Forskersonen er forskning.nos side for debatt og forskernes egne tekster. Meninger i tekstene gir uttrykk for skribentenes holdninger. Hvis du ønsker å delta i debatten, kan du lese hvordan her.

«All vitskap er enten fysikk eller frimerkesamling»

Rykta vil ha det til at no avlidne partikkelfysikar Ernest Rutherford sa det i eit overmodig augeblikk. Ifylgje han er det berre fysikk som er vitskap og alt anna for hobby å rekna.

No har også fysikarane rot i den vitskaplege samlinga si. Gravitasjonslovene til Newton og Einstein som dei trudde beskreiv røynda omhyggjeleg for heile universet, har vist seg å vera ubrukelege utanfor vårt eige solsystem.

Omtrent lik ei rosinbolle

Korleis er verda utanfor vårt solsystem? Korleis er universet byggja opp? Dersom me startar med oss sjølve som utgangspunkt, so er jorda ein del av vårt solsystem. Solsystemet vårt, saman med andre 300 milliardar andre solsystem, utgjer vår galakse, Melkeveien. 

Melkeveien er ein del av «Den lokale gruppa» som består av 50 galaksar. Universet er fylt opp av samlingar av galaksar som vert kalla hopar. Hopane har nokon få til fleire tusen medlemar. Utvidinga av universet kan samanliknast med hevinga til ein rosinbolle der rosinene er galaksehopar. Når deiga utvidar seg vil alle hopane koma lengre frå kvarandre.

Newton si gravitasjonslov frå 1687 seiar korleis to massar vert tiltrekte. Tiltrekkinga vert sterkare dess større massar og svakare dess lengre massane er fra kvarandre. 

For å koma fram til lova for gravitasjon brukte Isaac Newton sine tre lovar, som seier noko om korleis krefter påverkar masser. I tillegg brukte Newton målingar som den danske astronomen Tycho Brahe gjorde av Mars sin bane, som viser at spinnet til Mars rundt sola er bevart.

Ei teori gjeld berre til han vert avsanna

I fleire hundre år levde ein lukkeleg med Newton sine lovar, men på 1800-talet fekk ein eit problem med planeten Uranus. Han gjekk ikkje rundt sola slik som Newton si gravitasjonslov føreseier. Bana til Uranus var litt annleis enn han skulle vera dersom Newton sin gravitasjonslov var riktig. Skulle ein då berre forkasta Newton si lov?

I moderne vitskap er falsifisering gullstandarden. Vitskapsfilosofen Karl Popper innførde falsifikasjon som ideal. Ein kan nemleg aldri vita om ei naturlov har evig gyldigheit, ein kan berre utfordra ho ved testing og dermed finna eksemplar der ho feilar. Feilar lova vert ho forkasta. Eit døme kan vera at ein basert på observasjonar seier at alle svaner er kvite. Derom ein ser ei svart svane ryk hypotesa. og ho er dermed falsifisert. 

I staden for å forkasta Newton sin gravitasjonslov, brukte astronomen Urbain Jean Joseph Le Verrier ho som rettesnor og rekna ut at det måtte vera ein annan stor planet som påverka Uranus si bane med si gravitasjonskraft, sidan han ikkje gjekk som føresagt. 

Ved å sjå på bana til Uranus rekna Verrier ut kvar ein ukjend planet kunne vera og dimed kvar ein burde leita på himmelen for å finna han.

Natta den 24. september 1846 observerte astronomen Gottfried Galle den nye planeten som vart kalla Neptun med sitt teleskop i Berlins observatorium. Neptun lå på den staden på himmelen Le Verrier hadde rekna ut. Dette var eit sensasjonelt augeblikk i vitskapen på 1800-talet og ein dramatisk stadfesting av Newtons teori om gravitasjon.

Teoriane sviktar

Le Verrier oppdaga altså ein planet med pennespissen sin. Då han seinare leita etter ein planet kalla Vulkan, som skulle forklare planeten Merkur sin noko underlege baneoppførsel, feila han fullstendig. Det var ingen ekstra planet som kunne gje Merkur den bane han hadde. Fyrst når Einstein med si geometriske gravitasjonslov kom på bana, fann ein forklaringa - og det var med å sementera den generelle relativitetsteorien til Einstein.

Einstein si gravitasjonslov er i sitt vesen særs ulik Newton sin. Dei gjev same resultat når ein har middels sterke gravitasjonskrefter, men vert ulike når gravitasjonskreftene vert sterke. Merkur som er planeten nærast sola er utsett for sterke gravitasjonskrefter og fylgjer difor ikkje Newton sin gravitasjonslov, men Einstein si.

Ein har heile tida trudd at Newton og Einstein sine gravitasjonslovar er universelle. Det vil seia at dei gjeld for heile universet. Men so byrja det å dukka opp observasjonar av fenomen utanfor vårt solsystem i galaksane og galaksehopane som ikkje kunne forklarast med våre gjeldande teoriar.

Kvar feilar Newton og Einstein sine teoriar? Nærast overalt. 

Det finnast ein rekkje observasjonar som er stikk i strid med teoriane. Dei ytre stjernene i galaksar sviv alt for snøgt rundt. For å kunna rotera so raskt trengs det meir masse i galaksen enn det som er synleg. Dess meir masse, dess raskare rotasjon.

