Finn innhold

Historien om lyset og dets gjerninger

Hvorfor er lys så viktig?
Hele min førtisjuårige forskerkarriere har jeg brukt til å studere hvordan lys virker på levende vesener. Alt i barndommen opptok dette meg. Lyset i seg selv er jo kjempespennende! Lys fra verdensrommet forteller oss om universets første historie. Lys og liv er nært sammenknyttet. Ja, helt fra livets opprinnelse er lyset den viktigste drivkraften i all biologisk utvikling. Det har skapt nye livsformer og det gir all energi som livet trenger. Lyset lar oss se universet: Uten det ville alt ha vært mørkt for oss. Hvordan kunne våre tanker og vår tro ha fått næring i mørket? Derfor er lyset sentralt omtalt i de fleste religioner og filosofiske systemer. Bare tenk på skapelsesberetningens «Bli lys!» og på Platons hule-liknelse! Jeg er altså ikke den første som har undret meg over lysets natur. Så lenge tenkning og forskning har vært menneskelig aktivitet, har lyset, sollyset i særdeleshet, vært et sentralt tema. Store vitenskapelige overraskelser kom da man innså at lys kan beskrives som en partikkelstrøm og samtidig som bølger, og at lyspartiklene ikke har masse, men øker i energi uten å få større fart når de «faller» i et tyngdefelt. Videre kan ingen partikkel eller informasjon bevege seg fortere gjennom rommet enn lyset kan i vakuum. Forunderlig er det at stråling ikke har masse, men kan bli til masse. Det motsatte kan også skje. Har disse underlige tingene, lys og stråling en begynnelse, og har de en ende?

Moderne fysikk sier at de har en begynnelse. Det er derfor meningsfylt å snakke om lysets historie. Siden det kom, har det gjort store ting i universet. Det er, som sagt, nært knyttet til selve livet.

Lysets historie
Historien om selve lyset i universet er ikke mindre fantastisk enn historien om dets gjerninger. Siden P2-akademiet i NRK skal legges ned, vil jeg i det siste av mine seks foredrag, alle om forskjellige aspekter av lys, ta dere med på en kort vandring i historien om lyset og alt det har gjort. Min gode kollega astrofysikeren Øystein Elgarøy har hjulpet meg den første delen av historien.

CMB_Timeline_WMAP

Universets utvikling siden Big Bang. Figur: NASA.

Lyset har fylt universet fra Big Bang i tidenes morgen og til nå. Big Bang-modellen er bare en modell, men den er antakelig det beste forsøkt på å rekonstruere universets historie. Den sier at de første femti tusen årene var lyset drivkraften i universets utvidelse. Big Bang skjedde i et meget lite volum som ikke kan lokaliseres til noe bestemt sted i universet. Dette skyldes at det var selve rommet som begynte å utvide seg.

På slutten av 1940-tallet begynte den russisk-amerikanske fysikeren George Gamow å spekulere på hvor grunnstoffene kommer fra, og så plutselig for seg at de kunne ha blitt til i en fjern fortid da universet var tettere og varmere enn nå. Han satte to av sine studenter til å undersøke ideen nærmere. De lot seg gripe av forskergløden, og etter mye arbeid, konkluderte de med at bare de letteste grunnstoffene, som for eksempel helium, kunne ha blitt dannet da. Men de så mer lys! De fant også ut at noen av de tidligste fasene av universets historie var dominert av lys eller stråling. Disse energiformene burde fremdeles være til stede i hele kosmos. Det viste seg å være riktig. Dette er den såkalte bakgrunnsstrålingen, mikrobølgestrålingen, som man kunne påvise i 1965. Etter få sekunder var universet så avkjølt at atomkjernene til de letteste grunnstoffene hydrogen og helium kunne dannes. Da var temperaturen omtrent en milliard grader. Ved en slik varme kan ikke de negative elektronene og de positive atomkjernene holde sammen og danne nøytrale atomer. Universet var følgelig en suppe av elektromagnetisk stråling og frie, ladede partikler.

