En god tumregel är att inom vetenskapen
är det oftast de enklaste frågorna som är svårast att besvara.
Frågor som: "Hur började universum?"
För inte alltför länge sedan, hade vetenskapen inte verktygen
för att ens börja svara på frågorna om universums ursprung.
Men under de senaste hundra åren har det gjorts en rad genombrott
av män och kvinnor,
som genom observation, beslutsamhet och till och med ren tur,
har lyckats lösa detta enorma, kosmiska mysterium.
Detta var riktigt astronomiskt guld.
Jag tänker återskapa deras mest berömda upptäckter
och genomföra deras största experiment.
Trettio tusen kilometer i sekunden.
Som tar oss från de allra största objekten i universum
till de oändligt små.
Tills jag når gränsen för vår kunskap, genom att resa tillbaka i tiden
för att återskapa universums begynnelse.
Ögonblicket en miljondels sekund efter att universum bildades.
Detta är en tid innan själva materian
hade skapats i någon form som vi känner igen.
Det är så nära skapelsen vi kan hoppas på att komma.
Tidernas begynnelse.
Själva universums begynnelse.
Det är ett anmärkningsvärt faktum att det tog vetenskapen hundratals år
att bilda en teori som förklarar universums ursprung,
i synnerhet när
frågan är så enkel och grundläggande.
Det ligger något genuint mänskligt i att ställa oss frågan
var allt detta kommer ifrån.
Kanske för att det är en djupare och mer grundläggande version av,
var kommer jag ifrån?
Ändå har man i människans historia,
endast kunnat svara på denna till synes enkla fråga
genom religionerna.
Inte förrän i mitten av 1900-talet
började vetenskapen bilda en egen sammanhängande och övertygande berättelse.
Det var en berättelse som byggde på teori, förutsägelser och observation.
Berättelsen som äntligen kunde förklara
vad som hände i tidernas begynnelse.
Själva universums begynnelse.
För lite mer än hundra år sedan,
i den mån vetenskapsmännen över huvud taget övervägde universum existens,
ansåg man att det var evigt, oändligt och stabilt.
Ingen början och inget slut.
Så att ens ställa sig frågan
om universums ursprung var omöjligt.
Men i början av 1900-talet började det att förändras.
Nya upptäckter ifrågasatte gamla sanningar
och banade väg för frågor om var universum kom ifrån.
En iakttagelse förändrade vår uppfattning om universums sanna storlek.
Det började med ett mysterium på himlen.
I början av 1900-talet,
var det allmänt känt att vårt solsystem låg i en galax,
Vintergatan.
Varje enskild stjärna som vi kan se på himlen med blotta ögat,
ligger i vår egen galax.
Fram till 1920-talet utgjorde alla dessa stjärnor,
denna enskilda galax, hela universums omfattning.
Utanför den fanns bara ett tomrum.
Men det fanns även några gåtfulla objekt där uppe,
som man knappt kunde urskilja med blotta ögat,
som såg annorlunda ut.
En av de mest märkbara är Andromeda.
Du kan se Andromeda om du vet var du ska titta.
Om du börjar från Cassiopeja,
de fem stjärnorna som är formade som ett liggande M,
och drar en linje genom M: ets spetsar
och tittar en aning uppåt, så hittar du den.
Jag ska ta kikaren till hjälp.
Till att börja med...
Och om jag...
Spanar över, ja, där är den.
Man ser att det inte är en stjärna.
Det är som en svag, suddig fläck
mitt emellan två stjärnor.
Där uppe är den.
Där är M31, den stora Andromedanebulosan.
De kallades för nebulosor
för sitt suddiga, tunna och dunkla utseende.
Ordet nebulosa kommer från latinets ord för moln.
Dessa diffusa objekt var utspridda
över hela natthimlen.
Teleskop kunde avslöja att många av dess nebulosor
var mycket mer komplexa än enkla moln av interstellär materia.
De såg ut att vara omfattande stjärnsamlingar,
och detta innebar två fängslande möjligheter.
Var de stjärnbarnkammare, en plats där stjärnor föddes
och var därmed en del av vår egen galax?
Eller, på ett djupare plan,
var dessa vackra, gåtfulla objekt galaxer i sin egen bemärkelse,
som befann sig långt utanför Vintergatan?
Innebörden av den andra möjligheten ar enorm.
Om den stämde, skulle den omedelbart och fullständigt förändra vår uppfattning
om universums storlek.
Här fanns en möjlighet
för en ambitiös astronom
att göra sig ett namn.
Kanske någon med ett riktigt stort teleskop.
Den här mannen var ett steg före.
Edwin Hubble, en man från Missouri.
Även om du träffade honom hade du aldrig ha gissat det,
för han utvecklade en märklig image, en piprökande, tedrickande man
med en utpräglat aristokratisk brittisk accent.
Hubble är antagligen den mest kända astronomen någonsin,
inte minst för sin fulländade marknadsföring av sig själv,
men även för de otroliga mätningar han gjorde.
På Hubbles tid, vad beträffar observationer,
och nya upptäckter, hade storleken en betydelse.
Idag är detta världens mest kraftfulla, optiska teleskop.
GTC,
med en spegeldiameter på över tio meter,
eller 400 tum i diameter.
Mycket större än något Hubble hade.
I september 1923,
arbetade Hubble på det som då var världens största teleskop.
Det 100 tum stora Hooker-teleskopet på Mount Wilson-observatoriet,
på toppen av de höga Sierra-bergen
med utsikt över Los Angeles och Kalifornien.
