Studiekompasset.dkKlasse: HTX 3. år · Fag: Fysik A, Idéhistorie B, SOP
SRP – Fysik A, [navn fjernet]: TGV 14xvx
HTX 3. år
Opgaveformulering:
Redegør for synet på universets gennem tiderne. Fokuser på en eller to perioder.
Kom i forbindelse hermed kort ind på forskellige opfattelser af jordens og univer-
sets skabelse.
Forklar Poppers falsifikationsprincip og Kuhns teori om normalvidenskab og vi-
denskabelige revolutioner. Diskuter hvorvidt overgangen fra opfattelsen af uni-
verset som statisk til dynamisk, repræsenterer er et paradigmeskift indenfor fy-
sikken. Diskuter desuden om vi dermed er kommet nærmere en objektiv
sandhed. I forbindelse hermed inddrages Imre Lakatos´ kritik af Kuhns
opfattelse af paradigmer som værende inkommensurable.
Beskriv Hubbles lov og inddrag i den forbindelse en udledning af udvalgte dele af
Alexander Friedmanns ligninger, som er et grundlag for Hubbles lov.
Perspektiver betydningen, af teorien om mørkt stof i forhold til at forstå
udvidel-sen af universet.
Bilag:
SRP – Fysik A, Idéhistorie B ___________: TGV 14xvx
Abstract
This paper examines the discovery of a dynamic and moving universe. The paper
accounts the historical view of the cosmos from ancient times, through the Italian
renaissance to the 20
th
century, and depicts the realization of the expanding universe,
through its practical and theoretical means of discovery with a Newtonian derivation of
the Friedmann equation. The paper discusses the discovery’s worth as a scientific
revolution and shift of paradigm regarding scientific theorists Karl Popper, Thomas Kuhn
and Imre Lakatos, whose views are also explained. Lastly the paper perspectivates this
discovery to the theories of dark energy as a new way of explaining the dynamics of the
universe. The paper shows the significance of the discovery and marks it as a change of
paradigm, due to its perspective-changing effect on the scientific community as well as
the whole of humanity´s view on our place in the cosmos, its origin and its end.
SRP – Fysik A, [navn fjernet]: TGV 14xvx
Side 1 af 25
Indhold
Abstract............................................................................................................................................... 0
Indledning ........................................................................................................................................... 2
Historiske verdenssyn ......................................................................................................................... 3
Antikkens syn på univers og skabelse: ........................................................................................ 3
Verdensbillede i renæssancen: ................................................................................................... 4
Det 20. århundrede ....................................................................................................................... 5
Hubbles lov og Friedmann ligningen. ............................................................................................. 7
Hubbles lov ..................................................................................................................................... 7
Newtonisk udledning af Friedmann ligningen ....................................................................... 8
Forskel mellem udledninger .................................................................................................... 12
Videnskabsteorien ........................................................................................................................... 13
Karl Popper og Thomas Kuhn ..................................................................................................... 13
Imre Lakatos´ kritik ........................................................................................................................ 15
Paradigmeskift og den objektive sandhed – diskussion ......................................................... 15
Mørk energi – perspektivering ........................................................................................................ 18
Konklusion ......................................................................................................................................... 20
Bibliografi .......................................................................................................................................... 21
Bøger: ............................................................................................................................................ 21
Internetmateriale: ........................................................................................................................ 21
Billedmateriale: ............................................................................................................................. 22
SRP – Fysik A, [navn fjernet]: TGV 14xvx
Side 2 af 25
Indledning
Lige siden mennesket første gang kiggede mod nattehimlen har vi undret os over vores
plads i kosmos. Vi har undret os over hvor vi kom fra, og om denne verden vi observerer
har været her siden tidens begyndelse. Det generelle verdenssyn var i mange årtusinder,
at en guddommelig skabning havde skabt alt hvad vi ser, præcis som vi ser det. Det
virkede da også indlysende at jorden var universets centrum, alt ser fra vores synspunkt jo
ud til at bevæge sig rundt om os.
Dette syn ændrede sig i renæssancen hvor vores placering i universet skiftede fra at være
et midtpunkt, til at være i kredsløb om et nyt midtpunkt, solen. Siden da har tanken om
jorden, eller selv solen som midtpunktet i universet blevet ændret gevaldigt, da fjerne
himmellegemer såsom galakser og galaksehobe er blevet observeret. Edwin Hubble
opdagede ligeså i 1920´erne at disse fjerne himmellegemer bevæger sig med stigende
hastighed fra os. Dette betyder ikke alene at universet ikke er statisk, men at det derfor
også måtte have haft en begyndelse og måske endda en ende. Vi er altså ikke midtpunkt
i universet, men hvorfor ser vi så fjerne legemer fjerne sig fra netop os?
Hvad har det betydet for fysikken at vi befinder os i et udvidende univers, er vi i
virkeligheden midtpunktet af universet og hvad skyldes denne udvidelse i det hele taget?
Dette er omdiskuterede og meget aktuelle spørgsmål inden for kosmologien og den
teoretiske fysik. Det er dette den følgende opgave vil omhandle, nemlig overgangen fra
et statisk til et dynamisk univers. I opgaven vil der indgå en historisk redegørelse for
menneskehedens syn på universet, vor placering i det samt idéer om skabelse gennem
tiderne, med fokus på renæssancen og det 20. århundrede. Der vil blive forklaret,
hvordan man både teoretisk og praktisk kom frem til opdagelsen af det udvidende
univers. Herefter følger en grundig udledning af den newtonske version af Friedmanns
ligning, der beskriver universets udvikling, samt en forklaring af Hubbles lov der er baseret
derpå. Derefter vil jeg redegøre for tre videnskabsteoretiske holdninger fra henholdsvis Karl
Popper, Thomas Kuhn og Imre Lakatos, og diskutere hvorledes overgangen fra statisk til
dynamisk kan ses som et paradigmeskift i fysikken, samt dets betydning i vores forståelse af
universet. Til sidst vil jeg perspektivere til teorien om mørk stof og energi som kræfter bag
denne udvidelse, og derefter afslutte med en konklusion af opgaven med en vurdering af
opdagelsen betydning.