Mørkets tidsalder
Lys som treffer ladede partikler, skifter bevegelsesretning, det blir spredt. De første fire hundre tusen årene av universets historie var tettheten av spredende elementer så stor at en lyspartikkel, et foton, ikke kunne bevege seg fritt over særlig store avstander. Den kom bokstavelig talt nesten ikke av flekken. Hadde vi vært der den gangen, ville universet ha artet seg som en eneste stor tåke.

Tåken letter
Men temperaturen sank, og etter 400 000 år var den nede i bare noen tusen grader. Da kunne de første nøytrale atomene dannes. Dermed lettet tåken. Universet ble gjennomsiktig. «Bli lys!» sier Bibelen i sin storslagne beretning om skapelsen. Billeder og poesi, ja, vel, men er våre forestillinger om dette annet enn formler, modeller og bilder? Da universet ble gjennomskinnelig, hadde det en temperatur på omtrent 3000 grader, og lyset som hører denne temperaturen til er rødt og infrarødt. Hadde vi da vært der, ville vi altså ha sett rødt! Det skinner «bakgrunnsstråling fra alle kanter!»

Nå, 13-14 milliarder år senere, har temperaturen sunket til -270 grader, tre grader over det absolutte nullpunkt, og strålingen ligger i mikrobølgeområdet. Som ventet, kommer denne strålingen mot oss fra alle himmelretninger. De ørsmå romlige variasjonene av bakgrunnsstrålingen forteller noe om universets begynnelse. Knøttsmå ujevnheter var til stede allerede da, og har blitt til de enorme astronomiske strukturene vi ser i dag.

Den kosmiske bakgrunnsstrålingen sett av Planck-satelliten. Bilde: ESA.

Den kosmiske bakgrunnsstrålingen sett av Planck-satelliten. Bilde: ESA.

Lyset, eller strålingen som hadde blitt til i universets første sekunder, kunne altså etter hvert bevege seg fritt og har siden gjort det. Samtidig har universet ekspandert videre. Dette har avkjølt det ytterligere. Vi kan observere bakgrunnsstrålingen med følsomme antenner. Fra alle retninger kommer den, og dens egenskaper er kartlagt så presist at vi har sett at temperaturen varierer med noen hundretusendeler av en grad i ulike retninger på himmelen. Disse ørsmå variasjonene er altså spor etter kimene til de enorme strukturene som fyller universet i dag: stjerner, galakser og galaksehoper.

Strålingen fra tidenes morgen er et av de viktigste tegnene på at vi lever i et ekspanderende univers som startet i en tett, varm tilstand for milliarder av år siden.

Mørk materie og mørk stråling
De supernøyaktige himmelkartene over bakgrunnsstrålingen antyder fantastiske ting for oss: Stoffet som vi kjenner til, utgjør bare 4 % av energitettheten i universet! 73 % er mørk energi og 23 % er mørk materie! Lysets historie er derfor i en viss forstand også universets historie, men den er nedtegnet på en mørk bakgrunn med usynlige farger! Den mørke materien kom inn i modellene da man fant at noen galakser roterer så raskt at vanlig tyngdekraft ikke kan holde dem samlet. Noe sterkere, mørk materie, må til. Fysikerne kan med stolthet si at deres modeller profeterte om strålingen fra universets barndom før den var sett.

Universet utvider seg
Utvidelsen av universet følger en lovmessighet som først ble beskrevet av Edwin Hubble i 1929. Hastigheten som en stjernetåke har bort fra oss, øker proporsjonalt med avstanden fra oss. Ved en viss avstand, som vi kaller Hubbles radius, nås lyshastigheten. Kan da lyset fortelle oss noe om det som er utenfor der? Er det i det hele tatt noe utenfor? Vi har jo, som nevnt, lært av Einsteins relativitetsteori at verken partikler eller informasjon kan bevege seg fortere enn lyset gjør i vakuum. Heldigvis for Einstein tillater relativitetsteorien universet å ekspandere fortere. Man trodde lenge at tyngdekraften ville få universet til å ekspandere saktere etter hvert. Men i 1998 kom en sensasjonell oppdagelse. Ekspansjonen går ikke saktere med tiden. Dette fant man ved nøyaktige målinger av fargespektret av lyset fra meget fjerne, eksploderende stjerner, såkalte supernovaer. Noen tror at det er den mørke energien som driver ekspansjonen.

