11: Det skjulte univers

Transkript

1 : Det skjulte unives Jeg nævnte tilbage i kapitel 2, at de e en foklaing på, at univeset ha den oveodnede stuktu, som det ha. Men dengang manglede vi foudsætningene fo at fostå foklaingene. Siden ha elativitetsteoien vist os, at tyngdekaften ikke blot binde univesets inventa sammen, men også fome selve ummet. Kosmologien afsløede, at univeset udvide sig, og at det ha en begyndelse og en ende. Elementapatikelfysikken hjalp os med at fostå, hvodan stoffet blev til, og kvantemekanikken viste os, hvo kimen til galaksehobene kom fa. Nu skal vi så tage en sidste tu undt på den kosmiske scene og se, om vi kan få besvaet de to udestående spøgsmål: hvodan e univesets oveodnede geometi, dvs. dets fom, og hvofo e galaksehobene samlet i filamente? At tyngdekaften må spille en vigtig olle e en imeligt sikke antagelse. Den bestemme, hvodan ting bevæge sig, og den kumme ummet, så den må nødvendigvis have indflydelse på, hvodan inventaet i univeset e fodelt, og på hvilken fom univeset ha. Vi skal defo i det følgende se lidt mee detaljeet på tyngdekaftens meitte, og vi vil undevejs gøe en i sandhed chokeende opdagelse! Hvad vil det egentlig sige, at et um kumme? Det kan vi få en idé om ved at begynde med det simplest tænkelige um og så abejde os opefte. Det simplest tænkelige um ha én dimension som fo eksempel utschebanen på fig. A. Den bestå af te ette liniestykke, a, c og e, adskilt af de to kumme stykke, b og d, de føe ind på bakkene. I fig. B se du, hvodan kumningen af b og d definees. Vi finde simpelthen den cikel, de følge linien, hvis kumning vi skal bestemme, og angive kumningen som én divideet med denne cikels adius. Kalde vi kumningen af b og d fo henholdsvis k b og k d, få vi: Fig.. At beegne kumning af en éndimensional kuve. (.) k b ; k d 2 Hvis adius af den øde cikel fo eksempel e 6 mete, blive kumningen af kuven b = /6 p. mete elle 0,67 m -. Tilsvaende blive kumningen af d så 0,333 m -. (Enheden m - kaldes i optikken fo diopti). Dvs. jo snævee kuve, jo støe kumning, hvilket e helt i oveensstemmelse med voes umiddelbae, intuitive opfattelse af begebet kumning. Men hvad så med de te ette liniestykke? Hvilken kumning skal vi tilskive dem? Det komme næppe som noget stot chok, at de ha kumningen 0. Jo mee flad en linie e, jo støe en cikel kæves til at følge den, og jo minde blive deved bøken. Så den helt ette linie kæve så at sige en cikel med uendelig adius, og e (i dette tilfælde) 0. Vi mangle nu blot en enkelt detalje fo at have en fædig definition af kumningen af det éndimensionale um. De e ud ove støelsen en foskel på kumningen af liniene b og d. Føstnævnte kumme opad, mens sidstnævnte kumme nedad, svaende til at den øde og gønne cikel ligge henholdsvis ove og unde linien. Denne foskel komme ikke til udtyk i de beegninge, vi lavede ovenfo. Hvis de to cikle havde væet lige stoe, havde vi fået samme vædi fo kumningen, uagtet at liniene kumme hve sin vej. Så vi indføe nu en konvention: gafe som fig. læses altid fa venste mod høje som vist med den sote pil. Hvis vi nu Fo nemheds skyld ha jeg tegnet kuvene b og d således, at de hve isæ ha konstant kumning. Det e defo ligegyldigt, hvilket punkt på det pågældende liniestykke, vi vælge til beegning af kumningen. 209