SRP – Fysik A, [navn fjernet]: TGV 14xvx
Side 3 af 25
Historiske verdenssyn
Antikkens syn på univers og skabelse:
Er vores verden uforanderlig, statisk og skabt præcis som vi ser den i dag? Eller har vores
univers udviklet sig fra dens skabelse? Er den overhovedet blevet skabt, eller eksisterer det
blot uafhængigt af tid? Dette har været til stor debat i flere tusinde år, som i næsten
ligeså lang tid har været forbundet med religion. De tidligste af slagsen udsprang i jæger-
samler kulturerne og var naturreligiøse og animistiske
1
. Man havde på det tidspunkt en
tidsforståelse der var cirkulær, altså en evig gentagelse af de samme årstider og
stjernetegn på himmelen. Det var først med mono- og polyteismen
2
at der opstod en
lineær tidsopfattelse, da der nu var en eller flere skabere og derfor en skabelsesakt, der
medførte, at der måtte have været en begyndelse, og derfor måske også en slutning på
universet. Der var oftest tale om en skabelse af jorden præcis som vi ser den i dag, og
altså ikke af et univers i forandring. Dette syn er først noget der ændrer sig i sen-
renæssancen og rationalismen, da man i geologien ser jordens, og i biologien, livets
udvikling.
3
Jordens placering i universet er et andet omstridt emne gennem historien. Fra
den græske antik frem til den italienske renæssance har den græske filosof, Aristoteles´
tanker domineret den vestlige verdens syn vores placering i universet.
4
Aristoteles var
ligesom alle andre filosoffer på den tid, rationalist og arbejdede induktivt ud fra sin fornuft,
men dog til dels også ud fra hvordan han så verdenen fungere. Hans syn på verdenen var
at der fandtes 4 elementer, jord, vand, luft og ild samt æter som er alt hvad der eksisterer
over jorden og som altid er uforanderligt (stjerner, planeter osv.). Jord var det tungeste
hvilket da var logisk da det søger mod midten og synker i vand. Dette var da den logiske
måde at forklare det, da tyngdekraften endnu ikke var defineret. Derfor måtte jorden da
være universets centrum da alt søger imod den.
5
Dette syn var bevaret af den katolske
kirke i mange århundreder da den stemte godt overens med at et væsen i guds eget
1
Tidlig religiøs tro, der praktiserer tilbedelse af natur, ånder og genstande.
http://denstoredanske.dk/Sprog,_religion_og_filosofi/Religion_og_mystik/Primitiv_religion/animisme
2
Troen på en eller flere guddommelige skabninger
http://denstoredanske.dk/Sprog,_religion_og_filosofi/Religion_og_mystik/Primitiv_religion/polyteisme
3,4
Schanz, Hans-Jørgen. 50 ideer der ændrede verden. Aarhus universitetsforlag 2014. s. 299-305
5,6
Jessen, Keld. Filosofi: Fra antikken til vor tid, systime 1999
SRP – Fysik A, [navn fjernet]: TGV 14xvx
Side 4 af 25
billede ville være placeret i midten af universet, med alle planeter (samt solen) i perfekte
og guddommelige cirkelbevægelser i den dens kredsløb.
Verdensbillede i renæssancen:
Dette verdensbillede ændrede sig efter den langvarige middelalder i renæssancen fra
omkring 1450. Dette var en periode hvori de gamle tekster der var bevaret fra oldtiden
gennem middelalderen blev genopdaget og genovervejet. Selve ordet renæssance er
fransk for genfødsel og beskriver dækkende perioden, som den genfødsel af den antikke
tankegang, arkitektur og kunst som den var. I denne tid blev en af verdens bedst kendte
omdannelser af videnskaben, et såkaldt paradigmeskift
6
, gjort. Det var Nikolaus
Kopernikus der stod imod den aristoteliske antagelse om jorden som centrum, da den
indeholdte mange observerbare fejl, som der gennem tiderne var blevet fremsat
hundredvis af lappeløsninger i form af epicykler mm, for at forklare disse fejl man ikke
kunne forklare med cirkelbaner.
7
Græsk filosof Ptolemæus løsning af observerbare problemer i forhold til det
geocentriske verdensbillede, ved brug af et stort antal cirkler.
8
Disse lappeløsninger kunne alle sammen forkastes hvis man så solen som centrum frem for
jorden. Det var dette som Kopernikus foreslog i hans værk ”De Revolutionibus.
9
Dette gav
menneskeheden et nyt perspektiv på deres plads i universet, men det tog lang tid før
dette syn blev alment vedkendt, da folk til dels mente at det var ulogisk, at jorden skulle
rotere om sin egen akse for at veksle mellem dag og nat, og at det skred imod kirkens
kanonværk. Der var dog stadig tale om kredsløb rundt om solen i perfekte cirkelbaner, der
6
Se kapitel ”Videnskabsteori”
7
Skovmose, Ole samt Ravn, Ole. Matematikfilosofi. Systime, 2011. s. 41-58
8
http://www.fysikhistorie.dk/merer/ptomer.html
9
Singh, Simon. Big Bang – Den vigtigste naturvidenskabelige opdagelse nogensinde og hvorfor du har brug for at
kende til den, Nyt Teknisk Forlag, 2006.
SRP – Fysik A, [navn fjernet]: TGV 14xvx
Side 5 af 25
stemte overens med en perfekt skabers værk. Disse perfekte cirkler blev først forkastet da
Johannes Kepler i starten af det 17. århundrede udtalte at planeterne ikke bevæger sig i
cirkler, men i stedet i ellipser. Det blev senere opdaget af Galileo Galilei, at andre planeter
havde mindre satellitter, altså måner i kredsløb om dem selv, hvilket betød at universet
ikke blot havde et enkelt midtpunkt som alt var i omløb om. Det blev da først i det 18.