Han använde teleskopet
för att studera en av de mest prominenta nebulosorna på himlen,
Andromedanebulosan.
Samma nebulosa som jag tittade på innan.
Det var medan han observerade den,
som en väldigt speciell stjärna fångade hubbles uppmärksamhet.
En som kunde avslöja Andromedas sanna natur,
och jag tänker ta detta teleskop till hjälp för att hitta den nu.
Det här är kontrollrummet för GTC
och ikväll har de riktat teleskopet mot Andromeda
och de tänker ta en bild av den.
Tar det ungefär en minuts exponering för att få en tillräckligt klar bild?
- Det stämmer, ja. - Okej.
Nu är bilden klar, så vi ska öppna den.
Okej, här har vi Andromeda.
Det stämmer, det där är Andromeda.
Här har vi Hubbles ursprungliga fotografiska plåt.
- Ja. - Så Hubbles stjärna
är här nere i hörnet.
Kan du hitta den på din bild?
Om man jämför bilderna
Man ser inte det så tydligt, det vi ser är utkanten av galaxen,
så vi går...
...lite längre bort.
Jag förstår... Är det här bara utkanten?
Det är bara utkanten.
Jag antog att det var galaxens mitt.
Nej.
Det visar bara den högre upplösningen
- man får med ert teleskop. - Just det.
Okej, kan vi se just den stjärnan?
Ja, för att hitta just den stjärnan, eftersom den är så svag,
måste vi leta efter referenspunkter som är ljusare,
och i det här fallet ser vi fyra stjärnor här,
som är de här fyra stjärnorna,
och stjärnan som Hubble hittade är den här.
- Där är den, Hubbles... - Den lilla stjärnan
är den som Hubble hittade.
Otroligt.
Kan ni bedöma storleken på stjärnan?
Ja, vi måste göra lite bildbehandling,
- men vi kan göra det. - Okej.
Hubble hade hittat sin stjärna.
Han visste att den var speciell, för när han jämförde sin plåt
med andra som hade tagits föregående nätter,
märkte han att hans stjärna förändrades i ljusstyrka.
Vissa nätter var den ljusare och andra var den svagare.
Han insåg att det här var en variabel stjärna
och han förstod vad det innebar.
Han förstod att det här var riktigt astronomiskt guld.
Hans stjärna var en cepheidvariabel.
Bland stjärnornas stjärnor, är cepheidvariabler
något väldigt speciellt.
För genom att studera hur deras ljusstyrka förändras,
kan astronomer beräkna hur långt bort de är.
Hubbles cepheid var den första som upptäcktes i ett nebulosa,
så han visste att om han kunde mäta dess period,
så skulle han kunna räkna ut hur långt från oss den var.
Hubble började därför mäta noggrant
hur ljusstyrkan på hans stjärna varierade.
Det är inte svårt att föreställa sig hur spännande det var för Hubble.
Han hade möjligheten
att kunna lösa en grundläggande, om än en enkel fråga.
Fanns denna nebulosa innanför Vintergatan eller utanför?
Svaret skulle omforma vår kunskap om universum.
Hubble mätte luminansen och ljusstyrkan hos sin stjärna
under flera nätter, och lade in det på den här kurvan.
När vi mätte den i natt hade den ett värde på 18,6.
Jag vet, eftersom när de mätte den igår natt, var den något svagare,
så faller den på den här sidan om kurvan.
Men ju viktigare är perioden,
i dagar räknat, från den ljusaste punkten till nästa ljusaste punkt.
Enligt Hubbles beräkningar var det 31,415 dagar.
Detta är det viktiga måttet.
Med hjälp av detta och stjärnans ljusstyrka,
kunde Hubble räkna ut avståndet till Andromedanebulosan.
Det var tydligt att den här stjärnan var väldigt långt borta,
men när Hubble gjorde sin beräkning,
kom han fram till att den låg 900 000 ljusår bort,
vilket gör stjärnan till det mest avlägsna objektet som någonsin registrerats.
Det kunde bara betyda en sak,
inte bara att Andromeda är en galax i sig,
utan att den även ligger en bra bit utanför Vintergatan
och myriaden av andra elliptiska och spiralformade nebulosor
var dessutom individuella, avlägsna galaxer.
Det var ett ögonblick i människans medvetande,
då universum plötsligt och dramatiskt
hade blivit avsevärt större.
Med denna upptäckt
hade Hubble omdefinierat den märkbara vidden av universum.
Det kanske inte direkt utmanade uppfattningen om ett stabilt universum,
men det krossade länge gällande antaganden
och öppnade upp för möjligheten för ännu större hemligheter
såsom universums ursprung.
Rakt in i detta drastiskt utvidgade kosmos
steg någon som skulle, utan att inse det,
tillhandahålla verktygen för att avslöja hemligheten.
Den här killen.
En berättelse som förklarar universums ursprung,
skulle på något sätt kännas fel om den inte innefattar en vetenskapsman
så stor som Albert Einstein.
Därför gör den självklart det,
eftersom det var Einstein som hade den teoretiska grund som krävdes
för att studera universum
och som uppfann vetenskapen om kosmologi.
För hundra år sedan lade han fram sin allmänna relativitetsteori.
Den revolutionerade fysiken
och vi fick en helt ny insikt om världen.
Han föreslog att gravitationen
orsakades av böjning av tid och rum
av massiva objekt som planeter och stjärnor.
Hans teorier var revolutionära.
Einstein var en egensinnig man som ignorerade konventionerna
och följde sina egna anmärkningsvärda instinkter.
