Modifiserte gravitasjonsteorier kan åpne universets snarveier

Modifiserte gravitasjonsteorier benyttes først og frem for knytte gapet mellom observasjoner av universet og de teoretiske forutsigelsene fra standardmodellen i kosmologi. Det viser seg heldigvis at disse teoriene kan ha ende flere gode egenskaper, slik som å gi oss ormehull.

Science-fictions største problem

Universet er stort, og avstandene mellom objekter i universet er enorme. Solens nåværende[1] nærmeste stjerne er hele 4 lysår, og dessverre er faktum at det er lite sjangse for at menneskeheten kan reise til andre stjerner innen de neste to århundre med raketteknologi.

Problemene blir da store for science-fiction forfattere som ønsker å skrive historier uten å bryte med kjent vitenskap, eller for dagdrømmeren som håper å reise til andre stjerner i vår levetid. Heldigvis finnes det mange kreative idéer for å løse dette problemet.

Ormehull

Ormehull er kort fortalt en snarvei igjennom universet, og science-fiction forfatterens beste venn, den tillater en reisende å forflytte seg uendelige avstander på noen få øyeblikk.  En rekke TV-serier (Star Trek, Stargate) og filmer (Contact, Interstellar) benytter seg av disse hjelpsomme hullene, alle med en stor antagelse: at ormehull kan fungere i vårt univers i det hele tatt.

Kan ormehull eksistere?

Standardmodellen som beskriver vårt univers bygger på Einsteins generelle relativitetsteori, og den forteller oss bl.a. at ormehull faktisk kan eksistere i vårt univers, men med flere store problemer. For det første finnes det ingen kjente prosesser, verken naturlige eller utført av høytavanserte vesener, som kan danne et makroskopisk ormehull i dagens univers[2]. For det andre så viser det seg at om at ormehull først skulle eksistere så ville det kollapse momentant idet noe beveger seg inn i det.

Det finnes løsninger på disse to problemene, men disse er svake. Det første problemet kan løses ved å anta at et ormehull ble skapt ved tidenes morgen og har så overlevd til i dag, men selv ormehull vil ha en begrenset levetid og at et ormehull kulle overleve så lenge vil være veldig usannsynlig. Alternativt så kan en forstørre et mikroskopisk ormehull opp til makroskala, men ingen forstørringsprosess er kjent.

Det andre problemet kan løses ved å sende eksotisk materie inn i ormehullet for å stabilisere de slik at vi kan reise igjennom ormehullet. Problemet er at eksotisk materie er hypotetisk materie som har egenskaper vi ellers vil betegne som ufysiske, som negativt masse.

Konklusjonen blir dessverre at selv om ormehull kan eksistere ifølge den generelle relativitetsteoriens matematikk, så kan de ikke dannes og er ustabile om de først skulle eksistere.

Modifiserte gravitasjonsteorier

Heldigvis finnes det en annen gren av astrofysikken som omhandler studiet av universet i sin helhet, kosmologi, som kan ha en løsning uten selv å ville det.

Kosmologer arbeider med å lage en teoretisk modell som skal reflektere virkeligheten, og de har kommet frem til en standardmodell som er nesten perfekt.

Figuren over viser den forventede plasseringen til datapunkter samlet av PLANCK satellitten som en grønn linje, sammen med de faktiske data fra PLANCK. Som vi ser ligger punktene veldig nærme standardmodellens forventninger, men ikke helt perfekt. En løsning kosmologer har tenkt ut er å modifisere vår forståelse av tyngdekraften, ved å endre på Einsteins generelle relativitetsteori.

Hovedformålet ved modifiserte gravitasjonsteorier er å få observasjoner til å samsvare bedre med teorien for universet på stor skala. En bærekraftig modifisert gravitasjonsteori må gi oss bedre samsvar med dataene, men må også sørge for å ikke endre på ting på mindre skala, slik som å gjøre planetdannelse umulig osv., derfor er det forskning på hvilke andre følger disse teoriene kan medføre på ikke-kosmologisk skala.

