Livsbetingelser i Universum

Livsbetingelser i Universum
Föreläsning 9
Filosofiska funderingar
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Schema
Se också det detaljerade schema som finns på Studentportalen.
Där finns även för varje föreläsning referenser till kurslitteraturen.
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
Introduktion och generella funderingar
Jordens historia och förutsättningar för liv
Livets uppkomst och utveckling
Uppkomsten av vårt solsystem
Livbetingelser i solsystemet
Mars
Planeter kring andra stjärnor
Liv i andra stjärnsystem
Filosofiska funderingar
Övningar och diskussionsseminarier
Tentamen: Lördag 17/12, 14.00 - 17.00
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Föreläsning 9
Filosofiska funderingar
●
●
●
●
●
06/12
Är människan unik?
Är jorden unik?
Är solsystemet unikt?
Är universum unikt?
Vad innebär den antropiska principen?
Livsbetingelser i Universum, HT16
Människan
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Människan
Människan är en produkt av utvecklingen av livet på jorden.
Livets existens på jorden är knytet till betingelserna i solsystemet.
Solsystemets existens beror på universums villkor.
Människans existens är knytet till många olika villkor, och att
ett stort antal utvecklingssteg alla måste gå i lås.
Men människan är bara en produkt av utvecklingen.
Produkten är ändå unik - vi känner inte till någon livsform som
liknar människan.
Men, vad är specifikt unikt för människan?
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Människan
Den egentliga människan dök upp för bara 2 miljoner år sedan.
Under denna, från evolutionärt synpunkt, korta tiden har
människan tagit sin egen utveckling utanför den 'normala'
evolutionen, genom att utveckla verktyg, språk, skrift och
vetenskap.
Det som gör människan unik är hennes förmåga att tänka.
Människans utvecklade nervssystem underlättar inlärning. Den
kemiska basen som möjliggör denna inlärning är dock inte
fastställd.
Rutinartad inlärning är dock inget tänkande.
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Människan
Kan datorer vara tänkande?
Datorer har (stora) minnen, men en dator tänker inte. En
programmerad dator kan enbart likna tänkande.
Ett program som klarar att ta ställning till ett oändligt antal
situationer kan betraktas som tänkande.
(Dock inom ramen för programmet.)
Men, om man inte kan avgöra om det är en dator eller en
människa som svarar måste datorn anses vara tänkande.
(Turings test).
Om man vänder på resonemanget, så kanske människans
hjärna är tillräckligt komplex att vi inte kan skilja den från
(motsvarande) en komplicerad dator.
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Människan
Tänkande leder till förståelse.
Förståelse ger upphov till analys, och sedan till
intelligens.
Även om människan genetiskt står mycket nära andra
djur, så är människan genom sitt medvetande, tänkande
och intellekt rätt unik som livsform.
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Jorden
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Vi känner inte till någon annan jordlikanande planet med en
liknande måne. Månens tillkomst kan vara anledningen till
Jordens snabba rotation, och Månen stabiliserar jordens rotation
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Problemet med den unga solen
(Faint young sun paradox)
Om vi förstår stjärnornas utveckling,
så har solen tidigare varit alldeles
för svag för att hålla vatten flytande
på jorden.
Andra faktorer, som t ex
växthuseffekten måste ha
spelat en avgörande roll.
Är vår bild av den tidiga
Jorden rätt?
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Jorden
Liv är skört. Samtidigt är det svårt att bli av med
liv när det väl uppstått.
En något mindre planet skulle kunna ha slutat som Venus.
Dessutom är de fysiska ramer för liv begränsade. En
mycket större planet med starkare tyngdkraft gör stora djur
omöjliga.
Många faktorer måste gå i lås för att livet kan uppstå.
När kommer vi att upptäcka en riktig jordliknande planet?
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Solsystemet
Den beboeliga zonen för en stjärna av soltyp är ganska
omfattande. För en lite stjärna är den mycket liten. Hur stor
är då chansen att planetens betingelser är de rätta?
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Solsystemet
Numeriska modeller av stjärnbildning viser att är en stark
växelverkan mellan stjärnorna snarare regel än undantag.
Detta kan störa planeternas banor avsevärd.
Ungefär 50% av alla stjärnor med massor som liknar solens
är dessutom dubbelstjärnor.