2 foestille os, at den blå linie e et bånd, de tækkes i pilens etning hen ove to hjul (= ciklene), se vi, at hjulene vil otee hve sin vej. Det øde hjul deje mod uet, det gønne med uet. Vi beslutte nu, at kumningen af kuve, de beskives ved cikle, de otee mod uet, få fotegnet +, mens de ande få fotegnet 2. Heved blive kumningen af b +0,67 m - og kumningen af d 0,333 m - svaende til de velkendte betegnelse, konveks og konkav. Vi kan nu gå videe til noget lidt mee spændende, nemlig det todimensionale um. Det ha vi alleede stiftet bekendtskab med i kapitel 3, da vi besøgte h. Đalf og hans familie i Flaðland, og vi fosøgte dengang også så småt at kumme det. Men hvodan skal vi egentlig måle kumningen? En mulighed e at gå fem på ganske samme måde som med det éndimensionale um og nu blot tilnæme ovefladen med cikle i flee etninge. He støde vi imidletid ind i et poblem, fo hvilke etninge skal vi vælge? Fo et vilkåligt punkt på en todimensional oveflade gælde jo, at du kan tegne uendeligt mange cikle, de tangee ovefladen i det pågældende punkt, og fo oveflade i almindelighed vil gælde, at alle disse mange cikle vil have foskellig adius, eftesom oveflade typisk kumme foskelligt i foskellige etninge. Det vise sig imidletid, at vi kan få et bugbat mål fo kumningen, k x, af en oveflade i et punktet x ved at udvælge den støste og den mindste af ciklene og multiplicee de to kumninge, vi finde ud fa disse cikle, med hinanden: (.2) k x k min k max min max min max Heved få kumningen enheden p. kvadatmete (m -2 ), hvilket jo e ganske fonuftigt, nå det e en todimensional oveflade, vi ha med at gøe. Det simpleste eksempel i to dimensione e en kugleoveflade, fo den e kaakteiseet ved at have samme kumning i alle etninge, hvofo selvfølgelig min = max =. En pefekt kugle på støelse med joden ha således i ethvet punkt kumningen (.3) 4 2 2,480 m m 6,350 4,030 Hvad kendetegne den måde at beegne kumning på, som vi hidtil ha benyttet? Det ha ikke væet sagt lige ud, men måske ha du lagt mæke til det alligevel. De cikle, vi bugte til at tilnæme linien elle ovefladen, skulle stå vinkelet på denne. Vi havde således behov fo en eksta dimension i fohold til dem, det kummede um selv åde ove. Vi sige, at det kumme um e indlejet i et højeedimensionalt um, og det e i dette højeedimensionale um, at kumningen give sig til kende. Det e de ikke noget specielt undeligt i. Hvis jeg give dig et stykke papi og bede dig lave en globus ud af det, e du nødt til at folde papiet undt om den tedje dimension, fo at det kan danne ovefladen af en kugle, (og du må selvfølgelig også skæe nogle slidse i det fo at slippe af med det oveskydende papi). Dette må jo så betyde, at de, nå den geneelle elativitetsteoi sige, at tyngdekaft e det samme som kumning af den fiedimensionale umtid, må væe en femte dimension, som umtiden e indlejet i. Det oveaskende og bestemt ikke sælig intuitive sva e: Nej! Den kumning, vi ha snakket om i det foegående, kaldes et ums yde kumning. I um med to elle flee dimensione kan vi imidletid beegne kumning helt uden at påkalde eksta dimensione. Heved få vi ummets inde kumning. Det gå fo sig på følgende måde: 2 Stengt taget e det otationsetningen af adiens tangent, de bestemme etningen, men det gø i denne sammenhæng ikke nogen foskel. 20

3 Betagt det todimensionale um i fig. 2a. Vi ønske at bestemme dette ums kumning i punktet, P, så vi binde en sno med længden fast til en pløk i P. Så tage vi et fast tag i den anden ende af snoen, gå væk fa P så snoen blive stam og lunte deefte i en cikel undt om P. Samtidig med at vi lunte undt, måle vi også, hvo langt vi gå, så nå vi komme tilbage til udgangspunktet, ha vi to tal: ciklens adius,, samt dens omkeds, som vi kan kalde o. Fa voes gamle skolelædom ved vi, at de fo en cikel på en plan flade gælde, at o = 2π. Men som sagt: på en plan flade. Hvis P lå på toppen af en bakke elle i et sot huls singulaitet, som vi va ude fo i kapitel 5 vil ciklens adius væe længee end på en flad mak, mens omkedsen e uændet (fig. 2b). Defo må de i denne situation gælde, at o < 2π. Det vil altså sige, at vi ved at sammenligne målte vædie fo omkeds og adius med beegninge ud fa plangeometi kan få et mål fo ummets kumning. Det pæcise udtyk se således ud: Fig. 2a. At bestemme et todimensionalt ums inde kumning i punktet, P. Fig. 2b. Todimensionalt um, hvo punktet P ligge på en bakke, dvs. et sted hvo ummet kumme. (.4) K P 3 lim 0 3 P P 2 p f ( p ) He e K P kumningen i punktet P, P e adius af voes cikel omking P, og f( P ) e et udtyk, de give ciklens omkeds som funktion af adius. Bemæk, at yde og inde kumning e to foskellige metode til at kvantificee et ums fom, de ikke nødvendigvis føe til samme talmæssige vædi. Det svae lidt til de to foskellige måde, hvopå man angive støelsen af en ing. Du kan oplyse en yde støelse i fom af dens diamete, (yde fodi målingen inddage det um, som ingen omslutte), elle en inde støelse i fom af dens omkeds (inde fodi målingen udelukkende involvee punkte på selve ingen). Vædie som fo eksempel 7 mm og 54 mm vil således efeee til samme ing 3, selv om tallene e vidt foskellige. Om du fostå alle detalje i (.4) e ikke så afgøende. Det, de e vigtigt, e at lægge mæke til, at ligningen ikke indeholde nogen efeence til yde elemente i fohold til det um, hvis kumning vi beegne. Dette betyde, at et um med to elle flee dimensione godt kan væe kummet, uden at det behøve at væe indlejet i højee dimensione, og vi behøve defo helle ikke kæve, at univeset skal have mee end te umdimensione og én tidsdimension, fo at den geneelle elativitetsteois opfattelse af tyngdekaft som kumning af umtiden kan give mening. Vi kan nu anvende voes viden om kumning til at se på, hvodan univesets indhold af stof via tyngdekaften påvike den oveodnede kosmiske geometi. Vi begynde med at gøe os klat, at tiden spille en støe olle, end vi måske umiddelbat foestille os. Føst og femmest fodi vi jo ved, at univeset ikke e statisk. Det udvide sig, og denne udvidelse modvike i et elle andet omfang tyngdekaften. Denæst ved vi også, at det, som tyngdekaften kumme, ikke bae e ummet, men også tiden. Nå vi snakke kosmisk geometi, få vi defo uvægeligt et element af udvikling elle histoie med i købet. 3 Stengt taget skulle det yde mål selvfølgelig væe 7,88733., men guldsmeden egne ikke med decimale. 2

4 Konsekvensen af alt dette e, at vi ende op med te mulige konfiguatione fo univesets fom og skæbne: åbent, fladt og lukket. Hvilken af de te, de indtæffe, afhænge af univesets elative massefylde, de symbolisees ved bogstavet Ω. Det hænge således sammen: Det flade unives (fig. 3A): Dette e den enkleste og intuitivt igtigste konfiguation. He e kumningen på den kosmiske skala nul. Tekante tegnet igennem univeset ha en vinkelsum på 80, og omkedsen af cikle e velopdagne 2π. Et fladt unives vil udvide sig i al evighed, men med lavee og lavee hastighed. Fo et sådant unives e (p. definition) Ω =. (Ω e defo univesets eelle massefylde divideet med den massefylde, de kæves, fo at univeset e fladt). Det lukkede unives (fig. 3B), Ω > : I dette scenaium e univesets gennemsnitlige massefylde så sto, at ummet kumme tilbage i selv, således at det kan lignes ved ovefladen af en hypekugle (kapitel 3). Tekantes vinkelsum e støe end 80, og omkedsen af cikle afvige fa 2π. I et sådant unives vil du komme tilbage til udgangspunktet, hvis du ejse langs en et linie længe nok. Univesets femtid e også lukket fostået på den måde, at tyngdekaften vil fomå at bemse udvidelsen og fovandle den til sammentækning, så univeset ende sine dage i et omvendt Stot Bag. Fig. 3. De te oveodnede konfiguationsmulighede fo univeset. A: ingen kumning (Ω = ). B: positiv kumning (Ω > ). C: negativ kumning (Ω < ). Det åbne unives (fig. 3C), Ω < : Den gennemsnitlige massefylde e