århundrede beskrevet af Isaac Newton i hans teorier om tyngdekraften, hvad disse
omdrejningspunkter egentlig betød, nemlig omdrejningspunktets masse. Det var også i
denne tid, at den moderne fysik blev grundlagt, da man begyndte at forklare naturen
med matematik, f. eks i Keplers Areallov og senere Newtons tyngdeligninger. Perioden fra
det 16. til det 18. århundrede så et væld af videnskabelige omvæltninger, der har skiftet
menneskehedens syn på deres egen plads i universet. Dog var ideen om et udviklende
univers med skabelse af planeter og stjerner slet ikke overvejet på dette tidspunkt, og det
var stadig stærkt antaget at gud havde skabt universet præcis som vi ser det i dag. Dette
var således et skridt mod sandheden om universet, men mange flere opdagelser ville
bane vej for opdagelsen som diskuteres i næste kapitel, nemlig universets dynamik og
udvidelse.
6,7,1
Det 20. århundrede
Det 20. århundrede var stærkt præget af Einsteins relativitetsteori og de tanker, der ligger
bag dette, f. eks at masse og energi er ækvivalente. Vi er imidlertid kommet langt fra at se
os selv, Jorden, eller selve solen som universets midtpunkt, men vi forstod endnu ikke
universets egentlige skala. Det var Edwin Hubble, der tidligt i det 20. århundrede
observerede, at fjerne stjerner i virkeligheden var galakser ligesom vores egen mælkevej.
Det var da endnu en gang klart, at vi ikke længere kunne se os selv som centrum i
universet. Den generelle konsensus var dog stadig, at universet var statisk, dog ikke
længere af religiøse grunde, men fordi der endnu ikke var observeret en udvidelse eller
anden form for forandring i universet på stor skala. Albert Einstein havde i sine modeller af
universet skabt en kosmologisk konstant for at sørge for, at hans model af universet ville
være statisk. Ideen om et statisk univers er imidlertid urealistisk, og det kan undre at det
ikke var opdaget før. Ifølge Isaac Newtons ligninger om tyngdekraft, ville et univers, der
ikke var i bevægelse kollapse ind imod sig selv grundet tyngdekraftens påvirkning af
SRP – Fysik A, [navn fjernet]: TGV 14xvx
Side 6 af 25
masserne i universet. Den russiske matematiker Alexander Friedmann forsøgte ikke at
bortforklare denne udvidelse i relativitetsteorien med konstanter og andet, men i stedet at
forklare den. Han tog antagelsen at på makroniveau er universet isotropt, altså ens i alle
retninger, og at dette også er sandt lige meget hvor i universet man observerer fra. Hans
ligning beskriver forholdet og hastigheden, hvorved to punkter i en kugle (universet)
bevæger sig fra hinanden, og den viser, udledt af Einsteins feltligninger blandt andet at
afstanden mellem de to objekter og hastigheden de har fra hinanden er proportionel.
Edwin Hubble opdagede omkring 2 år efter Friedmann fremsagde sine ligninger, at fjerne
galakser er rødforskudte som effekt af dopplereffekten
10
. Han ser desuden et
sammenhæng mellem afstand og hastighed, i det at jo fjernere et himmellegeme er, jo
hurtigere bevæger det sig fra os.
11
Dette er altså præcis hvad Friedmann viste matematisk
et par år forinden, og det er ud fra hans ligninger at Edwin Hubble opstillede sin egen lov,
som jeg vil uddybe i næste afsnit. Denne opdagelse, at fjerne objekter accelererer væk
fra os, gav videnskaben samt filosofien et nyt perspektiv, nemlig at denne udvidelse måtte
have startet et sted, og at universet i så fald måtte have haft en begyndelse. Dette blev
imidlertid til big bang teorien. Udover tanken om en kosmisk begyndelse, var ideen om en
bevægelse af himmellegemer væk fra jorden en bizar tanke. Dette kunne da betyde, at
jorden i virkeligheden er universets center. En forklaring på dette var dog, at det er selve
rummet imellem objekter der udvider sig, hvilket vil blive nærmere forklaret i afsnittet om
mørk energi. Alt i alt var denne periode fundamental for vores forståelse af universet, samt
satte nye tanker og spørgsmål i gang, såsom hvorfor The big bang skete, universets
undergang, og endnu engang vores placering i universet.
Vi har gået fra at se universet som en uendelig cyklus, til at se det som en lineær og
uendelig stilstand med en skabelse der går forud for tid, til nu at se det som en dynamisk
bevægelse med en begyndelse og en slutning. Vores syn på universet har altså ændret os
markant i de tusinde år vi har observeret stjernehimmelen, og har siden 1920´erne stadig
udviklet sig.
10
Fysisk effekt der påføres energibølger når dets kilde er i bevægelse.
11
Hawking, Stephen. A Brief History of Time – From the big bang to black holes. Bantam Press, 1988, genudgivet
udgave 2011. s. 41-61
SRP – Fysik A, [navn fjernet]: TGV 14xvx
Side 7 af 25
Hubbles lov og Friedmann ligningen.
Hubbles lov
Edwin Hubble gjorde den opdagelse i starten af 20´erne at fjerne himmellegemer
bevæger sig væk fra os med en hastighed, der er proportional med afstanden til os.
Dette gælder ikke kun for os på jorden, men er gældende i hele universet. Hubble beskrev
sin opdagelse ved brug af Alexander Friedmanns ligninger som var udarbejdet et par år
forinden. Ud fra Friedmanns ligning kunne Edwin Hubble udlede en konstant,
Hubblekonstanten, som er et udtryk for hastighedsforøgelsen mellem to objekter i rummet.
Loven udtrykker en proportional og konstant sammenhæng mellem rødforskydning af
galakser i henhold til Doppler Effekten og galaksens/himmellegemets afstand fra jorden.
Med andre ord, et sammenhæng mellem hastighed og afstand.
