Megjelent: Interpress Magazin, 2003 január

Ősrobbanás és Örök Világegyetem

Érdekes, sőt, figyelemre és kutatásra érdemes tény, hogy a legtöbb ember kisgyerek kora óta vonzódik a csillagászathoz. Egy kimutatás szerint pedig a nagyközönség ma a tudományos hírek közül elsősorban a csillagászati hírekre kíváncsi. Vajon mi lehet ennek az oka? Ez az érdeklődés annál is különösebb, mert mai világunk itt a Földön egyre inkább haszon-elvűvé válik, és a csillagászat mint tantárgy nem is szerepel az általános oktatásban.

Ha érdeklődésünk nem társadalmi, akkor nyilván természeti gyökerű. Nemcsak társadalmi, de természeti lények is vagyunk. Mindannyian természeti lénynek születtünk, a Természet, a Világegyetem részei vagyunk, ugyanakkor egészei is, és a csillagvilág iránti érdeklődésben egyszersmind saját életünk alapkérdéseire is keressük a választ. Lehet, hogy a Természet iránti érdeklődésünk a belső Természetnek, a belső Világegyetemnek is szól? Lehet, hogy a belső és a külső Világegyetem összetartozik, lényegében hasonló, vagy éppen azonos? Ha igen, akkor bizony alapvetően rólunk (is) szólnak a végső kérdések: Véges vagy végtelen a Világegyetem? Örök idők óta létezik a világ, vagy csak egy idő óta létezik? Mióta ember az ember, ezek a kérdések állandóan foglalkoztatnak bennünket.

Az emberiség történetében alapvetően két úton keresték e kérdésekre a választ. Az egyik út a logikus gondolkodásé, a másik a tapasztalati tudományé. Ha a Világegyetemnek nincs kezdete, vagyis ha végtelen idők óta létezik, akkor hogyan juthatott el a mába, a végtelenből a végesbe? Kant, a 19. század nagyhatású filozófusa úgy érvelt, hogy a Világegyetem végtelensége éppen úgy lehetetlen, mint végessége. Ha ugyanis úgy vesszük, hogy van kezdete a világnak, akkor ellentmondásra jutunk, mivel a kezdet eleve föltesz egy előző időt, vagyis eleve azt vonja magával, hogy valami megelőzte, amiből keletkezett. Ha pedig úgy vesszük, hogy nincs kezdete, akkor a mából kiindulva soha nem érhetjük el az egész lefolyt örökkévalóságot, állítja Kant – és ez számára azt bizonyítja, hogy mindkét lehetőség éppúgy lehet igaz, mint hamis (ezért nevezte el őket antinómiáknak), és így mindenképpen ellentmondásra vezet. A másik út a tapasztalati tudományé. Úgy tűnik, a tudomány legújabb, nagy jelentőségű fordulata e téren is végletes ellentmondásra, az ellentétek közötti választás kényszerére vezetett.