fo lille til at gøe univeset fladt. Dets geometi vil svae til en negativ hypekugle, dvs. et saddellignende objekt, de ha negativ kumning i alle te dimensione. Tekantes vinkelsum e minde end 80, og omkedsen af cikle e ikke 2π. Det åbne unives vil fotsætte med at udvide sig i al evighed. Hvodan disse te kumningsscenaie vil opleves i voes tedimensionale um e vist ved hjælp af pyamiden på fig. 4. Fig. 4. En pyamide i et tedimensionalt um med ingen (A), positiv (B) og negativ (C) kumning. I gennemgangen ovenfo e de imidletid en ikke helt uvæsentlig detalje, jeg ha undladt at tage i betagtning. Det e inflationsfeltet, som jeg fotalte om i kapitel 0, og som få univesets udvidelse til at acceleee. Tilstedevæelsen af dette felt ænde dog ikke afgøende på konklusionene. De e fotsat te mulige geometie og te mulige skæbne, om end disse ikke e helt så entydigt koblet til geometien, som hvis inflationsfeltet ikke have eksisteet. Man skal nemlig huske på, at inflationsfeltet i sig selv indvike diekte på geometien via E = mc 2. Til enegien i inflationsfeltet svae en masse, og denne masseækvivalent vil også påvike ummets kumning. Inflationsfeltet komme defo på samme tid til at bidage til både at åbne og at lukke univeset, således at balancepunktet mellem histoik og geometi foskydes. Et unives med et inflationsfelt kan væe lukket i um, men åbent i tid. Hvilke foventninge ha vi så til univesets oveodnede geometi? Hvad fotælle teoien os om ummets kumning? Svaet e entydigt: vi leve i et unives, hvo Ω e meget tæt på én. 22

5 Ikke mindst den kosmiske inflation i fobindelse med Det stoe Bag bidage til at glatte ynkene ud og gøe univeset fladt. At få bekæftet, at ummet vikelig e fladt, bude egentlig væe en smal sag. Vi kende jo udvidelseshastigheden, så det, vi mangle, e blot at bestemme massefylden. Det kan vi gøe ved at opegne alt det stof støvskye, stjene, gaståge de findes inden fo at passende stot, men dog oveskueligt volumen, og så buge denne vædi som gennemsnit. Dette kan vi tillade os, fo univeset e jo homogent på den stoe skala. At finde massefylden kæve imidletid ikke blot, at vi ved, hvad de befinde sig inden fo voes målevolumen, men også hvo sto en masse det ha. Umiddelbat skulle man vel to, at det va en håbløs opgave at bestemme massen af et objekt, de måske befinde sig millione af lyså bote, men det e det faktisk ikke. Newtons love give os en i pincippet foholdsvis enkel metode. Stjenene i en spialgalakse bevæge sig i bane omking galaksens centum, ligesom planetene i solsystemet bevæge sig i bane omking solen. Jo støe masse systemet indeholde, jo støe banehastighede sige Newton, at systemets elemente vil have. At joden fo eksempel kedse omking solen skyldes, at den befinde sig i en fint afstemt balance mellem sin bevægelse i banen og solens tiltækningskaft (fig. 5). Kende man således afstanden mellem joden og solen samt jodens hastighed, kan man uden støe besvæ beegne massen af det fysiske system, de bestå af joden og solen. Det samme kan man gøe fo stjenene i en galakse og fo galaksene i en hob, om end det e noget mee kompliceet, og på den måde langsomt nå fem til et oveslag ove univesets samlede masse. Pioneen på dette omåde va den schweiziske astonom, Fitz Zwicky, og alleede hans føste data fa ene antydede et poblem. Stjenene i galaksene kedse fo hutigt omking galaksecentene, og dees hastighede aftage ikke med afstanden fa centene næ så hutigt, som de bude ud fa et blot nogenlunde plausibelt oveslag ove galaksenes masse. Hvad Zwicky afsløede va defo et masseundeskud i mange galakse og demed i univeset som helhed. Fig. 5. Balancen mellem det centale legemes tiltækningskaft, (g) og det kedsende legemes bevægelseshastighed, (v). Mindskes jodens hastighed, (elle øges solens masse), vil joden falde i en spial ind mod solen. Øges jodens hastighed, (elle mindskes solens masse), vil joden bevæge sig i en spial bot fa solen. I tidens løb e de udføt ganske mange obsevatione og beegninge af denne at. Men selv om metodene blive mee og mee avanceede og beegningene mee og mee pæcise, give esultatene fotsat astonomene gå hå i hovedet. Det vise sig nemlig, at alt det stof, vi e i stand til at se i fom af stjene, gaståge og lignende, kun udgø små 5 % af det, de skal til fo at binge Ω op i næheden af! De mangle hele 95 %, hvilket unægtelig må siges at væe lidt af en manko! Vi stå he ove fo et af den slags pobleme, som vikelig fomå at pie den videnskabelige nysgeighed. Foskee elske som så mange ande menneske gåde. De stimulee keativiteten og anspoe til nytænkning. Hvo ny tænkning, de blive tale om, afhænge af pesonlig holdning og eventylyst. Det e lidt ligesom gamle tides katogafe, nå de stod ove 23

6 fo omåde af jodkloden, som endnu va ukendte. De fosigtigste af dem eftelod blot en hvid plet på kotet, de mee modige ekstapoleede kystlinie, flode og bjegkæde ind i det ukendte, og de fantasifulde skev, he findes dage, og suppleede med tegninge af fantastiske fabeldy. Efaingsmæssigt va det sædvanligvis de fosigtige ekstapolatione, de viste sig at væe tættest på vikeligheden, men undetiden mødte man ent faktisk dage, nå man tængte ind i de hvide omåde. Komodovaanen, næbdyet og kænguuen e eksemple på sådanne fund af umulige dyeate. I videnskabelig sammenhæng betale det sig også sædvanligvis at hælde til den konsevative side, men en gang imellem e det de ungdommelige fantaste, de løbe af med sejen. Det så vi i kapitel 5 i fobindelse med gennemgangen af kollapsende stjene. Den unge Chandasekha postuleede eksistensen af astonomiske dage (= sote hulle) på den anden side af gænsen til det ukendte land, hvo tyngdekaften havde uindskænket magt, og han endte med at få et. Hvilke mulighede ha vi så, nå vi stå ove fo univesets (tilsyneladende) masseundeskud? Den mest fosigtige udvej e at sige, at de selvfølgelig e mee masse, end vi kan gøe os håb om at obsevee. En del af denne masse e du selv om du hveken e fysike elle astonom sikket uden besvæ i stand til at identificee. Fo at vi skal kunne se objekte ude i det stoe, sote dyb, skal de enten udsende elle eflektee lys, og de skal gøe det i så stoe mængde, at lyset kan egistees af voes detektoe. De e selvfølgelig masse af ting, de ikke opfylde disse betingelse. Sote hulle, de dive undt langt fa stof, de kan fogibe sig på, e ét eksempel, planete og komete i femmede solsysteme e et andet, og afdøde stjene et tedje. Dette ved astonomene selvfølgelig godt, og defo ha de efte bedste evne fosøgt at beegne, hvo meget den slags kan bidage med. Det nedslående esultat e: stot set ingenting! Selv det mest optimistiske skøn ove univesets indhold af den slags usynlige, men velkendte objekte okke ikke mækbat ved de 5 %. Næste fosøg e at inddage noget af det mee eksotiske, men dog stadig nogenlunde velkendte. Jeg nævnte tidligee, at inflationsfeltet i kaft af sin enegi også ha masse, så kunne det ikke tænkes, at poblemet med mankoen fosvinde, hvis vi medegne bidaget fa inflationsfeltet? Det e faktisk sådan, at dette felt spytte ganske godt i kassen. Inflationsfeltet binge Ω fo univeset helt op på 0,25, hvilket altså betyde, at de e fie gange så meget masse pakket sammen i den møke enegi som i alt det stof, vi kan se. Men vi mangle stadigvæk at edegøe fo 75 %! Nu begynde vi så småt at måtte dykke længee ned i kassen med eksotika fo at finde foklainge. En analyse af poblemstillingen vise, at vi kan søge i te foskellige etninge:. 