En av hans föreläsare sade en gång:
"Du är en smart pojke, Einstein, en väldigt smart pojke,
men du har en stor brist,
du låter ingen säga något till dig".
Detta var självklart den egenskap som möjliggjorde för honom
att ändra fysikens värld
och såklart att utmärka honom som en av de största tänkarna
på 1900-talet.
År 1917 tog han sin generella relativitetsteori
och tillämpade den för hela universum.
Genom att följa logiken i sin teori, kom han fram till något ganska oroande,
den kombinerade dragningskraften hos all materia i universum
skulle dra samman alla föremål i kosmos,
till en början sakta, men gradvis i ökad takt,
tills...
Gravitationen skulle slutligen och oundvikligen
leda till en kollaps av själva universum.
Men Einstein trodde, liksom praktiskt taget alla andra,
att universum var oändligt och statiskt
och definitivt inte ostadigt eller någonsin sannolikt att kollapsa.
Men hans ekvationer verkar visa på motsatsen.
För att förebygga universums undergång
och hålla allt i balans,
lägger han till Lambda, eller den kosmologiska konstanten, i sin ekvation.
Det är ett slags uppfunnen anti-dragningskraft
som motverkar den normala dragningskraften.
Han hade inget belägg för detta,
men det hjälpte till att se till att hans ekvationer beskrev ett stabilt universum.
Hemligheten till universums ursprung låg inom räckhåll för honom,
ändå kunde Einstein inte acceptera
slutsatserna av sina egna ekvationer.
Med facit i hand kan det tyckas fantastiskt att Einstein gjorde detta.
Här hade vi en man som revolutionerade vetenskapen genom att
rata konventionell kunskap
och ändå kunde han inte förmå sig själv att lita på sin egen teori.
Han kände sig tvungen att justera sin ekvation för att passa den gängse åsikten.
Han erkände till och med att den kosmologiska konstanten var nödvändig
för att skapa en kvasi-statisk fördelning av materian,
för att helt enkelt behålla saker som de var.
Oavsett hans orsaker,
skulle den här lilla symbolen, Lambda,
komma tillbaka och hemsöka honom.
För att samtidigt som den hindrade Einstein att förstå innebörden,
så öppnade hans idéer dörren för någon annan att lägga fram
en teori om universums ursprung.
Han var en ung, deltidsanställd universitetslektor
i teoretisk fysik.
Hans idé var så radikal att den chockerade hela fysikvärlden
och splittrade vetenskapssamfundet.
Han började ett argument som inte skulle komma att lösas på ett halvt sekel.
Hans namn var Georges Lemaitre.
Den skarpögde kanske lägger märke till rundkragen.
Han var faktiskt både fysiker och präst.
Om denna till synes märkliga dubbelroll
sade Lemaitre: "Det fanns två vägar att hitta sanningen på,
jag beslöt mig för att följa båda".
Med hjälp av Einsteins relativitetsteori utvecklade han egna kosmologiska modeller.
Lemaitres modell beskrev ett universum som var långt ifrån att vara statiskt,
faktiskt höll på att expandera med galaxer som slungades iväg från varandra.
Dessutom såg Lemaitre innebörden av detta.
Om man vred tillbaka tiden,
drog han slutsatsen att en gång
måste hela universum ha varit komprimerat till en liten yta,
något han kallade för urtidsatomen.
Detta var i grunden den första beskrivningen
av det som sedan blev känt som Big Bang-teorin,
ögonblicket då universum skapades.
Hans idéer var revolutionära och han publicerade dem
i Annales de la Société Scientifique de Bruxelles,
där de snabbt ignorerades av vetenskapssamfundet.
Han reste då till Bryssel för att försöka få stöd för sin idé.
Solvay-konferensen som hölls 1927 här i Bryssel,
var förmodligen det mest kända och största mötet av vetenskapsmän
som någonsin samlats.
Men för vår berättelse hände det viktigaste mötet
inte här.
Det var inte planerat och det skedde utanför konferensen.
Det var här det hände.
LEOPOLDPARKEN: BRYSSEL
I den här parken träffade den okände Lemaitre
världens mest kända och hyllade vetenskapsman, Albert Einstein.
Här fick han äntligen chansen att förklara sin idé om ett expanderande universum
för den person vars teori han använt till att härleda den ifrån.
Man kan bara föreställa sig Lemaitres bävan då han närmade sig.
Om Einstein stödde hans radikala idé, skulle den säkert bli accepterad.
Denna briljanta hjärna, denne enastående fysiker,
denna djupt originella tänkare skulle säkert förstå hans teori.
Men efter en kort diskussion förkastade Einstein hans idé utan vidare.
Enligt Lemaitre sade han: "Vos calculs sont corrects,
mais votre physique est abominable".
Enligt Einstein var hans matematiska beräkningar säkert riktiga,
men hans förståelse för hur den riktiga världen fungerar
var avskyvärd.
Än en gång förkastade Einstein idén om ett dynamiskt universum.
Lemaitres avhandling borde ha inspirerat vetenskapen,
men utan stöd av en sådan stor och inflytelserik figur som Einstein,
var hans banbrytande idé dömd att falla i glömska,
såvida inte det dök upp några observationer eller bevis som stödde idén
om ett expanderande universum.
Edwin Hubble här hade ett högt anseende efter sin upptäckt
som bevisade att det fanns galaxer utanför vår egen.
Han hyllades av Hollywoodstjärnor, var hedersgäst på Oscarsgalan
och med tillgång till världens kraftfullaste teleskop
var han redo för nästa utmaning.
