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