Hvor stort er universet?
Helt fram til det 19. hundreåret trodde fysikerne at universet var endelig. Men en skarpskodd tyngdekraftekspert som Newton burde allerede rundt 1700 ha skjønt at et endelig univers vil falle sammen. Et uendelig stort univers, derimot, vil ikke falle sammen fordi enhver masse vil dras med lik kraft i alle retninger og derfor holde seg i ro. Da dette ble forstått, innførte man straks ideen om et uendelig univers.

Olbers paradoks
Men det gir oss et nytt problem: Hvorfor er ikke natthimmelen helt lys og spekket med stjerner og stjernetåker over det hele? Tettheten av lysende objekter i rommet ser nemlig ut til å være noenlunde konstant. Dette problemet kalles Olbers paradoks etter mannen som først formulerte det i 1823. Men allerede i 1720 hadde Halley omtalt paradokset i et foredrag på et vitenskapelig møte ledet av selveste Newton. Men Newton var da 78 år gammel og sov kanskje. I hvert fall kommenterte han det ikke. Det er lyset som løser gåten for oss, noe som ikke gikk opp for fysikerne før langt ut i det 19. hundreåret. For at hele himmelen skal dekkes av stjerner, kan vi ved å anta en kjent gjennomsnittsdiameter og en kjent tetthet på stjernene, med gymnasmatematikk regne oss til at universet må ha en radius på minst 3⋅1023 lysår. Men en rekke observasjoner sier oss at Big Bang skjedde for 1,4⋅1010 år siden, og at vi derfor selvsagt bare kan motta lys som har reist i kortere tid mot oss enn dette. Det synlige universet er altså alt for lite til at natthimmelen kan være spekket med stjerner. Til skam for oss fysikerne skjønte dikteren Edgar Allan Poe dette allerede i 1848. Han sa: «Den eneste sjansen vi har til å forstå tomheten som teleskopene våre viser oss i alle himmelretninger, er å anta at avstanden til den usynlige bakgrunnen er så stor at lyset fra den ennå ikke har nådd oss».

Vi kan se bakover i tid
Det er spennende å tenke på at ved å se ut i rommet med våre beste teleskoper, kan vi se tilbake i tid. Vi kan faktisk se lyset som pulserende stjerner sende ut for mer enn 13 milliarder år siden, den gang universet ennå var ungt. Hvordan disse ser ut i dag, vil ingen få vite, fordi menneskenes historie på jorden har en ende, senest om en milliard år dersom solen oppfører seg som andre stjerner: blir varmere, ekspanderer, fortærer oss og brenner ut!

Solen
Solen er omtrent midtveis i sin eksistens og har rundt fem milliarder år igjen å leve. Av månelys eller stjernelys gror det ingen ting, så sollyset er av spesiell interesse for oss. Solen sender ut lys som et legeme på 5800 grader. Det er fordi den har nettopp denne temperaturen i fotosfæren, den delen som vi ser. Men energien kommer fra de sentrale områder av solen, innenfor den innerste tredjedelen av solradien. Der skjer sammensmelting, fusjon, av hydrogen til helium, og det krever et enormt høyt trykk og en fryktinngytende høy temperatur, ca. 15 millioner grader. Hvert sekund blir 5 millioner tonn masse til energi. 100 jordmasser har blitt til energi. Men det er mye å ta av: Solen utgjør 99,9 % av all masse i solsystemet. Strålingen og bevegelsesenergien som dannes ved fusjonen, diffunderer så utover, spres, absorberes og sendes ut igjen med lengre og lengre bølgelengder. Hvert gammakvant som dannes der inne, blir til flere millioner synlige lyskvanter før overflaten nås. I de øverste 20 % av soldiameteren skjer energioverføringen ved gigantiske strømmer. Hadde strålingen gått i rett linje ut, ville den ha nådd solens overflate på 2 sekunder og oss på litt over 8 minutter. Men på grunn av siksak-kjøringen, bruker den antakelig flere hundre tusen år, noen mener opp mot 20 millioner år, på å nå overflaten. Derfor forteller solstrålingen, slik vi ser den i dag, solens historie i en fjern fortid!