Han hade hört om några ovanliga observationer
att många galaxer verkade röra sig bort från oss.
Ingen kunde förstå varför.
Så 1928 riktade världens mest kända astronom
sin uppmärksamhet mot ett nytt kosmiskt mysterium
och började mäta hastigheten
som dessa galaxer rörde sig i i förhållande till jorden.
För att mäta hastigheten som en galax avlägsnade sig från oss,
använde Hubble något som kallades för rödförskjutning.
Det är inte en perfekt jämförelse,
men effekten liknar den de flesta av oss känner till när det gäller ljud,
tonhöjden av en bilmotor som är på väg emot oss
är högre eftersom ljudvågorna är sammanpressade,
men tonhöjden sjunker då bilen avlägsnar sig,
eftersom ljudvågorna då förlängs.
Effekten liknar ljusvågor. När ljuskällan rör sig mot oss,
pressas den observerade våglängden ihop
mot den violetta eller blå änden av spektrumet.
Men om ljuskällan rör sig bort från oss, förlängs våglängden
mot den röda änden av spektrumet, eller rödförskjuts,
enligt astronomens språkbruk,
och ju större hastigheten är som objektet går tillbaka,
desto större rödförskjutning.
Med sin assistent, Milton Humason, tillbringade Hubble följande år
med att noggrant mäta galaxernas rödförskjutning.
Jag har nu möjlighet att göra samma sak
med hjälp av det här teleskopet.
Okej, Massimo, har du hittat en galax åt mig?
Ja, jag har hittat den här galaxen.
Hur långt bort ligger den?
Den är ungefär 430 mega-parsek bort.
Om du omvandlar det till ljusår är det 430 gånger 3,26.
Det blir ungefär en och en halv miljard ljusår bort.
Ja.
Ja. Okej.
Hubble behövde mäta det genomsnittliga ljuset som kom från galaxen
för att få ett spektrum så att han kunde räkna ut rödförskjutningen.
Humason gjorde detta genom att exponera en fotografisk plåt
och det tog honom en hel vecka
att samla in tillräckligt med ljus för att få ett spektrum.
Men här på TNG, Galileo-teleskopet,
använder de ett mycket känsligt chipp
som kan göra det mycket snabbare.
Hur lång tid tar det för dig att få ett spektrum?
Ungefär 10 eller 15 minuter tror jag.
Alltså, 10 eller 15 minuters exponering jämfört med en vecka
på Hubbles tid.
Mycket mer kraftfullt än det man hade på den tiden.
- Nu är det klart. - Spektrumet är ganska bra.
Det är...
Okej, det här är alltså ett rått spektrum.
- Ja. - Som har tagits.
Finns det någon viss emissionslinje som du använder
som referens för att mäta rödförskjutningen?
Ja, här till exempel.
Här har man en emissionslinje, men för att få ett riktigt spektrum
måste man rensa den för att få den slutgiltiga.
Här är den rensade versionen av den.
Av den.
Så det här är de verkliga emissionslinjerna från galaxen.
Emissionslinjer. Ja.
Och den undre gissar jag är referensen.
Referensen, precis. Av galaxen med en rödförskjutning på noll.
Okej, en som inte rör sig bortåt i förhållande till oss.
- Ja. - Det är ganska tydligt här,
om du jämför den övre med den här,
- varje emissionstopp är förskjuten. - Ja.
Förskjuten mot rött. Referenslinjen är till exempel H-alfa,
och från dessa kan man räkna ut galaxens rödförskjutning.
Och kan man räkna ut från det
hur snabbt galaxen rör sig bort från oss?
I princip kan man erhålla det.
Okej, så vad är formeln?
Formeln är skillnaden
mellan den rödförskjutna våglängden och den observerade våglängden,
delat med referensvåglängden, multiplicerat med C.
Det kallas för dopplereffekten.
Ska vi försöka göra det ungefär?
- Ja. - Okej.
Det här är ungefär...
Sju, två, noll, noll, ungefär.
- Okej. - Minus.
- Minus sex, fem. - Fem, sex, tre, sex, tre.
- Okej. - Delat med
sex, fem, sex, tre.
Och det är bråktalet av ljusets hastighet.
- Ja. - Okej, jag kan lika gärna göra det.
Jag borde göra det med räknaren, men...
Sju, två, noll, noll. Sex, fem, sex, tre.
Det blir sju, tre...
Sex...
Och det delar vi med sex,
fem, sex, tre. Det blir ungefär...
0,1 ljusets hastighet.
0,1 C.
Det är väl ungefär 30 000 kilometer i sekunden?
- Korrekt. - Tack.
Jag är faktiskt ganska nöjd med mina beräkningar,
eftersom jag var under press...
Så den här galaxen är
en och en halv miljard ljusår bort
från Vintergatan
och den... Enligt rödförskjutningarna som vi har räknat ut,
håller den på att röra sig bort från oss i en tiondel av ljusets hastighet,
vilket betyder att den rör sig bort från oss i tre...
Oj, förlåt, 30 000 kilometer i sekunden.
Vetenskap.
När han hade räknat ut galaxens hastighet
mätte Hubble sedan hur långt borta den var.
När Hubble hade dessa två mått, kunde han börja rita in dem
i ett diagram med hastighet mot distans.
Då gjorde han 46 olika mätningar
och när han ritade in dem i diagrammet kunde han urskilja ett mönster.
Han kunde dra en linje genom alla punkter.
Var och en av dem är en enskild galax.
Han upptäckte ett samband mellan hastigheten
och distansen till galaxen.