75 % af univeset bestå vittelig af noget, vi ikke kan se, og som vi i øjeblikket ikke ane, hvad e! Alle stjenene og galaksene og gastågene, som de stoe, modene teleskope vise os i fantastiske, favestålende detalje, e næmest som en lille, ubetydelig paentes i univesets samlede masseegnskab. 2. Newtons love, som vi jo ha bugt til at beegne univesets massefylde, skal justees. Vi ha antaget, at det e pæcis samme fomle, de gælde fo planete og stjene, som fo galakse og galaksehobe, men måske e denne antagelse foket. 3. Teoiene om Det stoe Bag skal justees, således at de blive i stand til at foklae et unives med en Ω på 0,25. Af de te scenaie e det sidste så afgjot det mindst attaktive. Teoiene om Det stoe Bag og kosmisk inflation e ydest velfungeende og i meget smuk oveensstemmelse med de fleste obsevatione, og de kan ikke på nogen ovebevisende måde foliges med Ω = 0,25. Så at søge videe i denne etning vil fo kosmologien væe at gå tilbage til stat. At dette kan blive nødvendigt kan selvfølgelig ikke udelukkes, men de skal meget tungtvejende agumente til, fø man fokaste noget, de fungee godt, fo at estatte det med ingenting! 24

7 Scenaium n. 2 e knap så ødelæggende som n. 3. Det kan faktisk godt lade sig gøe at tilpasse Newtons love, så mankoen på 75 % fosvinde, men pisen e høj. Den esulteende teoi kan nemlig ikke umiddelbat foenes med den geneelle elativitetsteoi, og så estatte vi bae ét stot poblem med et andet. Tilbage stå scenaium n., som de fleste foskee eftehånden anse fo det igtigste. Fo selv om vi ikke diekte kan se det hypotetiske møke stof, kan vi alligevel få en fonemmelse af, hvo det e, ved at fotsætte det abejde, Fitz Zwicky påbegyndte, og analysee den måde, univesets synlige inventa bevæge sig. Heved vise de sig et sløet billede af et kæmpemæssigt skelet, i hvilket univesets øvige stuktue e indlejet. Og dette skelet kan unde visse imelige antagelse om dets natu foliges med Stoe Bag og inflation. Desuden e det også så småt ved at blive muligt at lave beegninge af univesets massefylde uden at anvende Newtons love nemlig ved at benytte tyngdekaftens evne til at afbøje lys og disse beegninge vise også, at vi mangle at identificee et bidag til Ω på 0,75. Hvad bestå al denne skjulte masse så af? Hvad e det møke stof, de holde stjenene sammen i galakse og galaksene sammen i hobe og hobene sammen i supehobe? Et logisk sted at søge e i elementapatikelfysikken. Vi så jo i kapitel 6, at univeset åde ove te patikelfamilie, men at kun den ene synes at væe i egelmæssig bug. Så de bude jo væe masse af patikle at tage af til at bygge møkt stof. Desvæe e det ikke helt så enkelt. De e nogle betingelse, de skal væe opfyldt, fo at en patikel kan få lov til at kandidee til posten som ingediens i møkt stof. Føst og femmest skal den selvfølgelig have masse, fo elles ville den jo ikke væe i stand til at udøve sin tyngdevikning. Og denæst må den ikke føle den elektomagnetiske kaft. Dette e måske ikke helt så indlysende, men husk på, at (næsten) alle de vekselvikninge mellem elementapatikle, vi støde på i det daglige, skyldes elektomagnetisme. Hvis møkt stof bestod at patikle, de vekselvikede med fotone patiklene de mediee den elektomagnetiske kaft ville det simpelthen ikke have væet i stand til at holde sig skjult fo os. Vi må defo indskænke os til at se på, hvad univeset ha at gøe godt med, nå det gælde patikle med masse, men uden elektisk ladning. Det e temmelig hutigt oveset, hvilket du kan se af sammenfatningen i tabel 9.. Ω stof = 0,05 Ω enegi = 0,20 Ω??? = 0,75 Ω kosmos =,00 At Navn Symbol Masse (MeV) Femion Neutino ν e 0 μ-neutino ν μ 0,7 τ-neutino ν τ 5,5 Boson Z-nul Z 0 9,2 Higgs H Tabel. 