Ormehullet slår tilbake

Overraskende nok finnes det flere modifiserte gravitasjonsteorier som bevarer universet slik det skal være på mindre skala, men i tillegg endrer på forholdene for ormehull dannelse og oppførsel. Det viser seg at en kan få  teorier hvor ormehull kan danne seg den dag i dag, og som samtidig kan tillate ormehull til å holde seg stabile uten å tilføre eksotisk materie.

Science-fiction forfattere som er engstelige med å bruke ormehull i sine historier fordi de ikke er godt støttet ifølge standardmodellen kan trekke et lettet pust og håpe at standardmodellen viser seg å ikke være riktig.

Spørsmålet nå er da naturligvis, hva annet kan skjule seg bak modifiseringer av Einsteins generelle relativitetsteori som ikke kosmologene forventer?

---

[1] Stjernene beveger seg hele tiden i forhold til hverandre, dette betyr at avstanden mellom stjernene også endrer seg og hvilken stjerne som regnes som den nærmeste.

[2] Dagens univers har en utforming som ikke tillater dannelse av ormehull, men det veldig tidlige universet kan ha hatt en helt annen form som kunne tillate dannelsen av ormehull.

MNKOM Kronikk

Akademias publiseringspress hindrer ekte forskning.

Akademia slik det er i dag legger ikke opp til å stimulere forskning og ny kunnskap. Målet i dag er å publisere så mange artikler som mulig på kortest mulig tid, og dette må endres.

Akademia er nå fylt med forskere som skjuler resultater, utgir ufullstendige resultater og ellers forsøker å hindre andre forskere i å ha fremgang på et felles tema slik at ingen tar deres ”heder og ære”. Med heder og ære er det kun én ting vi mener, publiserte artikler. Akademia bryr seg ikke lenger om å fremme ny vitenskap, det som betyr noe er kun å produsere flest artikler i de største tidsskriftene, noe som fører til en kraftig stagnering i fremgangen til vitenskapen generelt. Vi må ha et oppgjør med akademia hvor vi fjerner publiseringspresset slik at forskerne kan fokusere på ny viten, ikke bare på antall artikler de produserer per år!

Forskning er ikke lik artikler

En kan tro at forskning og publiserte artikler er synonymer, men det er viktig å forstå at artikler er kun en presentasjon av en grunnforskning som kan ha vært arbeidet med i veldig lang tid. Et problem er at ikke all forskning umiddelbart kan presenteres, virkelig god forskning kan ta årevis å gjennomføre. Dagens systeme straffer forskere for å være nøyaktige og bruke god tid på forskningen, kan det ikke presenteres snarest er det ikke verdt å gjøre.

Redde for å gi andre idéer

Et annet problem som følger av publiseringspresset er at enkelte forskere vil gå aktivt inn for å ikke gi andre forskere idéer til videre forskning. I de siste månedene har jeg arbeidet med en artikkel sammen med mine veiledere, simuleringene har blitt kjørt, resultatene har blitt analysert og vi er i ferd med å finpusse på selve artikkelen. I løpet av denne prosessen har vi flere møter hvor vi diskuterer hva som skal presenteres i artikkelen og hva som ikke skal med.

For en tid tilbake var jeg på et av disse møtene med mitt siste utkast til artikkelen som mine veiledere så drøftet med meg. Det var her en del ting som måtte endres på og forbedres, men det var spesielt en kommentar jeg mottok som overrasket sterkt.

Seksjonen om fremtidig arbeid ble jeg bedt om å fjerne komplett, nettopp fordi mine veiledere følte at jeg kunne gi andre forskere, våre ”konkurrenter”, idéer slik at de kunne skrive artikler på dette. Jeg spurte så om vi hadde planer om å gjøre noen av disse forslagene selv i fremtiden? ”Nei, det har vi ikke. Men vi vil ikke gi andre gratis idéer.”

Denne holdningen viser det seg at flere i Akademia har, og at et miljø som egentlig burde oppfordre til kommunikasjon og deling av idéer heller vil skjule idéer fra hverandre.

Et ansvar å spre ny viten

Et motargument som kan presenteres er ”Er de flinke nok så kommer de frem til dette selv”, noe som er et alt for snevert syn på verden. Hvor mange ganger har ikke selv de flinkeste av oss hatt tanken ”Hvorfor tenkte ikke jeg på dette?” da noen andre fortalte om sin egen vinkling eller idé til en problemstilling?

Men har ikke vi som forskere et ønske, og et ansvar, om å spre så mye ny viten som mulig? Her har jeg personlig funnet et tilfelle hvor mitt og mine veilederes syn på forskning divergerer ekstremt, hvor store er mørketallene for andre stipendiater?

Publiseringspress, et internasjonalt problem

Det kan altså ikke benektes at fokuset til forskningen har I de siste tiårene skiftet seg bort fra å faktisk drive forskning, til å publisere flest artikler på kortest tid. Stadig ser vi da også at artiklene blir knappere og ofte leder opp til fortsettelses-artikler.

I et intervju med The Guardian I desember I fjor sa Peter Higgs, teoretikeren som forutså Higgsbosonets eksistens, følgende: “I wouldn't be productive enough for today's academic system”.

Det faktum at en av dagens mest innflytelsesrike forskere sier selv at han rett og slett ikke er “god nok” for dagens akademia burde vekke oppmerksomhet for det internasjonale akademia om at noe må gjøres!

En svunnen tid

Tiden da forskere kunne fokusere på forskning og et ønske om å finne ut hvordan verden faktisk fungerer er forbi. Dette er noe som må endre seg. Fortsetter akademia slik den gjør nå vil den til slutt svulme opp av tusenvis av uleste artikler som blir publisert hele tiden. Det konstante jaget etter å kun publisere kommer til, om ikke det allerde har, påvirke kvaliteten på forskningen, og vil etter hvert være såpass lav at hele akademia like gjerne kan skrotes.

Velkommen

Hei, og velkommen til min lille blogg. I dette innlegget forteller jeg først kort om veien til å bli en stipendiat innen astrofysikk, hvilke valg en bør vurdere hvis en selv ønsker en utdannelse innen astrofysikk. Deretter forteller jeg kort om min egen forskning og min egen forskningsformidlingsforsøk.

Veien til stipendiatstillingen

Først tok jeg en Bachelor fra Universitetet i Oslo innen studieprogrammet Fysikk, astronomi og meteorologi, med studieretning astronomi. I løpet av bacheloren tok jeg ett semester ved University of Minnesota, en opplevelse jeg syntes var ekstremt lærerikt og som jeg oppfordrer alle som tar en utdannelse i Norge å gjøre (ikke spesifikt UMN da, men et utenlandsopphold generelt).

Etter bacheloren startet jeg rett på en mastergrad i astronomi ved Instituttet for Teoretisk Astrofysikk, Universitetets aller minste institutt og ett av de mest produktive! Her arbeidet jeg med en britisk veileder med en veldig teoretisk oppgave med den saftige tittelen "Cosmological Dynamics, Statistics and Numerical Techniques of f(R) Gravity". Under masteren fikk jeg dessverre ikke tid til å ta et utenlandsopphold selv om det var noe jeg originalt ønsket, så for de av dere som planlegger å ta en Bachelor+Master og tenker å ta utenlandsoppholdet under Masteren så anbefaler jeg dere om å ta dette på Bacheloren i stedet, da blir logistikken mye enklere.

Da jeg startet på masteren hadde jeg ikke planer om å ta en doktorgrad, men så viste det seg at forskning var kjempemoro og da muligheten viste seg kunne jeg ikke gjøre annet enn å gripe tak. 

Lynkurs i "Computational" astrofysikk

Jeg er altså en stipendiat i astrofysikk for tiden, nærmere bestemt arbeider jeg med "Computational Astrophysics" (dumt vi ikke har et bra norsk ord for Computational altså). Enda mer spesifikt kan jeg si at jeg arbeider med å "implementere hydrodynamiske effekter i N-body simuleringer av galaksehoper med modifiserte gravitasjonslover". Hva betyr nå den setningen? Vel det kommer jeg til å fortelle dere mye mer om i tiden fremover, men her skal vi ta et kjapt crash-course.

Når vi observerer universet på veldig stor skala (galakser er da kun små prikker) ser vi at det finnes en "struktur" i universet.

Storskala struktur som observert fra Sloan Digital Sky Survey.

Målet til kosmologer (en undergren av astrofysikere) er å bruke naturlovene slik som vi kjenner de for å simulere galakser og se om de danner lignende strukturer i simuleringene. Dette gjøres som regel med en god del antagelser og forenklinger, bl.a. at universet kun består av "mørk materie" (materie som kun påvirkes av tyngdekraft). Da kan vi få veldig gode resultater:

Storskala struktur som simulert i Millennium Simulation.

Selv om det med øye ser ut som om kosmologene har klart å gjenskape lignende oppførsel som vi observerer så viser statistisk analyse at simuleringene ikke er helt riktige. En mulig løsning på dette er da at kanskje Einsteins generelle relativitetsteori (som er gravitasjonsloven vi tror på i dag) ikke er helt riktig, dermed forsøker Modified Gravity kosmologer å gjøre slike simuleringer med alternative gravitasjonsteorier for å se om de kan simulere virkeligheten.

Men her har vi et enormt problem. Alle disse simuleringene bruker kun "mørk materie", dvs. simuleringene inneholder ingenting av de vi ser rundt oss, ingen stjerner, ingen atomer, ingenting!      Dette forsøker vi å rette på ved å legge inn en enkel "gass" i disse simuleringene som skal representere stjerner og atomene i universet (på stor skala beveger galakser, stjerner og planeter seg som partikler i en gass, så denne forenklingen er egentlig en veldig god forenkling), for så å se hvordan dette endrer resultatene.

Forskningsformidling

I forbindelse med at jeg liker å drive med forskningsformidling tar jeg nå et emne ved UiO kalt MNKOM9000-Forskningsformidling, her skal jeg forhåpentligvis lære mer om hvordan en gjør formidlingen mest effektiv. Første skritt i denne prosessen er altså å lage en blogg.

 Underveis i doktorgraden har jeg merket at forskere tar alt for lite hensyn med å få kunnskap ut til vanlige folk på en forståelig måte, samtidig som de sitter å humrer over kaffen når de leser i avisen om hvor "dumme" vanlige folk er og hvor feil de tar (hysteriet rundt CERN åpningen for en tid tilbake er et godt eksempel). Dette er ikke slik jeg vil at verden skal være, og om jeg ikke kan endre på oppførselen til andre forskere så kan jeg gjøre noe selv.

Forrige semester deltok jeg 2.5 ganger (to og en halv gang? Mer om det senere!) på NRK's vitenskapsprogram Ekko, nærmere bestemt i panelet på Abels Tårn, og hjalp til med å svare på spørsmål for et par artikler på NRK Viten (jeg kommer nok til å legge til en ny side på toppen av bloggen et sted med linker til de aktuelle podcastene og artiklene). 

Selv om jeg følte at disse forsøkene mine på vitenskapsformidling var vellykkede, så har jeg jo aldri hatt noen opplæring i dette (mitt syn på hvor kraftig UiOs utdannelser mislykkes i formidlingskompetanse generelt kan vi ta en annen gang), og jeg skulle ønske at det fantes en doktorgradsvarient av MNKOM emnene... Og like etter jeg startet med formidling så dukket nettopp MNKOM9000 opp, akkurat til riktig tid.

La meg nå avslutte dette blogginnlegget før det blir alt for langt med en setning om min vitenskapsformidling filosofi: "Å formidle vitenskapen på en forståelig måte for det allmenne folket er like viktig som selve forskningen, om ikke fremtidens ledere vet hva vi driver med, hvilken nytte har da vår forskning?"