Ju längre bort galaxen var, desto snabbare rörde den sig bort.
I ett stabilt universum
borde galaxernas hastighet förefalla slumpmässig.
Man skulle inte förvänta sig ett tydligt förhållande
mellan distansen till en galax och dess hastighet.
Hubbles diagram visade att universum expanderade,
vilket tydligt implicerade att
det fanns en begynnelse till universum.
Detta innebär inte bara att
galaxerna rör sig bort från oss och från varandra,
men om man kunde vrida tillbaka klockan,
skulle det finnas en tid då allt var sammanpressat
på ett och samma ställe.
Här fanns äntligen den första iakttagelsen, det första beviset
att Lemaitres idé om ett skapelsens ögonblick,
om ett universum som bildades från en Big Bang, kunde stämma.
Tack vare Hubbles arbete
blev Georges Lemaitre, den okände belgiske prästen,
teoretikern utan tillbörliga internationella meriter...
Mannen vars fysik Einstein kallade för avskyvärd,
blev sent omsider med rätta uppmärksammad
för sin djärva teori.
Viktigast av allt var att
fysikens största namn accepterade denna revolutionerande idé.
År 1931, vid ett besök på Hubbles observatorium,
godkände Einstein officiellt Big Bang- modellen med ett expanderande universum.
"Rödförskjutningen av avlägsna nebulosor
har krossat min gamla tolkning som ett hammarslag", sade han.
Einstein släppte konceptet på den kosmologiska konstanten.
Han skrev till och med till Lemaitre:
"Ända sedan jag introducerade termen
har jag haft dåligt samvete.
Jag kan inte tro att en sådan hemsk sak
skulle uppstå i naturen".
Det måste ha varit ett stort erkännande för Lemaitre,
som praktiskt taget hade bannlysts ut från vetenskapens vildmarker,
att nu befinna sig i centrum av en kosmologisk revolution.
Big Bang-teorin uppmärksammades äntligen.
Men trots Einsteins godkännande och Hubbles observationer,
så var dispyten långt ifrån över.
Det fanns fortfarande många invändningar
om Big Bang-teorin skulle accepteras överlag.
En vetenskaplig skapelseteori
handlar inte bara om att förklara universums expansion.
Det finns mycket djupare frågor att lösa.
Problemet var,
att Big Bang skapade lika många frågor som den besvarade.
Som ifall universum hade uppstått från en enda punkt,
var kom då all materia ifrån?
För att gå vidare, måste Big Bang-teorin förklara
hur själva materian hade skapats.
Innan det kan besvaras,
måste vi veta vad universum egentligen består av.
De elementära byggstenarna.
Att ta reda på det krävde en otrolig insikt
av en anmärkningsvärd kvinna.
Cecilia Payne.
Hon studerade vid Cambridge universitet,
men fick inte någon examen för att hon var kvinna.
För att fortsätta sina studier,
var hon tvungen att åka till ett mer upplyst ställe.
Hon lämnade England och åkte till Amerika,
och det var där hon avslöjade universums sammansättning.
Om du skulle fråga någon vad de vanligaste grundämnena var,
skulle en atmosfärisk forskare kanske säga kväve.
Mer än tre fjärdedelar av atmosfären består trots allt av kväve.
Geologer kanske säger silikon, järn eller syre,
vilka alla verkar väldigt säregna och jordnära
och faktiskt ganska inskränkta.
Så astronomer tyckte att det var bättre att titta på solen.
Vilket är vettigt, eftersom det mesta av det vi ser
när vi titta ut i kosmos, är stjärnor.
De första försöken att analysera solens sammansättning
gjordes med en utrustning ungefär som denna.
Nåja, inte precis som denna.
Det här är 2000-talets allra senaste solteleskop.
Men grundidén var densamma.
Grundidén är väldigt enkel.
Solens ljus reflekteras i spegeln här,
upp till en annan spegel.
Där studsar det ner genom tornets topp
ända till botten, tio våningar ner,
där det fokuseras och delas upp i ett spektrum
som analyseras.
Det här är solteleskopets kontrollrum.
Teleskopets bas är där borta.
Och här har jag en bild av solen i realtid.
Det jag har här uppe är en inzoomad del
av ljusspektrumet från solen.
Det är i svartvitt,
men det motsvarar faktiskt den gröna delen av spektrumet.
Dessa två tjocka linjer motsvarar grundämnet järn.
De visar att det finns järn i solen.
Här är spektrumet mer i detalj
och dessa två linjer
motsvarar de här två dalarna i absorptionsspektrumet
vid mycket specifika våglängder.
Det här är järn.
Om jag tittar på andra delar av spektrumet
ser jag även andra grundämnen.
Den stora dalen här är väte.
Dessa två sänkor representerar syre
och den här sänkan motsvarar grundämnet magnesium.
Alla de här sänkorna och linjerna i spektrumet
indikerar att de här grundämnena finns i solens atmosfär.
Det är ett fingeravtryck av solens sammansättning.
För en geolog är alla de här grundämnena bekanta.
Det verkar vid en första anblick
som om solen består av samma material som jorden.
Att solen helt enkelt är en mycket het sten.
Så hade det förblivit
om det inte vore för Cecilia Payne.
Hon insåg att spektrograferna påverkades av processer
i solens atmosfär.
Dessa förvrängde den till synes stora förekomsten av grundämnen
som utgjorde solen.
Därför räknade hon om antalet grundämnen
och upptäckte att solen bestod nästan uteslutande av endast två grundämnen,
väte och helium.