9.. Standadmodellens a pioi-kanditate til ollen som ingediense i møkt stof. Det e imidletid ikke nok, at patiklene e elektisk neutale og ha masse, de skal også væe stabile, dvs. de skal have uendelig lang levetid. Heved miste Z 0 sit kandidatu, fo den leve, som vi så, da vi snakkede om den svage kenekaft, kun ca sekund, og Higgsbosonen e fomodentlig også ude af billedet. De eneste eelle kandidate, de heefte e tilbage inden fo Standadmodellen, e neutinoene, men gennemegne man et scenaium, hvo alt møkt stof udgøes af neutinoe, få man et unives, med en anden stuktu, end den vi obsevee. Det e defo noget andet, noget mee eksotisk, noget det ligge uden fo Standadmodellen, de skal til. Dette e imidletid ikke katastofalt. Det stoe puslespil, de e voes vedensbillede, falde ikke fa hinanden af den gund, fo vi konstateede jo alleede i kapitel 6, at Standadmodellen e ufuldstændig, og fysikene ha da også alleede en alment accepteet udvidelse kla. Den kaldes supesymmeti, 25

8 fodi den tage sit udgangspunkt i et nyt lag af symmeti i elementapatiklenes veden, og måske e den i stand til at løse gåden om det møke stof. Du kan genopfiske din viden om Standadmodellen ved at se tilbage på fig. 6 i kapitel 6, de viste, at de e to hovedgene på patiklenes slægtstæ: femione, de opbygge stof, og som ha spin ½, samt bosone, de fomidle kæfte, og som ha spin. Endvidee e patikeltæet spejlet, således at de til hve patikel svae en antipatikel med identiske egenskabe, botset fa at alle ladninge e modsatte. Teoien om supesymmeti foudsige, at de findes endnu en spejling, som ikke ombytte ladning, men spin, således at halvtalligt spin ombyttes med heltalligt spin og omvendt. Dette betyde, at de til hve patikel med spin ½ findes en supepatne med identiske e- genskabe, botset fa at den ha spin 0, samt at de til hve patikel med spin findes en supepatne med identiske e- genskabe, botset fa at den ha spin ½. Fig. 6. Supesymmeti. Til hve patikel findes en supesymmetisk spatikel. Navngivningen af supepatnene e meget enkel. Fo femionenes vedkommende sættes simpelthen et s- foan navnet (kvak skvak, elekton selekton osv.), mens bosonene få eftestavelsen ino hæftet på (foton fotino, gluon gluino etc.). Fo patikelsymbolenes vedkommende tilføjes blot en tilde (~) (f. eks. e ẽ, u ũ). Ifølge teoien skulle de altså findes en selekton, ẽ, de ligesom elektonen ha ladning og masse 0,5 MeV, men i modsætning til elektonen spin 0. Og de skulle findes en fotino, ~, de som fotonen ha ladning 0 og masse 0, men spin ½. Men dette e jo helt klat ikke tilfældet! Hvis de havde eksisteet en selekton og en fotino med disse egenskabe, ville fysikene fo længst have væet i stand til at poducee dem i patikelacceleatoene. Hvad e galt? Ikke andet end at jeg ha fotiet en vigtig detalje. Den pefekte symmeti va noget, de kun eksisteede i de alleføste submikoskopiske bøkdele af et sekund efte at patiklene opstod ud af Det stoe Bags enegifelte. Lynhutigt blev symmetien budt, således at en patikel og dens supepatne ikke længee havde samme masse. Alle spatiklene blev oveodentlig tunge og demed vanskelige at femstille i en acceleato. Du kan få en idé om, hvad et sådant symmetibud e, ud fa følgende analogi (fig. 7). Foestil dig, at vi ha en beholde, de indeholde ilt (O 2 ), kvælstof (N 2 ) og vand (H 2 O) ved en tempeatu på 200 C og et tyk på atm. Unde disse fohold e alle te stoffe luftfomige, og dees molekyle futte uhindet undt mellem hinanden i hele beholdeen. Man kan sige, at de eksistee en pefekt symmeti imellem de te stoffe med hensyn til dees fase (damp, væske, fast). Skifte vi fo ek- Fig. 7. Et eksempel på budt symmeti. Ved høj tempeatu findes både kvælstof, ilt og vand på luftfom, men ved lavee tempeatu fotættes vandet til væske, og ved endnu lavee tempeatu blive vandet fast, og ilten væskefomig, så de i beholdeen eksistee te foskellige fase. 26