Az Ősrobbanás elmélete és bizonyítékai

A huszadik század utolsó évtizedeiben annyira általánosan elfogadottá vált az Ősrobbanás (angolul: Big Bang) elmélete, hogy minden ellenfelét háttérbe szorította. A bevett elképzelés szerint a Világegyetem mintegy 15 milliárd éve keletkezett egyetlen pontból, ahonnan a tér tágulása megindult. Ebben a folyamatban keletkezett a Világegyetem összes anyaga. Az Ősrobbanás elméletét alátámasztja a távoli galaxisok vöröseltolódásának mértéke. (A mellettünk elhúzó autó hangja jellegzetesen elmélyül, ahogy az autó eltávolodik tőlünk. A tőlünk távolodó fényforrásnak a fénye “mélyül”, pontosabban: tolódik el a vörös felé). Minél távolibb egy galaxis, rendszerint annál erősebben tolódnak el színképében az egyes atomok jellegzetes vonalai a vörös felé, s ennek oka az elmélet szerint többnyire a Doppler-effektus, vagyis a Világegyetem tágulásának tulajdonítható. A galaxisok vöröseltolódását Doppler-effektusként, távolodási hatásként értelmezve, és feltételezve, hogy ez a tágulás folyamatos, az időben visszafelé követve a tágulást eljutunk a tágulás kezdetéhez: a Világegyetem anyagát egyre kisebb térfogatban találjuk. Az egyre távolabbi galaxisok fénye az egyre koraibb Univerzumból ered, hiszen a fény terjedési sebessége véges. De mikor indult be ez a tágulás? Meddig kell az időben visszamennünk, hogy megtaláljuk a tágulás kezdetét? Az Ősrobbanás elmélete felteszi, hogy egészen addig kell visszamennünk, ameddig a Világegyetem összes anyaga egyetlen pontba sűrűsödik össze (vagy legalábbis a kvantummechanika szerint létező legkisebb távolságig, a Planck-hosszig, amely a milliméter egyszázezred-milliárdod-milliárdod-milliárdod részéig, 10^-33 cm-ig). A galaxisok megfigyeléseiből azonban időben csak mintegy 10-12 milliárd évig látunk vissza. Léteznek azonban feltételes, közvetett bizonyítékok, amelyek arra utalnak, hogy a tágulás még régebben kezdődött. Penzias és Wilson 1965-ben fedezték fel a kozmikus háttér-sugárzást. Ez egy olyan, minden irányból egyenletesen érkező elektromágneses sugárzás, amelynek energiája éppen úgy oszlik el, mint egy rendkívül hideg, -270 Celsius fok hőmérsékletű testé. Ha az Univerzum tágul, az időben visszafelé persze zsugorodik, és eközben e sugárzás – ha már akkor is jelen volt – sűrűsödik, energiája nő, ami magasabb hőmérsékletnek felel meg. Ha az Univerzum egy pontszerű térfogatból tágul, hőmérséklete, energiasűrűsége a kezdeti időszakban rendkívül magas kellett legyen, és ahogy egy izzó test jellegzetes hősugárzást bocsát ki magából, egy színűnek látszik, mert az egész testnek egyforma a hőmérséklete (ez az ún. hőmérsékleti egyensúly), úgy a Kozmosz kezdeti izzásakor keletkeznie kellett hősugárzásnak. Gamow már az 1940-es években megjósolta, hogy ha a Világegyetem kezdetben kicsi és forró volt, és azóta rendkívüli mértékben tágult, akkor kezdeti, izzó hősugárzása mára a –250 Celsius fokot megközelítő hőmérsékletre kellett lehűljön. Lehet, hogy a Penzias és Wilson által megtalált, mindenhonnan felénk érkező hősugárzás éppen e kezdeti izzásról ad hírt! Fontos tudnunk, hogy a modellszámítások szerint a Világegyetem az Ősrobbanás utáni háromszázezer évig hőmérsékleti egyensúlyban volt. Ez pedig azt jelenti, hogy a háttérsugárzás magyarázatához elég lenne feltenni, hogy a tágulás a Világegyetem mai méreténél tízezerszer kisebb térfogatból indult.

Újabb közvetett bizonyíték lehet a tény, hogy a Nap és a csillagok anyaga a csillagmodell-számítások szerint már keletkezésükkor a hidrogénen kívül más elemeket is tartalmazott, elsősorban héliumot (anyaguk több mint egy ötöde héliumból kellett álljon). Honnan eredhet ez a hélium, ha nem a csillagok magjában lezajló magreakciókból? Az egyik magyarázatot éppen az Ősrobbanás elmélete adhatja. Ha ugyanis az Univerzum anyaga valamikor nagy sűrűségű és hőmérsékletű volt, olyan magas hőmérsékletet is elért, mint amilyen a Nap magjában uralkodik (több mint tízmillió fok), akkor persze benne is magreakciók léptek fel, és ezek termelhették a héliumot! Hoyle, Burbidge és munkatársai számításai részleteiben is megerősítették ezt az elképzelést. Ezekből arra is fény derült, hogy a tízmillió fokos hőmérséklet a feltételezett Ősrobbanás után mintegy 100 másodperccel állt fenn, és a gyors tágulás és az ezzel járó lehűlés miatt néhány száz másodperc múlva leálltak a magreakciók. Ha a hélium valóban a korai Világegyetemből ered, akkor ebből arra következtethetünk, hogy a Világegyetem korai szakaszában megfelelően nagy sűrűségnek és hőmérsékletnek kellett uralkodnia. Ekkor már az Univerzum mérete a megelőző gyors felfúvódás miatt mintegy 100 000 fényév.