Solens kemiska sammanställning avviker något från andra
stjärnor med massor som är identiska med solens.
De tyngre grundämnen verkar ha stannat i solens
ansamlingsskiva.
Solsystemet har troligen genomgått en ovanlig lugn uppkomst.
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Exoplaneternas banor
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Galaxernas olika strukturer är en föjld av sammanstötningar.
Vintergatan verkar ha haft en relativ lung tillvaro.
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
En galaktisk beboelig zon?
Galaxernas strukturer och
evolution påverkar betingelser för
liv.
Densiteten är högst i galaxernas
centrum (ofta med svarta
hål), och därmed förekommer
det också flest supernovor nära
centrum.
Eftersom strålningen från
supernovor kan lätt förstöra
livet, är de yttre delarna av galaxerna bäst lämpad för långvarigt liv.
Den yttre gränsen av den galaktiska beboeliga zonen begränsas
av en minskad förekomst av tyngre grundämnen.
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Universum
Små ändringar i de fundamentella krafter skulle ha ödesdigra
konsekvenser för uppkomsten och fördelningen av de tyngre
grundämnen.
Utan tyngre grundämnen finns ingen möjlighet att liv
(som vi kan föreställa oss) uppkommer.
Det universum vi observerar verkar vara likadant överallt vi ser.
På senare tid har man dock med 'alternativa uppsättningar'
lyckats skapa universer som innehåller tyngre grundämnen.
Vårt universum är unik i och med att det är det enda vi känner.
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Är Universum verkigen unik?
Vårt universum har egenskaper som har varit avgörande för
att livet kunnit uppstå. Var det tänkt så?
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Universums största strukturer
Universums största struktur är relativ homogen (en icke-struktur).
Detta visar att vi inte bor på en särskild plats i universum.
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Rödförskjutning av spektrallinjer i galaxer
Ju längre bort en galax ligger ifrån oss, desto fortare verkar
den röra sig ifrån oss. Det allmänt accepterade värdet för
denna expansion (H0 = Hubble-konstanten) är ~72 kms/s/Mpc
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Galaxernas egenrörelse förklaras
av ett expanderande universum
Om man antar att :
●
Fysik är oberoende från plats
och att
●
Vi inte befinner oss på någon särskild plats i universum
Då visar galaxernas egenrörelse på ett expanderande universum.
Att universum kunde vara expanderande förutsades redan 1922
av Alexander Friedmann och, oberoende, 1927 av Georges Lemaître.
De räknade fram detta resultat från Einsteins relativitetsteori.
Einstein själv hade utgått från ett statiskt universum.
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Modeller för ett expanderande universum
Om universum expanderar,
måste det ha haft en början.
Beroende på hur mycket
massa universum innehåller
kommer det antingen att
expandera för evigt (ett
öppet universum, Ω < 1)
eller att falla ihop igen
(ett stängt universum Ω > 1).
Gränsfallet kallas för ett
universum med en kritisk
massa (Ω = 1).
Den synliga materian tillsammans med den mörka materian räcker
inte för att hejda universums expansion.
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Olbers paradox
Varför är det mörkt på natten?
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Stora Smällen
Det ögonblick som är tiden och rymdens början kallas för Stora
Smällen (Big Bang), vilket symboliserar att expansionen av
universums dimensioner startade härifrån.
Detta innebär också att universum inte expanderar i ett större
medium, och att det enda sättet vi meningsfullt kan föreställa
oss vårt universum är innifrån.
Modellen av ett expanderande universum har varit mycket
framgångsrikt i att förklara hur dagens universum ser ut, vilket
inte modeller som beskriver ett stabilt universum har lyckats
med.
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
De fyra fundamentalkrafterna
Enbart fyra krafter behövs för att beskriva all fysik i vårt universum.
●
●
●
●
Gravitationskraften
Elektromagetiska kraften
Svaga kärnkraften
Starka kärnkraften
Vid höga energier kan den elektromagnetiska och den svaga
kärnkraften beskrivas gemensamt som den elektrosvaga kraften.
Vid ännu högre energier väntas den elektrosvaga kraften förena
sig med den starka kärnkraften.
Gravitationen beskrivs av allmänna relativitetsteorin, medan de andra
krafterna alla kan beskrivas av kvantteorin. Det finns ingen
kvantgravitationsteori (en 'allteori', eller theory of everything) som
kombinerar relativitetsteorin med kvantteorin.