Alla andra grundämnen, kol, syre, natrium och järn,
som fick solen att verka så lik jorden,
uppgick till endast en bråkdel av dess sammansättning.
När hon första presenterade resultatet
ansågs det vara omöjligt.
När hon redogjorde sitt arbete blev hon till och med
övertalad att lägga till kommentaren:
"Dessa beräknade stora förekomster av väte och helium
stämmer med all sannolikhet inte".
Idén accepterades bara fyra år senare,
då chefen för ett prestigefyllt observatorium
kom fram till exakt samma slutsats men på ett annat sätt.
Ironiskt nog var detta samma man
som ursprungligen hade avvisat Paynes arbete som helt omöjligt.
Paynes avslöjande om förhållandet mellan väte och helium,
visade sig vara anmärkningsvärt konsekvent för nästan alla stjärnor i galaxen.
Detta ledde till en stor slutsats.
Universum domineras av endast två grundämnen.
De enklaste och lättaste grundämnena,
väte och helium.
Tillsammans utgör de mer än 98 % av all materia i universum.
Alla andra grundämnen som är så viktiga för oss,
som kol, syre, järn, utgör mindre än två procent.
Nu var utmaningen för alla som stödde Big bang-teorin
väldigt tydlig och enkel.
Kunde Big Bang-teorin förklara
skapelsen och den observerade förekomsten av väte och helium i stjärnorna?
Men för att besvara det,
skulle det krävas en grundläggande förändring av fokuset.
Istället för överväga universums nästan oändliga omfattning,
blev det nödvändigt att överväga
atomens oändligt lilla värld
och det krävde inte en astronom,
utan en helt annan typ av fysiker.
George Gamow var en rysk kärnfysiker
och en entusiastisk förespråkare av Big Bang-teorin.
Han riktade sin uppmärksamhet till de tidigaste ögonblicken av universum.
Här kände han att svaret fanns för universums sammansättning.
Det var då han trodde att väte och helium först förenades
och han föreslog att det skulle ha skett mycket snart
efter universums födelse.
Han började bygga en matematisk modell av universums första stadier.
Han tänkte på universum i termer av sekunder och minuter
snarare än miljarder år.
Och han rekryterade en ung protegé.
Den här killen vid namn Ralph Alpher, till sin hjälp.
Efter år av hårt arbete, varav några, enligt Alpher,
det dracks en hel del på baren,
presenterade de sin idé.
Genom att spola tillbaka tiden i universum,
stod det klart för dem att det fanns en tid
då det tidiga universum var otroligt kompakt och hett.
Vid det stadiet,
vilket de beräknade ske endaste tre minuter efter Big bang,
skulle universum ha varit så hett att inga atomer kunde existera.
Endast deras beståndsdelar.
En slags överhettad, ursprunglig soppa
av protoner, neutroner och elektroner.
De namngav den till och med till "Ylem" från ett fornengelskt ord för "materia".
Sedan kom det kritiska ögonblicket.
En tid då förhållandena var de rätta
för de första grundämnenas cellkärnor att förenas.
Under en kort tidsperiod,
som de uppskattade som mindre än 50 minuter,
förenades vätekärnornas protoner
för att bilda helium i en process av kärnfusion.
Dessutom motsvarade andelarna väte och helium
som modellen förutspådde, det som hade utmätts i stjärnorna.
De tillkännagav sina resultat i en avhandling som publicerades 1948.
Gamow lade till ytterligare en författare till avhandlingen.
Den välkända kärnfysikern Hans Bethe, som inte hade något att göra med arbetet.
Gamow lade till honom som ett skämt.
Han tyckte det hade en rolig, vetenskaplig poäng,
eftersom författarna nu lät som Alfa, Beta och Gamma.
Den unge Alpher var dock
mindre road av att dela äran med någon som inte hade bidragit.
Som en tröst, enligt sägen,
ska Gamow ha producerat en flaska Cointreau till Alpher,
fast med etiketten ändrad till "Ylem".
Förmågan att göra beräkningar
som förklarade materians ursprung under de första minuterna efter en Big Bang,
var anmärkningsvärd i sig.
Men det gjordes en betydelsefull prognos
som uppstod ur deras arbete.
En prognos som hade förutsättningen att bevisa
att universum hade börjat med en stor smäll.
Alpher fortsatte att studera universums tidiga utveckling
med fokus på vad som hände härnäst.
Han föreställde sig universum vid det här stadiet som en sjudande dimma
av lösa elektroner och atomkärnor.
Sedan sjönk temperaturen till en kritisk nivå.
En tillräckligt kall temperatur så att elektronerna
kunde haka sig fast vid atomkärnorna av väte och helium.
Vid detta exakta tillfälle släpptes det ut ljus som for fritt genom universum.
Skapelsens första ljus.
Detta kunde ha förblivit inget mer än en akademisk kuriosa,
om det inte vore för Alphers insikter.
Han insåg nämligen att detta ljus från universums begynnelse
fortfarande skulle nå oss nu,
efter miljarder år.
Mycket svagt och otydligt, men märkbart i alla riktningar.
Han räknade ut att universums expansion
borde förlänga ljusets våglängd
utanför det synliga spektrumets omfång,
och borde nu anlända som mikrovågsstrålning.
Alltså, om man hittar denna förutspådda, urgamla mikrovågssignatur,
så bevisar den inte bara teorin om universums tidiga utveckling,
utan hela själva Big Bang-teorin.
Enkelt.
Problemet var att detta var i slutet på 1940-talet
och ingen kunde detektera en sådan svag signal.