Fotosyntese. Illustrasjon: Wikipedia.

Solstrålingen på jorda
Omtrent 0,3 % av solstrålingen som når oss er UVB, 5-6 % er UVA, 50 % er synlig lys og resten er varmestråling. Det meste ligger i det grønne, gule og røde spektralområdet, akkurat der synet vårt er best og der de grønne plantene absorberer. De høster solenergi på en utrolig effektiv måte gjennom fotosyntesen. Hele 1 kW kommer ned til jorda per kvadratmeter. Dette er hovedkilden til all energi på jorda: plantevekst, olje og gass. Hvis vi en gang klarer å kopiere fotosyntesen, har vi antakelig løst vårt energiproblem. Solpaneler er på langt nær like effektive som fotosyntesen.

Livets historie
Livets historie på jorden er altså uløselig knyttet til sollysets historie. Det gikk flere milliarder år fra Big Bang til solsystemet vårt ble dannet ved at en kjempestor sky av masse begynte å falle inn mot et sentrum, som ble til solen. Startskuddet for kondenseringen var kanskje en stjerneeksplosjon, en supernova, i nærheten.

Lysets største gjerning er utvilsomt fotosyntesen, prosessen som gjør at livet kan høste, bruke og lagre solenergi. Men en like så stor gjerning er vel at sollyset etter all sannsynlighet skapte liv ved at det skaffet energi slik at små molekyler slo seg sammen til større: aminosyrer, nukleinsyrer, proteiner, DNA og RNA. Disse molekylene, de såkalte biomolekylene, kan med betydelig rett kalles livets molekyler. De fleste mener at dette skjedde her på jorden, mens andre mener at de første livskimene kom med meteorsteiner eller kometer. Helt fra 1950-årene eller før har forskerne uten hell prøvd å gjenta det UV-strålingen en gang gjorde i ursuppen her eller på et annet himmel-legeme. Etter at jorden begynte å ta form for ca. 5 milliarder år siden, besto atmosfæren antakelig av mye hydrogen. Men temperaturen var høy, og det meste av hydrogenet forsvant ut i verdensrommet. Ved vulkanutbrudd fikk vi etter hvert en ny atmosfære av metan, amoniakk, CO2, hydrogen og vanndamp. Blander man disse stoffene i en tett beholder, varmer denne til en temperatur man antar jorden da hadde, og sender en elektrisk utladning eller kraftig UV stråling gjennom blandingen, dannes det ikke mindre enn 20 aminosyrer. Både lynnedslag og kraftig UV-stråling hadde man mye av. UV-strålingen var flere tusen ganger sterkere enn nå, fordi det var verken oksygen eller ozon i atmosfæren. Liv kunne derfor ikke eksistere på land.

Lyset laget atmosfæren
Det var lyset som hjalp livet med å lage den atmosfæren vi nå har og som er så god for oss. Men langt eldre skapninger enn oss, såkalte cyanobakterier, kan leve både med og uten oksygen. Ved fotosyntese laget de oksygen, og etter hvert som atmosfæren ble rikere på det, laget UV strålingen høyt oppe i atmosfæren ozon av det. Dette skjer også i dag. Det er i hovedsaken UVC-strålingen som lager ozon. Slik kan vi si at solstrålingen selv sørger for at bare den gode delen av den kommer ned til oss: lyset, UV-strålingen og varmen. Noe av UV-strålingen slipper altså igjennom, selv om den kan lage hudkreft på dyr og mennesker. Den gjør nemlig mye som langt oppveier dens skadevirkninger. Den lager D-vitamin og har tjent livet i minst en milliard år ved at skall og beinbygninger kan lages og opprettholdes. Ut over dette var UV-strålingen som ozonlaget slapp igjennom, nyttig for livets utvikling ved at den laget mutasjoner i arvematerialet og dermed økte hastigheten på evolusjonen. Den funksjonen har den fortsatt, til sorg for de som ønsker at alt skal bestå nøyaktig som i dag.

