forudsigelse kommer ud af en matematisk sammenhængende teori, der egentlig blev udviklet til noget andet. Men man ved ikke, om nogen af dem faktisk er kandidaten til det mørke stof, OK. En eller begge, hvem ved? Eller det kunne være noget helt andet. Nå vi leder efter disse mørkt stof-partikler, fordi de, når alt kommer til alt, er her i rummet, OK, og de kom ikke ind gennem døren. De går bare igennem alt. De kan komme gennem bygningen, gennem Jorden — de er så ikke-interagerende.

Så en måde at lede efter dem er at bygge detektorer, der er ekstremt følsomme over for, at en mørk stof-partikel kommer gennem og rammer dem. Så en krystal, der ringer, hvis det sker. Så en af mine kollegaer længere oppe ad vejen og hans medarbejdere har bygget sådan en detektor. Og de har placeret den dybt nede i en jernmine i Minnesota, OK, langt under jorden og har faktisk i de sidste par dage annonceret de mest følsomme resultater indtil videre. De har ikke set noget, OK, men det lægger begrænsninger på, hvad massen og interaktionsstyrke af disse mørk stof-partikler er. Der bliver affyret et satellitteleskop senere i år, og det vil kigge mod midten af galaksen for at se, om vi kan se mørk stof-partikler, der annihilerer og producerer gammastråler, der kunne blive detekteret med dette. Large Hadron Collider, en partikelfysikaccelerator, som vi tænder for senere i år. Det er muligt, at mørk stof-partikler kunne blive produceret i Large Hadron Collider.

Men fordi de er så ikke-interagerende, vil de faktisk undslippe detektoren, så deres signatur vil være manglende energi, OK. Nå, desværre er der en masse ny fysik, hvis signatur kunne være manglende energi, så det vil blive svært at se forskel. Og endelig, for fremtidige bestræbelser bliver der designet teleskoper til specifikt at tage fat på spørgsmålene om mørkt stof og mørk energi — landbaserede teleskoper, og der er tre rumbaserede teleskoper, der er i konkurrence lige nu om at blive affyret for at efterforske mørkt stof og mørk energi. Så med hensyn til de store spørgsmål: hvad er mørkt stof? Hvad er mørk energi? De store spørgsmål, fysikken står over for. Og jeg er sikker på I har en masse spørgsmål, som jeg ser rigtig meget frem til at svare på i løbet af de næste 72 timer, hvor jeg er her. Tak. (Bifald)