Syraprovet föll i tyst glömska.
De som stödde Big Bang-teorin hade nu prognoser och observationer
för ett expanderande universum.
Och en teori för hur grundämnen förenades under de första minuterna
efter den stora smällen.
Men utan bindande bevis för detta,
fortsatte argumentet huruvida Big Bang-teorin stämde
eller inte.
Motståndarna till Big Bang
fortsatte att justera sina teorier,
för att få uppfattningen om ett oändligt universum
att passa in på nya observationer.
Det vetenskapliga samfundet var fortfarande ganska jämt uppdelad.
Avgörande bevis för Big Bang-teorin
skulle så småningom dyka upp ungefär 15 år senare.
Det skulle avslöjas tämligen oväntat
av två unga radioingenjörer.
1964 upptäckte Arno Penzias och Robert Wilson,
det är Penzias till höger,
något så betydelsefullt att de fick nobelpriset.
Detta teleskop är avsett för att studera deras oavsiktliga upptäckt.
1964 arbetade Penzias och Wilson vid Bell-laboratoriet i USA
där de fick den här,
en märklig, föråldrad manick att leka med.
Det ser ut som en jättestor örontrumpet.
Men när de aktiverade sitt teleskop,
märkte de att luften var full av mikrovågsstrålning.
Alla varma kroppar avger mikrovågsstrålning,
vare sig det är från atmosfären eller från själva instrumentet,
och självklart översvämmas luften av dagens mobilkommunikation.
Så innan de kunde göra några användbara mätningar,
fick de kalibrera sin trattantenn för att försöka reducera bruset.
Även efter att ha räknat med atmosfären och instrumenteringen,
självklart fanns inga mobiltelefoner på den tiden,
kvarstod ändå det ihärdiga och mycket irriterande bakgrundsbruset.
Det registrerades på deras instrument
som en strålning med en konstant temperatur på tre grader över nollpunkten,
ett mikrovågsbrus
som de inte kunde bli av med hur de än försökte.
Ännu mer irriterande för dem
var det faktum att det verkade finnas överallt
dit de riktade sin himmelska örontrumpet.
De var på väg att ge upp när Penzias deltog på ett möte
där han i förbifarten nämnde irritamentet för en kollega.
Några veckor senare ringde samma kollega upp honom
och sa att han kände till några forskare i Princeton
som letade efter just en sådan signal.
Oavsiktligt hade Penzias och Wilson stött på den förutsedda strålningen,
Alphers ljusstråle från universums tidiga evolution.
Nu hade vi äntligen fått ett bevis för Big Bang-teorin.
Det är ganska häpnadsväckande att tänka sig att denna mikrovågsstrålning
har färdats genom den mest avlägsna rymden
från 13,8 miljarder år sedan,
när det första ljuset från den stora smällen uppstod.
Som Penzias själv sade, när man går ut
får man en liten bit av värme från den stora smällen på hjässan,
och ja, jag känner den säkert mer än de flesta.
Nästan 40 år efter det att Lemaitre först postulerade den,
har idén om den stora smällen
äntligen accepterats i vetenskapens allmänna tänkande.
Men upptäckten av den här kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen,
CMB som den kallas, och beviset för själva Big Bang-teorin
är inte slutet på vår berättelse.
Vi har sonderat tillbaka till de första minuterna efter den stora smällen...
...och bortom dem finns ytterligare en ny banbrytande kunskap.
Det finns fortfarande många stora frågor kvar att lösa
om universums begynnelse.
Frågor som, var kom själva materian ifrån,
och hur skapar man något från ingenting?
Svaren på dessa frågor ligger ännu längre tillbaka,
gömda bakom CMB-ridån.
Deras hemligheter ligger i det ursprungliga universum,
inom den allra första sekunden av dess existens.
Här ligger vår kunskapsnivå
och det är här som forskarna fokuserar sitt arbete,
inte genom att titta upp i skyn, utan här
på gränsen mellan Schweiz och Frankrike...
...närmare bestämt, på CERN,
med den största partikelacceleratorn i världen,
den s.k. Large Hadron Collider, eller LHC.
Nu kanske du undrar vad en partikelaccelerator har att göra med
universums begynnelse.
Sambandet mellan dem är långt ifrån självklart.
Det man ska komma ihåg är att när universum var väldigt ungt,
var det mycket mindre.
Därför måste all materia, allt som utgör stjärnorna,
galaxerna och de svarta hålen, rymmas
i ett mycket mindre utrymme.
Vid det stadiet var universum ofattbart hett
och framför allt var dess energidensitet väldigt hög.
Det var då som den första materian uppstod.
LHC kan ännu inte återskapa den processen,
men den kan tillåta oss att studera egenskaperna
hos dessa fundamentala partiklar.
En gång om året avbryter LHC sin normala verksamhet
med att kollidera protonstrålar
och använder istället mycket mer massiva partiklar
för att skapa kollisioner med 80 gånger mer energi
än den som skapas av två protoner.
De gör detta genom att accelerera blyatomer
som har fråntagits alla sina elektroner,
upp till nästan ljusets hastighet och låta dem kollidera med varann,
vilket visar oss något väldigt speciellt.
Kollisionerna är så intensiva
att något unikt skapas på ett ögonblick,
en värld som inte består av atomer eller ens neutroner och protoner,
utan av kvarkar, gluoner och leptoner,
partiklar med exotiska namn som förenades för att bilda atomer
under den första miljondels sekunden efter den stora smällen,
och har varit inlåsta ända sedan dess.