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Protonerna uppstår
När universum är 10-10 sekund gammal (T=1015 K) börjar
kvarkarna bilda 'vanliga' partiklar, som protoner och antiprotoner.
Efter 0.001 sekund (T=1012 K) upphör nyskapandet av protonerna
och antiprotonerna.
När materia och antimateria möter varandra, omvandlas de till
energi i form av fotoner (ljus). Eftersom inga ny materia skapas
efter 0.001 sekund, påbörjas det en mycket snabb process i vilket
de flesta protonerna och antiprotonerna förvandlas till fotoner.
I dagens universum finns ungefär 1010 fotoner per proton. Av oklar
anledning har det tydligen funnits en mycket liten asymmetri i
antalet protoner över antiprotoner. Asymmetrin är varit mycket
viktig för oss, eftersom de protoner som är kvar utgör all
vanlig materia i dagens universum (inklusiva oss).
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Protonerna kombineras till tyngre atomkärnor
Mellan 0.001 sekund och 5 minuter faller temperaturen från 1012 K
till 109 K. Denna temperatur är jämförbar med den i stjärnornas
inre, och under denna korta period sker fusionsprocesser som
bildar tyngre atomkärnor.
När temperaturen blir lägre än 109 K upphör fusionsprocesserna.
Den kemiska sammansättningen av det tidiga universum beror
enbart på vilka reaktionerna som fysisk är möjliga, hur länge
fusionsprocesserna får pågå, och vilken densitet universum hade.
1H
2H
3H
06/12
2He
3He
4He
5He
5Li
6Li
7Li
8Li
7Be
8Be
9Be
Livsbetingelser i Universum, HT16
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Berylliumspärren
Det är mycket svårt att bilda tyngre grundämnen än bor (B).
Problemet är att isotopen 8Be är mycket instabil. För att bilda
8
Be behövs att två heliumkärnor (4He) slås ihop,
men halveringstiden av 8Be är extremt kort (6.7 x 10-17 s).
Detta beror på att en heliumkärna är en mycket stabil
konfiguration för protoner och neutroner.
För att bilda tyngre grundämnen än beryllium behövs att tre
heliumkärnor kombineras till en kolkärna (12C). Sannolikheten
för att detta händer är extremt liten.
Fusionsprocesserna under universums tidiga skede pågick
bara i några minuter, och inget kol kunde bildas.
Stjärnornas livslängd kan däremot vara flera miljarder år, vilket
gör det möjligt att bilda tyngre grundämnen i stjärnorna.
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Universums kemiska sammansättning
Modellen av ett expanderande universum kan framgångsrikt
förklara den kemiska sammansättning av dagens universum.
Man kan dessutom använda dagens halter av Deuterium (D) och
litium (7Li) för att uppskatta universums densitet.
Det visar sig att den baryoniska materian (vanlig materia baserad på
protoner och neutroner) enbart utgör 4% av universums kritiska massa.
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Berylliumspärren
Sannolikheten att en tredje heliumkärna skall hinna haka
på till kol och tyngre ämnen är i det närmaste obefintlig.
Kol är dock ett av de viktigaste ämnen som behövs för
att människan kan uppstå.
Fred Hoyle insåg 1954 att enda sättet att få kolbildning till
stånd vore om energinivåerna hos helium, beryllium och kol
exakt stämde överens med varandra genom en resonans.
Han hävdade därför att kolkärnan måste ha en tidigare
okänd energinivå. Detta är en äkta förutsägelse.
Kärnfysikerna var skeptiska men utförde ändå de
nödvändiga experimenten och det visade sig att Hoyles
beräkningar av energinivån var nästan exakt rätt.
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Början av ett genomskinligt universum
Först efter 380 000 år sjunker temperaturen till 3000K. Det
är vid denna temperatur att elektronerna inte längre är fria,
och neutrala atomer uppstår. Detta kallas för rekombination.
Fria elektroner är mycket effektiva i att sprida ljus, och innan
rekombinationen var universum fylld av en glödande dimma.
Sedan dess kan ljuset färda obehindrat genom universum.