Hubbles lov er ekstremt simpel og beskriver blot sammenhænget mellem afstand, d og
hastighed, v, bestemt med Hubbles konstant, H. Forneden ses den originale graf Hubble
optegnede i 20´erne da han observerede fjerne galaksers afstand og tilhørende
hastighed. Ud fra dette konkluderede han at jo længere en galakse er fra os, jo hurtigere
bevæger den, altså er der tale om en acceleration.
Hubbles konstant har ændret sig meget over årene, da den givetvis er svær at måle
nøjagtigt grundet interferens fra blandt anden inter-galaktisk støv, men er i dag bestemt til
omkring 


hvilket altså beskriver en
forøgelse i hastighed på 70 kilometer i
sekundet per mega-parsec
12
en galakse
bevæger sig fra os.
13
Friedmann ligning som denne er baseret
på, vil jeg nu udlede
12
Afstandsenhed som står for ”paralax of one arc sec” defineret som kateten i en trekant, hvor hypotenusen er en
astronomisk enhed og den modstående vinkel et buesekund,   

,
http://denstoredanske.dk/It,_teknik_og_naturvidenskab/Mål_og_vægt/parsec
13
Holck, Per et al. Orbit A htx. Systime, Nørhaven Book, Skive, 2007: s. 14-15, 25.
SRP – Fysik A, [navn fjernet]: TGV 14xvx
Side 8 af 25
Newtonisk udledning af Friedmann ligningen
Det er muligt at udlede Friedmanns ligninger på baggrund af både Newtons fysik eller på
baggrund af den almene relativitetsteori. Jeg vil her udlede den ved at følge klassiske
newtonske love. Den fulde udledning af Friedmanns ligning benytter sig af Einsteins
generelle relativitetsteori, og der er derfor nogle få mangler, der skabes ved ikke at
benytte Einsteins relativitetsteori. Denne udledning viser dog nogenlunde kort og præcist
beskriver kernen af ligningen, selvom der dog er visse elementer, der udlades fra den
komplette udledning ved brug af Einsteins generelle relativitetesteori. Denne forskel
mellem de to udledningsmetoder vil jeg sprogligt beskrive efter udledningen.
For at udlede ligningen må der antages en kugle i ensartet, homogen og isotrop
14
udvikling i et tomt univers/rum, et såkaldt hubble flow. Vi ønsker at kunne beskrive denne
kugles, som er en repræsentation af vores univers, udvidelseshastighed. Altså forøgelsen af
radius med tiden i kuglen. Man kan ud fra denne kugle opstille formlen for
tyngdeaccelerationen på kuglens overflade.
15
16
14
Ensrettet bevægelse uafhængig af retning
15
[navn fjernet] m.fl. Orbit A htx. [navn fjernet], 2007: s. 14-15, 25.
16
Billede tegnet i tegneprogram Geogebra
SRP – Fysik A, [navn fjernet]: TGV 14xvx
Side 9 af 25
Jeg begynder med at beskrive tyngdeaccelerationen på et punkt på periferien af kuglen,
som vi beskriver ved brug af newtons tyngdeaccelerationsligning
17
, hvor G er
gravitationskonstanten, M massen af kuglen og r radiussen:
Denne funktion kan nu gøres potentiel, hvis man omdanner denne accelerationsligning til
en energiligning, hvilket jeg nu vil vise.
Hvis man forestiller sig at man trækker et objekt væk fra centrummet af vores kugle ud til
dens radius, vil objektet man trækker udføre et arbejde, A. Som objektet bevæger sig
væk fra centrum ændrer den potentielle energi sig således, da den bliver mindre jo
længere objektet bevæger sig væk fra centrum (jo større radius, jo mindre potentiel
energi). Arbejdet er altså lig ændringen i den potentielle energi, da der er tale om
gravitationskraften.


Arbejdet repræsenterer den kraft tyngdefeltet udøver på objektet, der fjerner sig centrum,
og det er derfor skrevet som  . Fortegnet for kraften er negativt, da F er
modsatrettet bevægelsesretningen  i vores koordinatsystem.
18
Da vi ved at

, kan
vi indsætte dette som F i udtrykket for arbejde så at:
  

Jeg argumenterer altså ved brug af arbejdet, som vi før så også er et udtryk for
ændringen i den potentielle energi. Derfor erstattes arbejdet med den potentielle energi.



18
[navn fjernet] m.fl. Orbit A htx. [navn fjernet], 2007: s. 14-15, 25.
SRP – Fysik A, [navn fjernet]: TGV 14xvx
Side 10 af 25
Jeg fjerner nu  på begge sider ved division, hvilket går ud med  på højre side og
ændrer dets fortegn til positiv. Dette er for at finde differantialkvotienten. Jeg differentierer
derefter udtrykket:









Jeg lader på den måde ændringen i radius () gå mod nul, og hvor venstre side nu er lig
differentialkvotienten for den potentielle energi i forhold til r. På grund af de
sammenhæng jeg udledte før er dette samtidig et udtryk for radius over tid (󰇛󰇜). Ved
integration af begge dele af differentialligningen (nu med radius over tiden i stedet for
den potentielle energi) fås et udtryk med en adderet konstant, U. Da det ikke længere
udtrykker en energi, der fjerner sig fra et centrum, men i stedet en udvidende radius er
fortegnet igen positivt.
19


󰇛
󰇜
U er vores matematiske integrationskonstant, men den korresponderer også til summen af
den potentielle og den kinetiske energi i overfladen af den ekspanderende kugle, når
man antager energi- samt massebevarelse i systemet. Denne konstant betyder at hvis
U>0, så vil højre-siden af ligningen forblive positiv da den har en positiv samlet energi,
hvilket vil resultere i en uendelig udvidelse. Hvis derimod U<0, og kuglen har en negativ
totalenergi, så vil ligningen højre-side nå et punkt hvor den bliver 0, og kuglen vil da
kollapse ind på sig selv.
20
Dette er henholdsvis ”the big rip” og ”the big crunch” som
begge er teoretiske ”undergangs” scenarioer for vores univers. The big crunch er teorien
om et univers der udvider sig til et vis punkt, hvorefter universets tyngdekraft bliver for stor
og tvinger universet til at kollapse ind mod sig selv, hvilket skaber en form for omvendt big
bang, og måske endda skaber universet på ny. I the big rip fortsætter/accelerer
udvidelsen med sådan en fart at tyngdekraften ikke kan trække den tilbage. Dette ender i
19
[navn fjernet] m.fl. Orbit A htx. [navn fjernet], 2007: s. 14-15, 25.
20
http://www.astronomy.ohio-state.edu/~dhw/A5682/notes4.pdf
SRP – Fysik A, [navn fjernet]: TGV 14xvx
Side 11 af 25
sidste ende med at alt i universet bliver revet itu såsom accelerationen bliver så stor at selv
ikke molekyler kan holde sig sammen. Jeg ikke gå i videre detalje med universets skæbne,
da det ikke er denne opgaves fokuspunkt.
Radius kan nu skrives som
󰇛
󰇜
󰇛
󰇜
.
r er den ensformige udvidelse af kuglen som er lig den fysiske radius ved dets maksimum
når
󰇛
󰇜
. a(t) er en skaleringsfaktor i dette mellemled som man multiplicerer med
radiussen af kuglen, det er altså dette sammenhæng der beskriver radiussens udvidelse
med en bestemt hastighed over tid.
Massen af en kugle ud fra densitet og radius er givet ved følgende formel:

,
som blot er volumenformlen for samme multipliceret med dens densitet
21
. Denne formel
kan vi benytte til at beskrive vores kugles radius´ udvidelse sammen med newtons
gravitationsligning, som jeg lige udledte. Vi får nu følgende ligning efter at have indsat
værdien for kuglemassen på højre side, i det der før var udtryk for tyngdeaccelerationen,
hvori 󰇗 er den differentierede værdi af a. Den venstre side et udtryk for den potentielle
energi:
󰇗

󰇛󰇜
For at forsimple dette, dividerer jeg med

, af dette får jeg, hvilket er den udledte
newtoniske version af Friedmann ligningen:
22
󰇗

󰇛󰇜
Det var ud fra denne ligning at man kan se et sammenhæng mellem afstand og
hastighed af fjerne himmellegemer, samt den Edwin Hubble brugte til at udlede sin egen
lov og konstant.
21
Pedersen, Lars. Matematik 112. Nyt teknisk forlag, 2006. s. 41
22
http://www.astronomy.ohio-state.edu/~dhw/A5682/notes4.pdf
SRP – Fysik A, [navn fjernet]: TGV 14xvx
Side 12 af 25
Forskel mellem udledninger
Som nævnt kan man udlede Friedmanns ligninger på 2 måder, ved brug af Einsteins
feltligninger og relativitetsteori (som er den Alexander Friedmann selv udledte) eller ved
brug af Newtons tyngdelov som var demonstreret i forrige afsnit. Forskellen mellem disse
metoder vil jeg her kort komme ind på.
Ved brug af Einsteins relativitetsteori benytter man i stedet for massefylden af
kuglen/universet , energitætheden
󰇛
󰇜
. Da den newtonske udledning ikke indeholder
nogen stor tyngdepåvirkningen af kuglen selv, da den er uniform og isotrop, kan denne
metode bruges fint til at beskrive et lokalt udvidende område. Udledningen af Friedmann
ligning ved brug af Einsteins relativitetsteori er langt mere kompliceret og benytter sig af
fysik, man først benytter sent på fysikstudiet på universitet. Det er derfor ikke mit fokus at
beskrive denne. Men kort benytter udledningen sig som sagt af energitætheden da
Einstein beskrev energi og masse som værende ækvivalente i
, samt såkaldte Ricci
tensorer og Friedmann-Robertson-Walker metrikken, som er en beskrivelse af et homogent
univers udvidelse i henhold til Einsteins feltligninger. Udledningen tager også højde for
rummets krumning samt dets kritiske densitetsparameter, hvilket den newtonske ikke gør.
Forskellen er imidlertid lille, og man kan uden større problemer benytte den newtonske
version til mindre og mere lokale simuleringer af universet.
23
23
http://www.astronomy.ohio-state.edu/~dhw/A5682/notes4.pdf
SRP – Fysik A, [navn fjernet]: TGV 14xvx
Side 13 af 25
Videnskabsteorien
”Videnskab må begynde med myter, og med kritik af myter” – Karl
Popper
24
Jeg vil i dette afsnit redegøre for de videnskabsteoretiske hovedtræk fremsat af både Karl
Popper og Thomas Kuhn. Jeg vil desuden inddrage filosoffen Imre Lakatos og hans kritik af
Kuhns videnskabsteori. Jeg vil i denne forbindelse inddrage overstående kapitels
overgang fra statisk til dynamisk univers og diskutere om dette skel kan betegnes som et
paradigmeskift i fysikken, og om vi i så fald har bevæget os tættere på en objektiv
sandhed.
Karl Popper og Thomas Kuhn
Hvordan vi som mennesker erkender verdenen og hvad vi forstår ved videnskab, er et
omdiskuteret emne og har været det i mange år. Karl Popper, videnskabsteoretiker i det
20. århundrede mente at alt videnskab skulle falsificeres, dette er kaldt Poppers
falsifikationsprincip. Princippets hovedidé er er at en videnskabelig teori må være
falsificerbar, altså muligvis være falsk. Popper gør op med de logiske positivisters
tankegang, der mener at alt videnskabeligt skal kunne verificeres, altså bekræftes. Et
typisk eksempel på Poppers syn på dette, er svaneanalogien. Hvis en logisk positivist ser et
tusinde hvide svaner, er hans konklusion at alle svaner er hvide. Ifølge Poppers
falsifikationsprincip, kan man aldrig være sikker på at den næste svane man observerer,
ikke er sort. En videnskabelig teori kan da altid falsificeres ved en enkelt negativ
observation. Det er denne konstante kritik af teori der ifølge Popper videreudvikler
videnskaben ved at fjerne fejl i teorien, og det er dette det overstående citat af Karl
Popper selv beskriver. Popper er dog ikke modstander af objektive sandheder, blot at
enhver teori til hvilken tid kan falsificeres af modstridende observationer.
25
,
26
24
Singh, Simon. Big Bang – Den vigtigste naturvidenskabelige opdagelse nogensinde og hvorfor du har brug for at
kende til den, Nyt Teknisk Forlag, 2006.
25
Birkler, Jacob. Videnskabsteori: En grundbog. Munksgaard Danmark, København 2005
26
Jessen, Keld. Filosofi: Fra antikken til vor tid, systime
SRP – Fysik A, [navn fjernet]: TGV 14xvx
Side 14 af 25
Thomas Kuhn, en anden videnskabsteoretiker kritiserede synspunktet om falsificering. Kuhn
er især kendt for sine teorier om videnskabelige revolutioner, kaldet paradigmeskift. Et
sådan paradigmeskift er en situation hvor en antagelse i et bestemt videnskabeligt fag
bliver ændret markant. Dette er for eksempel hvad der skete under den Kopernikanske
revolution, altså overgangen fra et geocentrisk til et heliocentrisk verdensbillede som
forklaret i det tidligere kapitel om renæssancen. Det er altså en situation, hvor
videnskaben tager en pludselig drejning og forkaster en gammel teori til fordel for en
banebrydende ny teori, mens den samtidig tvinger os til at se verdenen i et nyt lys. Et
andet eksempel på dette er kvantefysikkens verden som Bohr samt andre introducerede i
det 20. århundrede. Kuhn beskriver at perioderne imellem de videnskabelige revolutioner
kaldes for normalvidenskab. Dette er en periode hvori et ”samfund” inden for en bestemt
videnskabelig retning følger en bestemt række teorier, værktøjer, beskrivelser og metoder.
Disse ting er samlet set kaldt et paradigme. Et paradigmeskift er i så fald, når disse
metoder, teorier og beskrivelser bliver udskiftet med nye metoder, teorier og beskrivelser.
Den største forskel mellem de to videnskabelige syn, er at Popper ser videnskab som noget
kontinuert stigende der ophober sig i tidligere viden, hvorimod Kuhn ser fremskridt inden
for paradigmer hvorefter et nyt paradigme tager dets plads og processen starter forfra.
Forneden ses en grafisk repræsentation af de to videnskabsteoretikeres syn. Popper
mener som sagt at videnskabeligt fremskridt er en lige linje bygget oven på tidligere
teorier og kritik af dem, men Kuhn ser det som skiftende perioder af normalvidenskab og
paradigmeskift der udskifter hinanden.
27
28
29
27
Birkler, Jacob. Videnskabsteori: En grundbog. Munksgaard Danmark, København 2005
28
Jessen, Keld. Filosofi: Fra antikken til vor tid, systime
29
https://ladyeconomistdotcom.files.wordpress.com/2013/10/popper-kuhn1.png
SRP – Fysik A, [navn fjernet]: TGV 14xvx
Side 15 af 25
Imre Lakatos´ kritik
Thomas Kuhns teorier om paradigmeskift og videnskabelige revolutioner er blevet kritiseret
af mange. Imre Lakatos, en ungarsk videnskabsteoretiker kritiserede Kuhns paradigmeskift
som han selv beskrev som værende inkommensurable, altså usammenlignelige.
Mens Kuhn mener at teorier fra forskellige paradigmer ikke kan sammenlignes, mener
Lakatos at enhver videnskabelig teori bygger på noget en form for ældre viden. Dette
kalder han for den hårde kerne, altså noget som er grundlæggende for teorien. F. eks kan
kvantefysikken, som ellers er så fjernt fra klassisk fysik spores matematisk tilbage til netop
dette. Enhver teori eller paradigme er altså ikke fuldkommen isoleret fra andre
paradigmer, men at de hver især rummer ens fundamentale antagelser, og en kerne som
ikke fuldstændigt frakastes i et paradigmeskift.
30
Paradigmeskift og den objektive sandhed – diskussion
Et paradigmeskift er defineret som værende en forkastelse af gamle metoder, beskrivelser,
traditioner og teorier. Et typisk eksempel på en videnskabelig opdagelse der ikke er
betegnet som et paradigmeskift, er Einsteins relativitetsteori, da denne stadig benytter
klassisk fysik og at man derfor ifølge Kuhn ikke får et markant anderledes perspektiv på
universet. Det kan derfor også være til debat om overgangen fra at se universet som
værende statisk til dynamisk kan siges at være et egentligt paradigmeskift ifølge Kuhns
videnskabsteori. Dog har det i den grad ændret vores syn på universet, i den forstand at
udvidelsen måtte have haft et begyndelsespunkt, og universet derfor en begyndelse.
Skabelse er i den forstand den vigtigste ændring denne opdagelse har påført vores syn
på universet. Ifølge Thomas Kuhn forkaster man i et paradigmeskift det tidligere
paradigme til fordel for et nyt, i forskellige paradigmer er inkommensurable, altså
usammenlignelig med hinanden. Det foregående paradigme forsøgte at løse problemet
om et udvidende univers, ikke ved at antage at det rent faktisk var dynamisk, men ved at
opbygge teorier og antagelser omkring, og endda modificere dem til at passe til et statisk
univers. Selv Albert Einstein var sikker i sin tro på at universet var statisk og havde sammen
med sine kolleger ledt efter måder at modarbejde denne matematiske tendens til
udvidelse i deres ligninger og modeller, med konstanter og andet. Her syntes at være et
30
http://denstoredanske.dk/Sprog,_religion_og_filosofi/Filosofi/Filosofi_og_filosoffer_-_1900-t./Filosoffer_1900-t._-
_Storbritannien_-_biografier/Imre_Lakatos
SRP – Fysik A, [navn fjernet]: TGV 14xvx
Side 16 af 25
sammenhæng med de lappeløsninger man forsøgte at gøre sig i antikken frem til
renæssancen for at forklare et geocentrisk univers. I sidste ende kom en ny teori, der
simplificerede dette syn. Dette ændrede det daværende paradigme til et nyt, hvor
udvidelse nu var en ny faktor. På den måde kom der altså et tilsvarende skift der gjorde
alle lappeløsningerne ubrugelige, og skabte en ny normalvidenskab, som medregnede
universets dynamik, og dette syntes da også at hentyde, at det rent faktisk var et
paradigmeskift. Universets udvidelse og Big bang teorien kan ikke ligefrem verificeres, da
de ikke just er reproducerbare. Dog kan de med overensstemmelse med Karl Popper
sagtens falsificeres, da en enkelt observeret galakse eller områder med galakser som ikke
rødforskydes og fjerner fra os sig kunne sætte tvivl ved teorien. Via simulationer af
universet
31
, samt observationer af fjerne himmellegemer ser alt ud til at pege på teorier
som Friedmanns ligninger, Hubbles lov og Big Bang teorien som den hidtil bedste
beskrivelse af universet. Det er ligesom Einsteins relativitetsteori, ikke en fuldkommen
forkastelse af tidligere normalvidenskab og paradigme, da den stadig læner sig op af
newtons fysik, men alligevel ændrede en stor del fysik ved dette skift. Man kan derfor sige
at ifølge Kuhn selv ville det nok ikke repræsentere et paradigmeskift. Man kan i stedet
følge Imre Lakatos´ videnskabsteori, og se Newtons fysik som den hårde kerne af teori der
forbliver trods paradigmeskiftet, som alligevel gør paradigmerne sammenlignelige. Hvis
man antager dette er det da plausibelt, at opdagelsen kan ses som et paradigmeskift, da
den har tvunget os til at ændre gamle teorier og metoder for at tilpasse den, samt har
ændret vores syn på kosmos.
Et andet spørgsmål er om dette har ført os tættere på en objektiv sandhed i fysikken og
dette er umiddelbart svært at svare på. Big Bang teorien samt andre inden for emnet kan
alle sammen falsificeres, på den måde kan vi aldrig vide om teorien holder stik. Dette kan
da siges at gælde for alle teorier, selv tyngdekraften. Ifølge Popper er videnskab objektiv,
men Kuhn fastslår at objektivitet kun findes inden for dets enkelte paradigme og
videnskabssamfund og derfor på sin vis slet ikke er objektiv men dybt subjektiv, da
videnskabsfolk trods alt blot er mennesker, der ønsker at påvise deres egen hypoteser
baseret på forprogrammerede forestillinger om verdenen. Hvad der er objektivt i dag er
31
https://www.theguardian.com/science/2014/may/07/universe-recreated-computer-simulation-model-big-bang
SRP – Fysik A, [navn fjernet]: TGV 14xvx
Side 17 af 25
derfor måske ikke det i morgen. Ifølge Popper ville der klart være tale om en tilnærmelse
af en objektiv sandhed, og hvis man vælger at sætte lid til vores nuværende paradigme
kan man skam også se det sådan. Teorien om det udvidende univers lever hidtil op til
vores observationer samt vore teoretiske forventninger til det univers vi lever i, hvilket er to
essentielle punkter i kravene for en god videnskabelig teori.
32
Indtil videre har det givet os
enorm indsigt og et muligt svar på universets skabelse, og dette har rykket os tættere på
en objektiv sandhed i højere grad end nogen anden teori hidtil, da hele emnet om en
universal skabelse været uvist før inden for fysikken. Det er af disse at man kan vælge at se
opdagelsen som værende et paradigmeskift samt et skridt tættere på en sandhed, da
det har åbnet nye døre i videnskab og filosofi, samt skabt nye spørgsmål i forhold til
skabelse og undergang.
32
Birkler, Jacob. Videnskabsteori: En grundbog. Munksgaard Danmark, København 2005
SRP – Fysik A, [navn fjernet]: TGV 14xvx
Side 18 af 25
Mørk energi – perspektivering
Siden opdagelsen af universets udvidelse i 1920´erne har man observeret
uregelmæssigheder og anomalier i verdensrummet. I 90´erne målte man en stofligt
mangel i universet. Man kom frem til at kun cirka 4% af universet består af alt hvad vi ser
og sanser, altså normalt stof. Det resterende stof i universet er såkaldt mørkt stof, og kan
ikke observeres direkte, da det ikke interagerer med lys på nogen måde, og den eneste
måde vi kan observere dets eksistens, er den tyngde, den bevirker på omkringliggende
stof, som er tydelig at se via observationer. Den allerstørste bestanddel af vores univers er
dog ikke stof, men energi. Mørk energi. Det er dette, der er spekuleret som grunden til
universets udvidelse. Teorien er den, at genstande ikke accelererer, men at rummet
immelem os og et andet legeme udvider sig med en konstant stigende hastighed, og at
mørk energi er skyld i dette. Man kunne forestille sig en ballon med to punkter tegnet på
den. Før ballonen bliver pustet op ligger punkterne relativt tæt på hinanden men som
ballonen udvider sig fjerner punkterne sig fra hinanden med en stigende hastighed.