Az Ősrobbanás elleni érvek

Fontos tisztán látni, hogy ha az Ősrobbanás egy matematikai, tehát kiterjedés nélküli pontból indul, akkor ezzel szembekerül a tudomány alapjaival. Ha ugyanis a semmiből képes anyag keletkezni, akkor a “materializálódásnak” nem lehetnek meghatározott feltételei, mert a semminek nincsenek, nem lehetnek ilyen tulajdonságai. És ha ezt az Ősrobbanás elmélete megengedi, akkor semmi akadálya nem lehetne, hogy törvények és meghatározott feltételek nélkül, tetszés szerinti fizikai folyamatok lépjenek fel a Világegyetemben. Ilyen tetszés szerinti, a természeti törvényeken és feltételeken kívül álló folyamatokról a tudomány nem tud. Törvények és meghatározott feltételek nélkül egyetlen folyamat sem képes létrejönni, ez csoda lenne, természetfölötti beavatkozás. A modern tudományban a parancsnoki posztot az okság általánosított elve, a meghatározottság elve foglalja el. A meghatározottság elvének egyik összetevője a leszármazási elv, amely kimondja, hogy semmi nem keletkezik semmiből, és semmi sem válik semmivé. Másik összetevője kimondja, hogy az események mindig meghatározott módon jönnek létre, és viselkedésükben törvények jutnak kifejezésre. Ha egy nyulat sem lehet a semmiből elővarázsolni, hogyan lehetne egy egész Világegyetemet a semmiből létrejövéssel magyarázni? Valaminek történnie kellett, ami az Ősrobbanást előidézte. Persze, ehhez annak a valaminek az Ősrobbanást megelőzően már léteznie kellett – tehát a Világegyetem (minden létező összessége) nem keletkezhetett az Ősrobbanásban.

Ami a legerősebb bizonyítékot, a háttérsugárzást illeti, Gamow számításai szerint a háttérsugárzásnak 7 és 50 K fok közötti hőmérsékletűnek kellett volna lennie. Másrészt, a háttérsugárzás nem bizonyítja magát az Ősrobbanást, legfeljebb egy forróbb (a modellek szerint: 3000 fokos) állapot létét. Harmadrészt, a háttérsugárzás nemcsak egy forróbb állapotból keletkezhetett. Hoyle és munkatársai kimutatták, hogy a csillagok fényének a csillagközi anyagban található, fémeket tartalmazó tüske-alakú porszemekentörténő szóródása ugyanilyen háttérsugárzásra vezet.

Hasonlóan, a hélium és a könnyű elemek előfordulása a korai csillagokban nem követeli meg az Ősrobbanás, sőt még egy forróbb állapot létét sem, hiszen ha nem volt Ősrobbanás, akkor korábban is léteztek csillagok, és ezek termelhették ezeket a könnyű elemeket.

Lehet, hogy a vöröseltolódás (legalább részben) az Univerzum tágulásából ered. De ma időben csak mintegy 12 milliárd évre látunk visszafelé a múltba, és így a vöröseltolódás még akkor sem bizonyítja magát az Ősrobbanást, ha tényleg túlnyomórészt a Világegyetem tágulása okozza.