Där ner, under ett skydd av bly,
återskapar vi ett stadium i universums utveckling
som kallas för kvark-gluonplasma.
Detta är ögonblicket omedelbart före kvarkarna fångas in av gluonerna
för att bilda protoner och neutroner,
vilka i sin tur går vidare och bildar atomkärnorna.
Frasen vi använder i vida lag är: "De inspärrade kvarkarna".
För att utveckla den nödvändiga energin,
måste blyatomkärnan passera igenom en rad mindre acceleratorer,
som gradvis ökar energin
tills de slutligen matas in i jordens största accelerator,
LHC.
Den maximala energin som en stråle kan uppnå,
står i direkt relation till storleken på acceleratorn
och LHC har en omkrets på 27 kilometer.
Det innebär att dessa strålar
kan uppnå en energi på 1 000 tera-elektronvolt.
Det är emellertid mindre än man kanske skulle föreställa sig,
för det motsvarar den energi som när en vanlig fluga flyger in i ett fönster,
men den viktiga skillnaden är att energin är koncentrerad.
Det är energins densitet som är viktig.
LHC: n kan komprimera all den energin
till ett utrymme på mindre än en triljondel av en atoms storlek.
Detta är något som inte kan hända någon annanstans i det kända universum.
De två strålarna i blyets atomkärnor färdas runt ringen
i motsatta riktningar.
De träffas djupt nere under kontrollrummet i detektorn.
Vi kan se levande bilder från detektorn på den där skärmen.
De färdas under oss
med en ljushastighet på 99,9998 %.
Det betyder att de tillryggalägger ringens hela 27 kilometer
mer än 11 000 gånger per sekund.
När strålarna uppnår maximal energi
och vi kan se att det står "Jon-fysik: Stabila strålar" där uppe,
så innebär det att de kan korsas,
precis som i Ghostbusters.
Då kolliderar en liten bråkdel av blyatomkärnorna
och bildar ett superhett och superkompakt eldklot
med en temperatur som är 400 000 gånger högre än solens kärna
och en densitet som skulle motsvara om man komprimerar
hela Mont Blanc till en druvas storlek.
Det där ser ut som en fantastisk bild. Kan du berätta vad det är vi ser?
Det är otroligt, eller hur?
Det är bokstavligen tiotusentals
partiklar och anti-partiklar som flyger ut.
- Det är efterdyningar från explosionen. - Just det.
Så de färgade partikelspåren här är inte själva kvarkarna och gluonerna,
utan spår av kvark-gluonplasman som skapas vid kollisionen.
Vi måste utgå från deras egenskaper genom att titta på rester som flyger ut.
Det är lite som att lista ut hur ett flygplan fungerar
genom att titta på rester från en flygkrasch,
det är det som vi ser.
Det som jag tycker är otroligt är att det vi gör här
är att försöka återskapa just det ögonblicket i universums begynnelse.
Då alla kvarkar och gluoner flöt omkring fritt,
eftersom energin var så hög och sedan svalnade det och de fastnade i varandra.
Ni gör tvärtom, börjar med normal materia
och låter den kollidera
så att den återgår till sitt fria stadium, den där plasman.
Ja, jag brukar tänka på det som en tidsmaskin
där vi vrider tillbaka klockan.
Det här är det enda sättet vi kan studera fria kvarkars egenskaper,
eftersom kvarkarna har varit inneslutna i partiklar såsom protoner och neutroner
i 13,8 miljarder år.
Det är väl ganska otroligt?
Till slut, efter 13,8 miljarder år, kan ni frigöra kvarkarna
bara för en bråkdels sekund.
Ja.
Även om vi ännu inte vet hur materian uppstod,
tillåter studier av dessa kollisioner oss
att ta de första trevande stegen mot den upptäckten.
Det vi just har fått se är de första stadierna av universum
som någon, någonstans har lyckats observera.
Det är det närmaste vi har kommit till ögonblicket för Big Bang,
och låt oss inse att det inte är så illa,
en miljondels sekund efter självaste Big Bang.
Även om man går tillbaka så här långt i tiden,
så kvarstår ändå obesvarade frågor för fysikerna.
Bortom detta är där några av de djupaste mysterierna
i universum gömmer sig.
Hur de fyra fundamentala krafterna som binder samman materia,
gravitationen, elektromagnetismen och kärnkrafterna
har ett samband med varandra.
Hur partiklarna som utgör själva materian
kondenserade ur en dimma av energi,
hur massan skapades ur kraften som sammanbinder protoner och neutroner
och hur själva universum
genomgick en supersnabb expansion
på en miljarddels miljarddels sekund
för att bilda kosmos struktur.
För tillfället har vi inget sätt att observera några av dessa fenomen.
Det tillhör den abstrakta teorin och spekulationernas värld.
Om vi kommer att återskapa detta tidiga stadium
av universums utveckling,
kommer vi att behöva skapa avsevärt högre energier.
Ärligt talat måste vi bygga en ännu större kollisionsanläggning,
vilket är ett problem som inte bara är monetärt,
även om det vore ofattbart kostsamt.
Nej, det handlar om att finna utrymme till att bygga den.
Minns du när jag sa att energin
stod i förhållande till omkretsen av acceleratorn?
Tja, LHC: n här nedanför mig
har en omkrets på 27 kilometer.
Den sträcker sig under Jurabergen
och sträcker sig över både Frankrike och Schweiz.
För att kunna blicka tillbaka och observera detta tidiga stadium i universum
måste vi bygga en accelerator
med en omkrets som är större än Plutos kretslopp.
Översatt av: Ika Forssell