Detta leder till en av de viktigaste förutsägelser av teorin
om ett expanderande universum :
Eftersom ljuset har en begränsad hastighet kantas vårt
observerbara universum av den glödande väggen som
uppstod vid rekombinationen. Universums ständiga expansion
gör att strålningens våglängd förlängs. Strålningen bör
därför kunna observeras som en mycket kall bakgrundsstrålning.
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Bakgrundsstrålningen enligt WMAP
(WMAP / NASA / 2001-2008)
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Olbers paradox
Eller - varför är det mörkt på natten?
Om stjärnorna är jämnt fördelade i universum (vilket de
är på den största skalan) och universum är oändligt stort
och statiskt, då borde man kunna se en stjärna mot vilket
håll man än tittar. Natthimlen borde vara starkt ljusande.
Ändå är det mörkt på natten.
Svaret ligger i att (1) det observerbara universum inte
är oändligt stort, och (2) att det expanderar. Expansionen
gör att bakgrundsstrålningen sprids ut genom ett
större och större universum, och därmed verkar kallna.
Nattens mörka himmel är ett starkt bevis på att vi bor
i ett expanderande universum.
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Finstrukturkonstanten
Finstrukturkonstanten är en
av naturens fundamentella
konstanter. Den reglerar bl a
hur vissa energinivån i atomer
syns som spektralliner i
spektra.
Evt förändringar i
finstrukturkonstanten kan
bestämmas från fjärra galaxers
spektra.
(ESO)
Inget tyder på att konstanten ändras under univsersums utveckling.
Fysiken i hela det observerbara universum är identisk.
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Krafternas balans
De fyra fundamentalkrafterna är av avgörande betydelse för
att universum ser ut som det gör
Gravitationen
Gravitationens styrka påverkar stjärnornas livslängd. Om
gravitationen hade varit starkare, skulle stjärnor inte varit
lika långlivade, och tiden för att liv skulle kunna utvecklas
på planeterna hade varit alldeles för kort. Galaxerna hade
dessutom varit mindre och mer koncentrerade, och stjärnor
och planeter hade passerat mycket nära inntill varandra.
Om däremot gravitationen hade varit svagare hade inte
galaxerna kunnit bildas.
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Krafternas balans
Den starka kraften
Om den starka kraften vore starkare, hade protonerna haft
mycket lätt att slås ihop till helium, och inget väte
hade funnits i universum. Stjärnorna hade varit mycket
kortlivade och fungerat som stora fusionsbombar.
Om den starka kraften vore svagare, hade fusion aldrig ägt
rum. Universum hade varit fylld av enbart vätegas, och inga
stjärnor hade bildats.
Liknande argument finns för den elektromagnetiska kraften
och den svaga kraften.
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Är universum för bra att vara sant?
Många av universums egenskaper gör den väldigt lämpad för
att de tyngre grundämnen, stjärnor, planeter och i slutändan
liv kan uppstå. Tanken går till att universum måste vara unikt.
Det är dock möjligt att parallella universum existerar, och dessa
har andra fysiska villkor. Forskare har lyckats 'designa' andra
universum som, trots helt andra förutsättningar, ändå innehåller
tyngre grundämnen, stjärnor etc.
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Scientific American - Januari 2010
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Den antropiska principen
Universum ser ut som det gör därför att vi finns till!
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Den antropiska principen
Den antropiska principen kan formuleras på två sätt :
Den svaga antropiska principen :
Universum kunde inte vara annorlunda inrättat
än det är, ty annars skulle vi inte finnas
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Den antropiska principen
Den antropiska principen kan formuleras på två sätt :
Den starka antropiska principen :
Universum är så inrättat att liv förr eller
senare måste uppstå
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Den antropiska principen
Den antropiska principen innebär att man vänder på
frågeställningen.
En omvänd frågeställning gör att man slipper besvara
ett stort antal frågor.
Den antropiska principen har dock sina svagheter.
Den bryter mot sättet att resonera mot gängse
naturvetenskapliga metoder, som utgår ifrån några
enkla förutsättningar och beräknar följderna istället för
tvärt om.
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16
Nästa tillfälle
06/12
●
Vad händer i (den närmaste) framtiden?
●
Övningar
●
Diskussionseminarier
●
Inför tentan
Livsbetingelser i Universum, HT16
06/12
Livsbetingelser i Universum, HT16