Påverkas atomer av universums expansion?

Påverkas atomer av universums expansion?​

Frågan ställdes 2022-04-06.

Du har alldeles rätt i att universum expanderar, att rummet helt enkelt vidgar sig lika i alla riktningar. Det är mycket riktigt det som får galaxer, närmare bestämt avlägsna galaxer, att allihopa röra sig bort från oss.

De rörelser som enskilda galaxer har i sin lokala rumtid blir så försvinnande små i jämförelse med universums expansion, så att allt, oavsett hur det rör sig lokalt i sin närmaste omgivning, rör sig från oss. Man brukar säga att på avstånd från oss som är större än säg några 100 miljontals parsec (1 parsec är lika med 3,26 ljusår) så rör sig alla galaxer så fort från oss på grund av universums expansion att deras egna rörelser inom sin galaxhop inte är särskilt märkbar. Närmare, inom den så kallade lokala gruppen, så rör sig faktiskt vissa galaxer mot oss och följer således inte universums expansion på samma sätt som avlägsna objekt.

Att närbelägna galaxer inte rör sig med det så kallade ”Hubble-flödet” beror på att gravitationskraften på dessa längdskalor är stor nog för att övervinna expansionens accelererande förmåga. Då detta är fallet för hela galaxhopar, så är det synnerligen fallet för stjärnor och annat innuti galaxer. Här är den gravitationella attraktionen långt starkare än expansionen och således vinner gravitationen denna dragkamp.

På samma sätt gäller det när vi tittar på allt mindre skalor. När vi börjar titta på atomer och partiklar som utgör materien så är alltså krafterna som binder samman en atom ofantligt mycket större än den kraft som universums expansion kan utgöra på dessa små skalor. Accelerationen (och således kraften) som universums expansion kan utöva på en atom är så pass liten just på grund av att atomen är så liten, kraften/accelerationen från universums expansion är ju proportionerlig med avstånden mellan punkter, och detta avstånd är ju ända nere på nivåer kring miljarddelars meter när vi talar om atomer.

Men! Detta betyder inte att expansionen inte påverkar atomerna, bara att effekten är så försvinnande liten att den inte överhuvudtaget behöver beaktas. Men (igen)! Det är inte säkert att detta alltid kommer vara sant! Beroende på universums energisammansättning så finns det kosmologiska öden där expansionen ökar lavinartat, och i sådant fall skulle kunna bli så extrem att den till och med kan slita atomer i stycken, ja till slut sliter den sönder allt i det man kallar för: ”The Big Rip”.

För att svara på några av dina frågor: Ja vi har definitivt bra kolla på universums expansion, hur den har varit i det förflutna och hur den kommer te sig i den absolut närmaste framtiden och hur den påverkar åldersbestämningar i universum. Dock så finns det rörelsemån här. Det kan vara så att små subtiliteter kan justera vissa antaganden vi har om universums historia och utveckling, så som den mörka materiens och mörka energins effekter m.m.

Det du är inne på kring om universum ”kommer ihåg” storlekar på atomer etc. är inte ett korrekt antagande. Allt som finns i universum lyder under de fysikaliska lagarna som råder lokalt i sin omgivning. Fysikaliska objekt lyder alltså direkt under de lokala omständigheterna, om fysiska avstånden ökar mellan objekt så påverkar det också krafterna dem emellan, oavsett om rumtiden expanderar eller ej. Precis samma gäller också de fysikaliska naturlagarna. Man har dock tittat på effekter som skulle kunna påvisa att vissa naturkonstanter, så som ljusets hastighet, skulle kunna variera med tiden, men i vilket fall så förblir ändå naturlagarna i sig desamma. Här ska man dock vara noga att påpeka att de fysikaliska lagarna kan uttrycka sig annorlunda beroende på vilka energinivåer man talar om! T.ex. så förenar sig elektromagnetism och den svaga kraften vid väldigt höga energier och temperaturer (kring 1 miljon miljarder grader). Dessa tillstånd återfinns i det väldigt tidiga universum där man kanske slutligen finner att alla fyra kända fundamentalkrafterna förenas i en enda kraft – ”Grand unified theory”.

Frågan besvarades av Anton Vikaeus, doktorand vid avdelningen astronomi och rymdfysik, institutionen för fysik och astronomi.