Így aztán az Ősrobbanás elméletének nemcsak elvi alapja, de mind a négy pillére, úgy tűnik, bizonytalan alapokon áll. De talán még ennél is fontosabb, hogy az Ősrobbanás elmélete nem áll összhangban a csillagászati észlelésekkel szerzett tudásunkkal. Az Ősrobbanás elmélete szerint ugyanis az Univerzum rohamosan tágul. A megfigyelések viszont azt mutatják, hogy a Világegyetem anyaga a Tejútrendszerünkhöz hasonló galaxisokban, és a galaxisokon belül jórészt csillagokban összpontosul. Ezért az Ősrobbanás elméletének velejárója egy egyetemes, a tágulással ellentétes irányú folyamat, az összehúzódás. A tágulással felhígult anyag csakis még rohamosabb összehúzódásban tud galaxisokká, csillagokká alakulni. A megfigyelések viszont arra utalnak, hogy a galaxisok éppúgy, mint a csillag-társulások, nem elsősorban összehúzódásban, mint inkább táguló folyamatban keletkeznek. A csillagbölcsőkben, különösen, ahol több csillag is keletkezik egyszerre, rendszerint heves tágulás figyelhető meg. Figyelemre méltó, hogy minél fiatalabbak a csillag-embriók, rendszerint annál nagyobb sebességgel tágul a csillag-bölcső! Igaz, hogy sok fiatal csillagot anyagkorong vesz körül, és ez elvileg egy összehúzódó csillagfelhőből is létrejöhetett. De az is lehet, hogy a csillagbölcső táguló anyagából jött létre az anyagkorong, és vált a központi csillag foglyává, és ettől kezdve összehúzódóvá. Itt is éppen az a döntő kérdés, hogy honnan indul a folyamat, akárcsak az Ősrobbanás léténél. És mivel a csillagok keletkezése az összehúzódó köd-modell szerint hideg és ritka ködökből indul, ezeket pedig nehéz megfigyelni, mert eleinte alig bocsátanak ki fényt, ezért furcsa helyzet állt elő. Két elmélet áll egymással szemben: az egyik szerint a galaxisok és a csillagok csakis összehúzódással, a másik szerint tágulással keletkeznek. Azt hihetnénk, hogy az ilyen alapkérdések már eldőltek, hiszen ezek az ellentétek olyan élesnek látszanak, mint a fekete és a fehér ellentéte, és ezeket könnyű megkülönböztetni. Azt hihetnénk, hogy csak a kis részletkérdésekben fordulnak elő nézeteltérések. Bármilyen meglepő, úgy tűnik, a csillagászat sajátja, hogy éppen a legalapvetőbb kérdésekben a legnagyobb a bizonytalanság. És hogy ez mennyire így van, azt mutatja az a hasonlóan végletes ellentét, ami az örök és az Ősrobbanásban keletkezett Világegyetem elmélete között áll fenn.

Tény, hogy a fiatal csillagok robbanásos kitöréseitől a csillagasszociációk tágulásáig és a galaxismagok sokszor több százmillió naptömegnyi anyag-kidobásáig szinte csakis tágulásos folyamatok figyelhetők meg az Univerzumban. Vegyük figyelembe, hogy a Tejútrendszer száz-kétszázmilliárd csillagból áll. Az M87-es katalógusszámú galaxis magjából nem kevesebb, mint tíz anyagcsomó dobódott ki egy irányban, csóva-szerűen, éppen a közeli M84-es galaxis irányában. Lehet, hogy az M84 galaxis is az M87-es galaxisból dobódott ki? Az anyagcsomók kidobása a mérések szerint közel fénysebességgel történt. Ehhez pedig annyi energiára van szükség, mint amennyi egy teljes galaxis létrehozásához! Rejtély, hogyan tud ennyi energia ilyen hirtelen anyagkidobásokra vezetni. Az NGC 1097-es spirálgalaxis magjából négy, egyirányú csóva-szerű anyagkidobást figyeltek meg. Ahol az anyagkidobás egybeesik a spirálkarokkal, a spirálkarok jellegzetesen megtörnek. Ez ismét arra utal, hogy a csóva-szerű anyagkidobás nagy tömegkiáramlást jelent, olyan nagyot, amely esetenként összevethető a szülő galaxis összes tömegével. Viktor Ambarcumján, a világhírű örmény csillagász felfedezései nyomán az 1940-es évektől nyilvánvalóvá vált a tágulásos jelenségek kiemelkedő szerepe a Világegyetemben.

A Szinte Állandó Állapotú Világegyetem elmélete

Fred Hoyle és munkatársai már az 1950-es években kidolgozták az Állandó Állapotú Univerzum elméletét, amely csak az 1965-ben felfedezett háttérsugárzás nyomán került háttérbe. Hoyle több alapvető felfedezése mellett maga is lényeges szerepet játszott az Ősrobbanás elméletének kidolgozásában, és állítólag csak azért nem kapta meg 1983-ban a Nobel-díjat, mert féltek attól, hogy Hoyle sokágú és sokszor túlságosan is eredetinek számító eredményeinek a Nobel-díj túl nagy hangsúlyt adna. Hoyle, Burbidge és munkatársai nemrég továbbfejlesztették elméletüket, a Szinte Állandó Állapotú Világegyetem elméletévé. Ez az elmélet Ambarcumján eredményeire építve bevezette a Mach-elvet a gravitáció általánosított elméletébe. A Mach-elv szerint a testek tömege nem saját magukból ered, hanem az Univerzum többi égitestjéből eredő tömegvonzás következménye. Ha ez így van, azzal könnyen magyarázatot kaphatunk arra, hogyan képesek a galaxismagok saját tömegüknél sokszor nagyobb tömegeket is kidobni! Ha ugyanis a galaxismagokban anyag keletkezik és rögtön ki is dobódik, akkor a kidobás pillanatában még nincs tömege, hiszen újszülött lévén még nem hat kölcsön az Univerzum többi égitestjével, ha a gravitációs hatás terjedésének is határt szab a fény sebessége. Igaz, Hoyle elmélete is rászorul az anyag keletkezésére, de mivel ebben az elméletben az anyag keletkezése meghatározott feltételek között, a galaxismagokban történik, itt nem egy misztikus, hanem egy tudományosan tanulmányozható folyamatról van szó! A galaxismagok fénysebességű anyagkidobásai magyarázatot adnak egy másik alapvető tényre is. Ismeretes, hogy a Földet érő kozmikus sugárzásban vannak olyan nagy energiájú részecskék is, amelyek messze túl vannak minden eddig ismert energiaforrás képességén. Ha az Ősrobbanásból erednének ezek a rendkívüli energiájú elemi részecskék, a háttérsugárzással kölcsönhatva már rég le kellett volna fékeződjenek rendkívül alacsony energiákra. Ugyanez igaz akkor is, ha ezek a rendkívüli energiájú kozmikus részecskék nagyon messze vagy régen keletkeztek volna. Rendkívüli energiájuk tehát arra utal, hogy időben és térben viszonylag közeli forrásból erednek, olyan rendkívüli energiával, amely csakis az Ősrobbanásra jellemző körülmények között képzelhető el. E rendkívüli energiájú kozmikus sugarak tehát azt az üzenetet hozzák felénk, hogy az Ősrobbanáshoz hasonló folyamatok mostanában és tőlünk nem messze is végbemennek – és ezzel azt mondják, hogy a világ keletkezése ma is folytatódik.

A Ciklikus Világmodell

Tavaly az Ősrobbanás elméletének egyik kidolgozója, Paul Steinhardt és Neil Turok váratlanul új elmélettel álltak elő. Az elmúlt évtizedekben ismertté vált, hogy a Világegyetem tágulása nem lassul, hanem inkább egyre gyorsul. Ennek magyarázatára többen bevezették a “sötét energiát”, egy olyan feltételezett energiát, amely a tágulást gyorsítja. De ha erre a “tágító energiára” szükség van, nem okozhatta-e ez a sötét energia az Univerzum tágulását is? Steinhardt és Turok rájöttek, hogy ha az Ősrobbanás elméletével nem akarnak ellentmondásba kerülni, de mégis egy új elméletet akarnak létrehozni, amelyben ez a tágító energia központi szerepet játszik, akkor csak részlegesen fedhetik le az Ősrobbanás elméletét. Ez a gyakorlatban annyit tesz, hogy megtartják az Ősrobbanás felé mutató alapvető tényeket és értelmezésüket, de, mint fentebb láttuk, ezek mindegyike csak egy bizonyos kezdeti forróságig és sűrűségig vezet vissza. Steinhardt és Turok új elméletében ez a kezdeti állapot trillió-trillió fokos(10²⁴ K) hőmérsékletet jelent, azaz az Ősrobbanást a másodperc szinte végtelenül kis töredékéig,

10^-30 másodpercnyire közelíti meg. Innen azonban az új elmélet nem az Ősrobbanás felé, hanem azzal szükségképpen ellenkező irányba vezet. Ez pedig azt jelenti, hogy a tágulást összehúzódás kellett megelőzze! Ezzel pedig már ott is vagyunk az új modell alapvető tulajdonságánál: ebben a megfelelően felépített modellben a Világegyetem egy lüktető körfolyamatban tágul és összehúzódik. Mivel a tágító energia központi szerepet játszik e modellben, a Világegyetem a mai állapotából sok milliárdszorosára tágul, egészen addig, amíg egy részecskénél kevesebb jut az egész belátható Univerzum-térfogatra (ez az ún. Hubble-térfogat). Ekkor a tágulás megáll, és újra megindul az összehúzódás, de ez nem vezet teljes összeomlásra, hanem megáll egy véges hőmérsékletnél (ez a már említett 10²⁴, trillió-trillió fok), és a ciklus újra indul elölről. Újabb, 2002 márciusi tanulmányukban Steinhardt és Turok megírják, hogy több ciklusra átlagolva elméletük Hoyle és Burbidge “Szinte Állandó Állapotú Világegyetem Elmélete” egyfajta újjászületéseként fogható fel, azzal a különbséggel, hogy Hoyle és Burbidge (eredetileg Ambarcumján) modelljében az anyag a galaxismagokban keletkezik, míg Steinhardt és Turok elképzelésében az összeomlás-újratágulás rövid szakaszában.

Mégis, a dolgok mai állását mi sem jellemzi jobban, mint az a tény, hogy Steinhardt, aki társ-szervezője a 2002 novemberében rendezett “Kihívások a standard paradigmával szemben: alapvető fizika és kozmológia” c. konferenciának, nem engedte meg, hogy ezen a konferencián Burbidge-ék részt vehessenek és előadhassák érveiket.

És mit mondhatunk a jövőről? A kozmológia jövőjét szerintem olyan elméletben kell lássuk, amely nem szorul mesterségesen bevezetett, kívülről beadagolt támasztékokra. Az Ősrobbanás elmélete éppúgy, mint a Ciklikus Világmodell, külső segítségre, bemeneti adatokra szorul (ilyenek pl. a sötét energia léte, tulajdonságai). A valóságban azonban a világmodell legfontosabb tulajdonsága kell legyen, hogy nem támaszkodik világon kívüli tényezők segítségére. Ha pedig ez így van, akkor végső soron logikai alapelvekből kell tudni levezetni a kozmológiát! Ezzel pedig egycsapásra kapcsolatot is találunk a belső és a külső világegyetem között, hiszen a logika éppúgy belső, mint külső világunk legalapvetőbb alkotótényezője.

Dr. Grandpierre Attila

csillagász