Galaksehopar, som er samlinga av fleire galaksar, snurrar også for snøgt av same årsak. På nittitalet fann ein også ut at universet hadde ein akselerande ekspansjon - det utvidar seg - som ikkje kunne forklarast med gjeldande teori.

Når dukka problema utanfor vårt solsystem opp? For om lag eit hundre år sidan. Då undersøkte den sveitsiske fysikaren Fritz Zwicky galaksehopen Coma. Coma er ei samling av galaksar som ligg nær kvarandre og snurrar rundt som eit solsystem.

Zwicky fann ut at skulle ein kunne forklara korleis einskilde galaksar oppførte seg i denne hopen, måtte det væra hundre gangar so mykje materie i han enn kva ein kan berekna basert på det synlege lyset.

Han konkluderte med at hopen innhald store mengder ikkje synleg mørk materie - «dunkle Materie».

For femti år sidan målte astronomen Vera Rubin at dei ytre stjernene i galaksar sveiv for fort rundt dersom ein berre skulle taka omsyn til den synlege materien i galaksane. 

For å få desse observasjonane til å stemma med Newtons og Einsteins gravitasjonslovar trengs det mykje meir masse i form av mørk materie i og mellom galaksane.

Jakta på ei forklaring

Med Karl Popper sitt forskingsideal falsifisering som rettesnor for å nærma oss ein god forklaring av universet, burde Newton og Einstein sine gravitasjonslover vore forkasta. Eller so får ein halde på dei og finna noko som kan forklare avviket, slik Verrier gjorde då Neptun vart oppdaga.

Korleis kan fysikarane redda Newton og Einstein sine lovar? Og kva må til for at dei skal vera evige og allmenngyldige, universelle? Vel, det er her den mørke materien og mørke energien kjem til sin rett. La oss starta med mørk materie.

Ein treng ei stor mengde usynleg mørk materie. Det er mange forslag til kva slik mørk materie kan vera – varm gass, mengder av svarte hol og hypotetiske partiklar som WIMP (Weakly Interacting Massive Particles).

Denne materien må liggja som ballar rundt galaksar og galaksehopar for å forklara observasjonane. For å få rekneskapen til å gå opp, treng ein fem gangar so mykje mørk materie som vanleg materie. Då den mørke materien er usynleg og knapt reagerer med noko er han vanskeleg å oppdaga.

Dei fleste fysikarar trur at den mørke materien er ein ny type partiklar kalla WIMP. WIMP er ein klasse med hypotetiske partiklar som spiller ei rolle i partikkelfysikken. Med andre ord, eit strålande sysselsettingstiltak for partikkelfysikarar.

Kva med heller å endra på naturlovane?

I 1983 foreslo den israelske fysikaren Mordehai Milgrom at ein kunne endra litt på Newton sin gravitasjonslov. Ved å leggja til eit lite tilleggsledd som først får betydning når akselerasjonen er liten, kan ein forklare nokre av problema, men ikkje alle. Dette tilleggsleddet er so lite at effekten av det druknar når gravitasjonskreftene er so sterke som det me har i solsystemet.

I galaksar og galaksehopar er gravitasjonskrafta mellom stjernene so liten at dette tilleggsleddet får betydning og kan forklara avviket frå Newton og Einstein sine gravitasjonslovar

Begge teoriane Milgrom si med justert gravitasjonskraft og mørk materie har sine utfordringar, men i dag set dei fleste fysikarar sin lit på mørk materie då den ser ut som å manifestera seg i temperaturfordelinga i bakgrunnsstrålinga.

Me veit svært lite

Er det meir der ute i mørket? Ja, i 1998 fekk me eit nytt sjokk. Supernovaer, eksploderande stjerner, viste at universet akselererte. Universet ekspanderer med stendig aukande fart. Det var stikk i strid med alle gjeldande teoriar.

For å prøva å forklare dette, kom mørk energi på bana. Den mørke energien sendar ikkje ut stråling og verkar som ein slags fråstøytande gravitasjonskraft. Den mørke energien er jamt fordelt og fyllar universet.

les også:

Enten tar Einstein feil, eller så finnes mørk energi

I Einstein sin opphavlege gravitasjonslikning, hadde Einstein med ein konstant som fort vart satt til null då ein på byrjinga av førre hundreår fann ut universet utvida seg med jamn fart. Då ein i 1998 fann ut at det var feil og at universet akselererte kom Einstein sin konstant på bana igjen.

Ved å gjeva den konstanten ein verdi ulik null, kan akselerasjonen beskrivast. Kor mykje mørk energi treng me for å få Einstein si likning til å stemma med observasjonar? Fjorten gongar so mykje energi som i det synlege universet.

Skal me væra heilt ærlege, so veit me særs lite om lovane som beskriv universet. Skal me halda på Newton og Einstein er nittifem prosent av universet ukjend energi og materie. Dersom me endrar lovane vert dei stygge i fysikarane sin auge. Kva som vinn fram vil framtida vise. Det gjeld å få orden i frimerkesamlinga.

For vidare lesing anbefaler eg: 

• «Det usynlige universet» av Jostein Riiser Kristiansen
• Har du draget? – En undersøkelse av ingeniørstudenters kunnskaper og ferdigheter i mekanikk etter eksamen

Les også:

Når roboter blir flinkere og klokere enn mennesker, hva da med etikken?

Vitenskap handler mer om hva vi ikke vet enn hva som er sant