33
Vi har vidst i omkring 100 år, at universet udvidede sig, men først nu har vi et muligt svar på
hvorfor. Forskere har troet at udvidelsen skyldes eksplosionens kraft, og at hastigheden
derfor må falde gradvist. Dette er dog ikke hvad vi observerer. Vi ser en stigende
hastighed, og mørk energi er måske en forklaring på dette. Den mørke energi kan ses som
en væsentlig del af teorien om det udvidende univers, og er derfor måske ikke et
paradigme for sig selv, men en del af det nuværende paradigme og et produkt af
normalvidenskabens fremskridt. Dog har det ændret vores syn på universets
33
http://www.rummet.dk/universet/kosmologi/morkt-stof
SRP – Fysik A, [navn fjernet]: TGV 14xvx
Side 19 af 25
sammensætning i den forstand, at en så stor del af kosmos er usynlig for os. Igen kan man
perspektivere til Lakatos og hans teori om den hårde kerne, samt til antikken. I antikken og
frem til rationalismen frastødte man ideen om et perfekt tomrum, altså et vakuum, da det
var ulogisk at ”intet” kunne eksistere, da det var imod Aristoteles´ tanker om et midtpunkt,
hvor alt søger ned, og der derfor ikke ville være plads til tomrum, samt at en perfekt gud
ikke ville have skabt et tomrum. Dette blev med tiden vist at være falsk, da man har kendt
til lufttomme rum og vakuum i et par hundrede år. Alligevel viser det sig måske, at der slet
ikke findes et tomrum, vi kan blot ikke måle eller observere, hvad det består af. Denne
opdagelse har hjulpet os med at forstå udvidelsen og har udviklet det nuværende
paradigme og måske endda fyldt nogle af de huller der resterer mod vejen til en objektiv
sandhed, hvis sådan en da findes (se forrige afsnit). Dog skal det siges at teorien er ny og
ekstremt teoretisk, så det kunne meget vel være endnu en lappeløsning i vores
nuværende paradigme, inden et nyt tager dets sted og sætter de manglende brikker på
plads.
34
34
Kragh Helge et al. 50 Opdagelser: Højdepunkter i naturvidenskaben, Århus Universitetsforlag 2013. s. 23-47, 189-
197, 237-263, 281-293, 317-327
SRP – Fysik A, [navn fjernet]: TGV 14xvx
Side 20 af 25
Konklusion
Den skelsættende opdagelse at universet ikke er statisk, har sat det i et nyt perspektiv. Vi
har igennem tiden set adskillelige skift i den almene forståelse af videnskaben, og dette
har flyttet os tættere på at forstå kosmos. Opdagelsen om universets dynamik er en af de
nyeste af disse skel inden for kosmologi og fysik og jeg har i opgaven konkluderet at dette
kan ses som i paradigmeskift på højde med den kopernikanske revolution, og jeg har vist
hvordan denne opfindelse fandt sted både observationsmæssigt og teoretisk ved
udledning ved fysiske ligninger. Det faktum at dette paradigme har givet os et muligt svar
på universets skabelse er et af dets vigtigste bedrifter, og som muligvis har rykket os
tættere på en sandhed om universet. Dog er dette paradigme stadig under udvikling og
normalvidenskaben arbejder videre på at opnå en forståelse af fænomenet for eksempel
igennem mørk energi. Dette er muligvis en del af vores nuværende paradigme om det
dynamiske univers eller måske de første brikker af et helt nyt paradigme, der måske vil føre
os tættere på en objektiv sandhed.
SRP – Fysik A, [navn fjernet]: TGV 14xvx
Side 21 af 25
Bibliografi
Bøger:
- Birkler, Jacob. Videnskabsteori: En grundbog. Munksgaard Danmark, København
2005
- Hawking, Stephen. A Brief History of Time – From the big bang to black holes.
Bantam Press, 1988, genudgivet udgave 2011. s. 41-61
- Holck, Per et al. Orbit A htx. Systime, Nørhaven Book, Skive, 2007: s. 14-15, 25.
- Jessen, Keld. Filosofi: Fra antikken til vor tid, systime 1999
- Kragh Helge et al. 50 Opdagelser: Højdepunkter i naturvidenskaben, Århus
Universitetsforlag 2013. s. 23-47, 189-197, 237-263, 281-293, 317-327
- Kragh Helge. Universet i Perspektiv, Fremad, 2001.
- Madsen, Jes. Introduktion til kosmologi. Institut for fysik og astronomi Aarhus
universitet, 1993.
- Pedersen, Lars. Matematik 112. Nyt teknisk forlag, 2006. s. 41
- Singh, Simon. Big Bang – Den vigtigste naturvidenskabelige opdagelse nogensinde
og hvorfor du har brug for at kende til den, Nyt Teknisk Forlag, 2006.
- Thorsten, Thurén. Videnskabsteori for begyndere, dansk udgave af Rosinante&co,
2008.
- Schanz, Hans-Jørgen. 50 ideer der ændrede verden. Aarhus universitetsforlag 2014.
s. 299-305
- Skovmose, Ole samt Ravn, Ole. Matematikfilosofi. Systime, 2011. s. 41-58
Internetmateriale:
- Undervisningsportal https://explorable.com/renaissance-astronomy, Blakstad,
Oskar, sidst besøgt den(
- Udledning af Friedmann ligningen fra Ohio State University.
http://www.astronomy.ohio-state.edu/~dhw/A5682/notes4.pdf, sidst besøgt 20-12-
SRP – Fysik A, [navn fjernet]: TGV 14xvx
Side 22 af 25
2016
- http://www.rummet.dk/universet/kosmologi/morkt-stof - Læringsportal om rumfart
og universet
- http://denstoredanske.dk/It,_teknik_og_naturvidenskab/Mål_og_vægt/parsec -
Gyldendals ordbog om afstandsenheden parsec
- http://www.fysikhistorie.dk/merer/ptomer.html - fysikhistorisk læringsside om
epicykler
- http://denstoredanske.dk/Sprog,_religion_og_filosofi/Filosofi/Filosofi_og_filosoffer_-
_1900-t./Filosoffer_1900-t._-_Storbritannien_-_biografier/Imre_Lakatos - Gyldendals
ordbog om Imre Lakatos
- https://plato.stanford.edu/entries/lakatos/ - Filosofisk Encyclopedia om Imre
Lakatos
Billedmateriale:
- http://zebu.uoregon.edu/hudf/hudf_300dpi.jpg - Hubble deep field fotografi
(forside)
- http://www.rummet.dk/universet/kosmologi/morkt-stof - Stof og energifordeling i
universet
- http://www.fysikhistorie.dk/merer/ptomer.html - epicykler
- http://cosmictimes.gsfc.nasa.gov/online_edition/1929Cosmic/images/hubble_diag
ram.png - Hubble originale observationer.
- https://ladyeconomistdotcom.files.wordpress.com/2013/10/popper-kuhn1.png -
Popper og Kuhn sammenligning.