Solen varierer
Strålingen fra solen har variert mye fra tidenes morgen. Til å begynne med var den mye svakere enn nå. Derfor fikk jorden sin første istid da de første drivhusgassene ble borte, mens CO2– og vanndamp-laget ennå ikke var kommet på plass. Senere har solstrålingen også variert betydelig. Stort sett har den økt i styrke fra å være 30 % svakere i jordens morgen enn nå. Mest kjent er imidlertid variasjonen under den såkalte solfekksyklusen på 11 år. Solflekker, som har en temperatur på bare 4000 grader, kommer og går med denne syklusen. Totalstrålingen som når oss, varierer med mindre enn 1 %, men nede i UV-området kan den variere med flere prosent. Over atmosfæren kan UVC variere med flere hundre prosent. Vi har hatt perioder med nesten ingen solflekker. Da er det heller ikke nordlys, fordi med solflekkene følger magnetiske stormer på sola. Under slike stormer sendes strømmer av ladde partikler, mest elektroner, mot jorda. Disse slipper gjennom vårt jordiske magnetfelt bare rundt nord- og sørpolen, og får molekyler i atmosfæren til å lyse: Nitrogen lyser blått elle rødt og oksygen lyser grønt eller brunrødt, avhengig av høyden det kommer fra. Det ser ut til å være en sammenheng mellom manglende solflekker og kuldeperioder. Under det såkalte Maunder minimum mellom 1600 og 1700, var det særlig kaldt, og vi kaller perioden den lille istiden. Før denne perioden kan man spore andre tilsvarende perioder ved å måle tykkelsen av årringer på trær: En kald periode hadde man rundt 1300 og en rundt 1450, altså akkurat i de tidene norrønafolket forsvant fra Grønland! Stråling fra solstormene og fra rommet kan bidra til å ionisere partikler i atmosfæren og dermed lage skyer. Derfor bør solens uforutsigbare oppførsel være en hodepine for klimaprofeter og klimaforskere! Vi vil helt sikkert gå inn i både varme- og kuldeperioder. Solstrålingen på jorden varierer også med variasjonene av jord- banen rundt sola og med hellingen av jordaksen i forhold til jordbaneplanet. Etter all sannsynlighet har dette gitt opphav til istidene. Dette vil fortsette i framtida og vi kan med sikkerhet si at vi vil gå inn i en ny istid igjen.

Solens aktivitet ved nær minimum (1996) og maksimum (2000). Bilde: SOHO/ESA/NASA.

D-vitaminet kommer fra solen og gir helse
En av de viktigste av solstrålingens livsbevarende gjerninger er at den gir oss D-vitamin. D-vitaminets historeie går nesten like tilbake i tid som livets historie. For mer enn en milliard år siden ble, som nevnt, liv laget i «ursuppen». Atmosfæren var annerledes da enn nå. Oksygen og ozon var ikke der. UV-strålingen var derfor sterk, og livet måtte beskytte seg mot den, delvis ved at det var nede i vannet, og delvis ved at det laget sine egne, UV-beskyttende stoffer som D-vitamin. Urcellene og tok tidlig til å benytte kalsium til overføring av signaler. Det fikk de fra vannet. Men sammen med fosfor dannet kalsium skjell til beskyttelse og bein til å holde orden på større skapninger som etter hvert utviklet seg.. Da livet krøp opp av vannet, ble et beinskjellett særdeles viktig for å holde organer og muskler på plass. Nå måtte kalsium og fosfor komme gjennom maten. D-vitaminet fikk en nøkkelrolle. Det ble tilveiebrakt av solen. Cellene som lå igjen i «ursuppen» begynte også å benytte det. Fytoplankton (Emiliania Huxleyi) og diatom (Skeletonema Menzelii) har vært til i mer enn en halv milliard år. Når sola skinner på dem, lager de vitamin D2, mens vi lager vitamin D3 når solen skinner på huden vår.    Så gikk tiden, sola og D-vitaminet gjorde jobbene sine godt, både i plante- og dyreriket. En dag for flere millioner år siden, reiste våre formødre opp på to et sted under Afrikas sol. For ikke å få skader av den sterke solen ble de mørke i huden. Senere vandret de mot nord i flere bølger. Da fikk de for lite sol til å lage nok D-vitamin. Da lysnet huden deres. Lys hud trenger seks ganger mindre sol enn mørk hud trenger for å lage nok D-vitamin. Vår lyse hudfarge her nord er det sterkeste beviset på at vi trenger sol for helsen vår.