9 sempel fokus og betagte H 2 O i stedet fo N 2, se vi stadig et stof, hvis molekyle befinde sig i dampfasen. Men afkøle vi beholdeen og dens indhold til 20 C, se vi, at symmetien begynde at bydes. Vandampen fotættes og blive til et væskelag i bunden af beholdeen, så de ikke længee eksistee en fuldstændig symmeti med hensyn til fase. Vi kan ikke længee ombytte N 2 med H 2 O og stadig have at gøe med et stof i dampfase. Afkøle vi ydeligee, nå vi en tempeatu, hvo vandet e blevet til et fast stof (is), og ilten til en væske, mens kvælstoffet fotsat e luftfomigt. Heefte kan helle ikke ilt og kvælstof ombyttes unde bevaing af fase. På samme måde kan vi helle ikke efte Det stoe Bag udskifte en patikel med dens supepatne og se massen bevaet. Symmetien e budt. Teoien om supesymmeti e selvfølgelig ikke opfundet ud af den blå luft. Den vokse natuligt ud af de matematiske fomle, de danne gundlag fo teoiene om Det stoe Bag og den kosmiske inflation. Det smukke ved supesymmetien e, at den besvae en ække elles ubesvaede spøgsmål, heunde spøgsmålet om hvad møkt stof bestå af. Fomlene foudsige nemlig, at alle supepatnene vil væe tunge patikle, de lynhutigt henfalde til lettee og lettee spatikle, indtil den letteste af dem, de kaldes LSP fo Letteste SupePatne, e nået. Da LSP ikke ha nogen ande spatikle, den kan henfalde til, må den væe stabil, og den blive hemed føende elle måske snaee eneste kandidat til at udgøe hovedingediensen i det møke stof, hvis den elles vise sig at leve op til kavet om en elektisk ladning på 0. Om det e tilfældet, ved vi føst, nå (elle hvis) det engang lykkes at obsevee den. Dette e en af hovedopgavene fo CERNs LHC-acceleato. Men selv om spatiklene endnu e hypotetiske, ved vi, at patikle med egenskabe som LSP en ent faktisk kan væe med til at give ophav til en kosmisk stuktu, som den vi obsevee. Dette femgå af en kæmpemæssig computesimulation (The Millenium Simulation) udføt unde ledelse af Max-Planck-Institut fü Astophysik, hvo man som computepogam ha genskabt Det stoe Bag og fulgt, hvodan det simuleede unives heefte udvikle sig. Billedene på fig. 8 vise tætheden af såvel almindeligt som møkt stof på foskellige tidspunkte i univesets udvikling. De klae, lysende plamage e galakse. Som du se, vokse den obseveede filamentstuktu i løbet af Fig. 8. Millenium Simulation: Tallene angive milliade å efte Det stoe Bag. (Max-Planck-Institut fü Astophysik). 27

10 åmilliadene ud af den initielle temmelig homogene suppe af bint, helium og møkt stof! Vi se altså igen, at univesets stuktu selv på den allestøste skala e nøje knyttet til egenskabene af de allemindste ingediense. Konklusionen e, at det unives, vi leve i, og som vi kalde voes, selv om vi utvivlsomt dele det med milliade og atte milliade af ande intelligensvæsene, e fladt i de te umdimensione og åbent i tid. Hvis vi ejse i en et linie, vil vi aldig vende tilbage til voes udgangspunkt, men vil kunne fotsætte indtil den acceleeende udvidelse ive ummet i stykke. Men indtil LHC en måske binge LSP og supesymmeti fo dagen, må vi leve med den chokeende ekendelse, at alt omking os i bogstaveligste fostand e fyldt af en skyggeveden, og at det i vikeligheden e dén, de e den domineende fakto i univeset. Vi e begyndt at ane omidset af skyggene, men endnu e voes opskift på univeset fotsat lige så mangelfuld som en bageopskift uden mel. Alle de spændende ingediense kende vi, men det, de danne selve gundlaget, ved vi endnu ikke med sikkehed hvad e. 28