D-vitaminlitteraturen har nærmest eksplodert etter 2000. Stadig blir nye og viktige funn offentliggjor: D-vitamin og sol kan redusere høyt kolesterol og forekomsten av hjerte- og karsykdommer, motvirke sukkersyke, ha god virkning på sykdommer knyttet til immunsystemet, som psoriasis, multippel sklerose, leddgikt og Crohns syndrom. Mange sykdommer knyttet til nervesystemet påvirkes av D-vitamin. Det er av beetydning for livslengden vår når på året våre mødre hadde oss i livmoren. Kanskje skyldes det at D-vitaminnivået varierer gjennom året, er høyset om høsten og nær 50 % lavere om våren. Symptomene ved den gåtefulle sykdommen fibromyalgi kan også mildnes. Kreftrisikoen kan reduseres, og D-vitamin kan virke gunstig sammen med orninære former for kreftbehandling. Mange mener at D-vitamin mildner flere typer psykiske kidelser, og at kvinner som har nok D-vitamin har mindre risiko enn andre til å føde barn som blir scizofrene eller autistiske. Den aller nyeste forskningen på dette området sier at solen kan virke på en annen måte enn via D-vitamin. Nitrogenoksider som er involvert i signaltransport i nervene, kan frigjøres når sol skinner på de små blodårene i huden.

Årsrytmer og døgnrytmer
Blant alle de andre av lysets gjerninger rekker vi bare å omtale en: Dets virkning på våre års- og døgnrytmer. Når lys treffer netthinnen i øynene våre, forandres et molekyl som heter rhodopsin. Da startes nervesignaler som gjør at vi ser, ikke bare lys, men farger. Andre molekyler i netthinna, melanopsinmolekyler, tar imot signaler som, via mange intrikate omveier får konglekjertelen til å slutte å sende mørkehormonet melatonin ut i blodet. Dermed påvirkes hele hormonbalansen vår. Alle vet hvor viktig den er. Årsrytmer styres ved varigheten av dagslyset. Mørketidsnedstemthet, SAD, kan oppstå hos enkelte. Døgnrytmene våre styres og fastholdes med en periode på 24 timer. I nesten alle cellene i kroppen er det programmert en døgnrytme. Programmet ligger i DNA, og er litt upresist, slik at de frie døgnrytmene har en periode på mer enn ett døgn. Vi sier at de er cirkadianske. Mennesker som plasseres i en bunkers, velger forskjellig døgnlengde, de fleste rundt 27 timer, noen lengre, ja, opp mot 48 timer!

Lysets storhet
Vi kan lure på om legevitenskapens grunnleggere hadde større forståelse for lysets gjerninger enn dagens travle leger har: Om lag 400 år før Kristus slo Hippokrates fast at «alle som ønsker å studere medisin skikkelig, først må gjøre seg kjent med årstidene og deres virkning på helsen». Han laget også det første utendørs solariet.

Kanskje sykehusdesignere burde minnes på at Florence Nightingale i 1863 sa at sykehus burde lages slik at mye sollys slapp inn? Erfaring gjennom hundretusener av år har nedfelt følelser i oss overfor lyset: kjærlighet, respekt, hengivenhet og avhengighet.

Olav H. Hauge sier:

Heilage stjerne
rømder av glans spreier du om deg,
kald glans.

Noe ble kanskje mistet da lyset opplyte oss: Eventyrfigurene, tussene og trollene ble borte i lyset av Edisons glødelampe. Naturens storhet og naturviterens store ansvar uttrykkes glimrende av Piet Hein:

Her står vi på naturens bare grund.
Vor skæbne skænker oss endnu en stund.
Velg, Homo, guddomskilden eller dyret!
Skal Sapiens forgå for egen hånd?
Skal mennesket, forløst i lys og ånd,
befriet flyve imot æventyret?

 * * *

Hovedbilde: Colourbox

 

Forfatter: Johan Moen
Professor II
Fysisk institutt, Universitetet i Oslo

Legg inn en kommentar

%d bloggere liker dette: