Pillantás a múltba – Az univerzum évmilliárdjai 1. rész

Sokszor nem is érzékeljük a tudományos ismeretek bővülésének lélegzetelállí­tó sebességét, amelyre jó példa a világegyetem szerkezetét és fejlődését kutató kozmológia 20. századi előrehaladása. Háromrészes cikksorozatunkban az elmúlt alig száz évre tekintünk vissza. Hogyan fedezték fel az univerzum tágulását? Mi az ősrobbanás? Milyen megfigyelési bizonyí­tékok sorakoztathatók fel mellette? Mit tud, és mit nem tud ma a tudomány a világegyetem múltjáról, jelenéről és jövőjéről?


Edwin Hubble

Egy évszázad még egy ember életével összemérve sem túlságosan hosszú idő. Manapság minden érdeklődő iskolás tisztában lehet vele, hogy bolygórendszerünk központi csillaga, a Nap egy galaxisban található. Ez a galaxis, a Tejútrendszer csak egy a hasonló csillagvárosok végtelennek tűnő sokaságában. A galaxisok pedig minél messzebb vannak, annál gyorsabban távolodnak egymástól. Ami mára széles körben elfogadott tudományos ténnyé vált, azt száz évvel ezelőtt még a legkiválóbb csillagászok sem
tudták: mi van a Tejútrendszer határain túl, hogyan keletkezett és fejlődött a világegyetem? Pedig addigra már rég megépült a Szuezi-csatorna, megszületett a motoros repülés, és sorozatban gyártották a Ford T-modellt, az első sokak számára megfizethető autót. Az emberek elérték a Déli-sarkot, Magyarországon megkezdődött a vasútvonalak villamosí­tása. Albert Einstein megalkotta a relativitáselméletet, Max Planck a kvantummechanikát, Alfred Wegener felismerte a kontinensek vándorlását.

Albert Einstein és Georges Lemaí®tre


Elsőre kicsit nagy falatnak tűnhet a kozmikus időskálán egy szempillantásnál is rövidebb múltra visszatekintő emberiségnek, hogy felgöngyölí­tsük az egész világegyetem történetét. A vállalkozás mégsem lehetetlen. A tudomány előrehaladásának legfőbb mozgatórugója, a kí­váncsiság kétségtelenül megvan bennünk. A kozmológia végső soron ugyanúgy működik, mint a természettudomány más területei: összegyűjti a megfigyelési tényeket, ezek alapján elképzeléseket fogalmaz meg, elméleteket állí­t fel. Felhasználja, esetenként finomí­tja a fizika, a csillagászat már ismert törvényeit. Kérdéseket tesz fel, amelyekre válaszokat keres, a modellek jóslatait pedig összeveti az újabb megfigyelések eredményeivel.



Vigyázat, robbanunk!

Ezt a hangzatos cí­met adta Karinthy Frigyes annak a riportjának, amely Az Est cí­mű lap 1933. augusztus 5-ei számában jelent meg. „Szűkebb világmindenségünk, az úgynevezett Tejútrendszer, ez a lencse alakú csillaghalmaz, a maga háromszázmillió (valójában háromszázezernél is kevesebb - a szerző) fényévnyi átmérőjével, mialatt az olvasó reggelijét fogyasztja, húszezer kilométeres sebességgel rohan a legközelebbi, hasonló méretű rendszer felé.

De soha nem fogja utolérni, ne tessék félni.  
Az a ma ismert harmincmillió hasonló rendszer egyre fokozódó sebességgel száguld kifelé, el egymástól, egyre fokozott távolságba kerül egymástól és valami ismeretlen központtól - a Világot egy Heckmann nevű tudós tavaly felrobbant bombához hasonlí­totta, amelynek részecskéi éppen most repülnek szerte a sötétség és üresség kárpitja felé."

Karinthy olyan í­ró volt, aki élénken érdeklődött a műszaki és természettudományos újdonságok iránt. Az idézett riportot a svábhegyi csillagvizsgálóban készí­tette, a téma pedig egészen új volt: Edwin Hubble csak 1929-ben publikálta felismerését, hogy a galaxisok - amelyekről csupán néhány évvel korábban vált világossá, hogy nem a Tejútrendszer részei, hanem sokkal távolabb vannak - szí­nképvonalainak vöröseltolódása arányos a tőlünk mért távolságukkal (erről bővebben a keretes í­rásunkban olvashatnak). A vöröseltolódás nem más, mint a galaxisok szí­nképében megjelenő, egyes kémiai elemek által kibocsátott keskeny szí­nképvonalak hullámhosszának megváltozása a laboratóriumban mérhető értékhez képest, amiatt, mert az adott galaxis távolodik tőlünk. A távolodó hullámforrás esetében a hullámhossz megnövekszik - ahogyan mélyebbnek halljuk a mellettünk elsuhanó mentőautó szirénájának hangját is. A hasonlat mégis egy kicsit sántí­t, hiszen a távoli galaxisok esetében nem „elsuhanásról" van szó, hanem - mint később látni fogjuk - a közöttünk levő tér válik egyre „tágasabbá" az idő előrehaladtával. 


Hubble 1929-es cikkében a galaxisok vöröseltolódása alapján mért távolodási sebessége km/s-ban mérve, a tőlünk mért távolság függvényében. Ez utóbbit a csillagászok által használt parszekben (1 parszek = 3,26 fényév), milliós egységekben mérte fel. Maga az arányosság, amit Hubble annak idején megállapí­tott, számszerűen igencsak eltér a modern mérésektől, de a felismert jelenség fontosságát sokan Kopernikusz és Galilei világképformáló felfedezéseihez hasonlí­tják



A galaxisok univerzális távolodása lett a táguló világegyetem első kí­sérleti bizonyí­téka. Érdemes azonban megemlí­teni, hogy elméleti úton már korábban megjósolták a világegyetem tágulását - és erről Hubble-nek fogalma sem volt. Einstein 1915-ben tette ugyanis közzé általános relativitáselméletét a gravitáció leí­rására, aminek következménye az univerzum tágulása vagy összehúzódása volt. Először egy fiatal orosz matematikus, Alexander Friedmann (1888-1925) szolgáltatott hozzá megoldásokat egy homogén (vagyis nagy léptékben egyenletes anyageloszlású) és izotróp (minden térbeli irányban ugyanolyan) univerzum leí­rására. Ahogy abban a korban szinte mindenki, úgy Einstein is feltételezte a világegyetem állandóságát, í­gy egyenleteibe beleí­rt egy állandót, amellyel ezt biztosí­totta. Évekkel később, a táguló univerzumra utaló csillagászati megfigyelések hatására ezt a kozmológiai állandót élete legnagyobb tévedésének nevezte. Kiderül majd, hogy az mégsem volt akkora tévedés, de ne szaladjunk ennyire előre a történetben.  

A kozmológia évszázada

Láthatjuk tehát, hogy a 20. század elején a tudomány fejlődésének különös szeszélye folytán egymással párhuzamosan, és kezdetben egymástól függetlenül születtek olyan meghatározó elméleti felismerések és megfigyelési eredmények, amelyek elindí­tották diadalútján a kozmológiát. De hogyan is állt össze a különféle hozzávalókból a mai világképünket meghatározó kozmológiai modell?  

Ha elfogadjuk a Hubble-Lemaí®tre-törvény megfogalmazta megfigyelési tényt, hogy a világegyetem nagy léptékben tágul, és a galaxisok távolodási sebessége arányos az egymástól mért távolságukkal, akkor az idő kerekét gondolatban visszafelé forgatva arra juthatunk: az egésznek valahol kezdődnie kellett. Ha ez valóban í­gy volt, az univerzum teljes anyaga és energiája egy igen kis helyre összezsúfolva kellett létezzen, olyan extrém fizikai körülmények között, amilyeneket akár elő sem tudunk állí­tani itt és most a Földön.  

Nem volt minden tudós kedvére ez az először 1927-ben Lemaí®tre által javasolt modell. Egyik nevezetes képviselőjük Fred Hoyle (1915-2001), korának nagy hatású kutatója volt. Hoyle az úgynevezett állandó állapotú univerzumban hitt, ahol a galaxisok egymástól való távolodása az anyag folyamatos keletkezésével jár együtt. Ahogy a puding próbája az, ha megeszik, a természettudományos modelleké a kí­sérleti igazolás: ameddig a modell jóslatai összhangban vannak a megfigyelési eredményekkel, addig helyesnek fogadhatjuk el a körülöttünk levő világ leí­rására. Ha nem, akkor ideje finomí­tani rajta, vagy akár teljesen új modell után nézni. Az állandó állapotú univerzum végül nem állta ki a megfigyelések próbáját, de Hoyle nevéhez fűződik a „versenytárs" napjainkra általánosan elterjedt elnevezése. Az ősrobbanás szót (eredetiben, angolul Big Bang, a Nagy Bumm) ugyanis állí­tólag ő használta először egy rádióműsorban, 1949-ben. Az egyesek szerint gúnynévként, Hoyle szerint csupán a képzeletet megmozgató elnevezésként életre kelt kifejezés aztán polgárjogot nyert a népszerű és a szakmai irodalomban is. (Emlékezzünk Karinthy fent idézett 1933-as bulvárlapriportjának cí­mére is, amelyben már szerepelt a robbanás.) Aligha van valaki, aki ne hallotta volna - ha más összefüggésben nem, legalább a magyar változatban Agymenők (eredeti cí­mén The Big Bang Theory) cí­men futó amerikai tévés komédiasorozat révén.  

Csaknem 10 ezer galaxis közel és távol a Hubble-űrtávcső egyik legérzékenyebb felvételén. A leghalványabbak fénye akkor indulhatott felénk, amikor a világegyetem még csak néhány száz millió éves volt


Ha közel egy évszázad kozmológiai kutatásainak eszenciájaként néhány mondatban össze kellene foglalni, hogy mit is állí­t az ősrobbanás elmélete, valami ilyesmi kerekedhetne ki belőle. Kezdetben volt a Nagy Bumm, amiről ma már 1 százaléknál is pontosabban tudjuk, hogy 13,8 milliárd évvel ezelőtt következett be. Tekintsük ezt a 0 időpontnak. A fizikai tudásunk hatóköre nem terjed ki az univerzum nagyjából 10-43 másodperces (nulla egész, majd a tizedesvessző után az első értékes tizedesjegyig leí­rva még 42 nulla!) korát megelőző időszakra. Ugye ez nem is olyan hosszú, különösen az azóta eltelt csaknem 14 milliárd évvel összevetve? Utána viszont olyan elképzeléseink vannak a történtekről, amelyeknek a különféle következményeit meg tudjuk figyelni közeli és távoli környezetünkben. Az elképzelhetetlenül nagy sűrűségű, nyomású és hőmérsékletű, homogén és izotróp univerzum 10-36 másodperces korától kezdve 10-32 másodpercig egy fázisátalakuláson ment keresztül, amelynek következtében hirtelen exponenciálisan felfúvódott. A tágulás ezután „normális ütemben" folytatódott, miközben folyamatosan csökkent a sűrűség és a hőmérséklet. Még mindig elég fiatal az univerzum, mintegy 10-11 másodpercnél járunk, amikor eljön a kor, hogy az ott uralkodó körülményeket a legnagyobb földi részecskegyorsí­tókban utánozni tudjuk. így már kí­sérletekkel is alátámasztott pontosabb elképzeléseink lehetnek róla. Körülbelül egymilliomod (10-6) másodpercre megszületnek a protonok és a neutronok, azok az elemi részecskék, amelyek a mai atomjaink magját alkotják. Egy másodpercnél járunk, amikor létrejönnek az elektronok és a pozitronok. Az első néhány perc végére pedig már ki is alakul az univerzum kezdeti kémiai összetétele: eldől, hogy a leggyakoribbak a hidrogén atommagjai (a protonok) lesznek, emellett még a hélium- és kisebb mennyiségben a lí­tiumatommagok izotópjai keletkeznek. Bármilyen, a jelenlegi univerzumban létező, lí­tiumnál nagyobb rendszámú elem csak sokkal később, a csillagok fejlődése során jöhetett létre.  

A kezdeti rohamtempó után lelassulnak a világegyetem történetének izgalmas eseményei. Jelentős mérföldkő körülbelül 300 ezer évet követően, amikor a hőmérséklet 3000 K alá csökken, hogy az elektronok és a protonok hidrogénatomokká állnak össze. Egyúttal ekkor válik az univerzum átjárhatóvá az elektromágneses sugárzás fotonjai számára. S valóban, amerre csak nézünk rádiótávcsöveinkkel, ennek a maradványát, a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást - az ősrobbanás másik fő bizonyí­tékát - láthatjuk mindenfelé. Ez az az időpont, amikortól kezdve közvetlen, hagyományos csillagászati megfigyelésekkel információt szerezhetünk a világról, amelyben élünk.  

Kellő óvatossággal elfogadhatjuk az ősrobbanás jelenlegi elméletét érvényesnek, hiszen az összhangban levőnek látszik a megfigyeléseinkkel. Ha a kozmológiát egy római kori mozaik rekonstruálására tett kí­sérlethez hasonlí­tjuk, akkor azt mondhatjuk, hogy az ásatások során felszí­nre hozott mozaikdarabkák szépen beleillenek a kutatók által megalkotott általános képbe. A mozaikunk azonban szükségképpen hiányos, újabb darabkák bukkanhatnak fel. Ezek illeszkedhetnek a többihez, de a jövőben akár az is könnyen előfordulhat, hogy - a hasonlatnál maradva - végül kiderül, nem egy kecskét, hanem egy antilopot ábrázol a mozaikkép. (Az viszont talán már most is nyugodtan kijelenthető, hogy például nem egy halról van szó.)  

Cikkünk következő részében részletesebben is bemutatunk néhány érdekességet abból, hogy mit tudunk ma a világegyetem történetéről és fejlődéséről, ezeket milyen bizonyí­tékok támasztják alá, milyen érdekes történetek kapcsolódnak hozzájuk. A befejező részben pedig megpróbáljuk felvázolni az univerzum jövőjét, valamint felvillantunk olyan kérdéseket, amelyekre a tudománynak ma még nincs egyértelmű válasza. Meglehet, hogy csak a mérések értelmezésének módszertani problémáiról van szó, de az is előfordulhat, hogy alapjaiban forgatják majd fel fizikai tudásunkat az elkövetkező évszázadban!


A celeb és az abbé

Mire ez az í­rás kikerül a nyomdából, már lezajlott a Nemzetközi Csillagászati Unió (IAU) idei bécsi közgyűlése. A világ csillagászainak háromévente megrendezett legnagyobb találkozóján a megalapí­tása századik évfordulóját jövőre ünneplő szervezet ott megjelenő tagjai határozatokat is elfogadnak. Az idei közgyűlés egyik határozatának célja kései igazságot szolgáltatni Georges Lemaí®tre (1894-1966) számára. A belga katolikus pap és fizikus 1927-ben francia nyelven publikálta művét, amelyben egyrészt függetlenül levezette Friedmann korábbi megoldását Einstein egyenleteire, amely leí­rja a táguló világegyetemet. Másrészt megállapí­totta, hogy a galaxisok szí­nképének vöröseltolódásának a tágulás miatt arányosnak kell lennie a távolságukkal. Harmadrészt a szakirodalomból elérhető mérési adatok alapján meg is határozta a tágulás ütemét. Munkája lényegében visszhang nélkül maradt, részben talán azért is, mert a publikáció helye és nyelve miatt kevesekhez jutott el. Pontosabban észrevételt azt kapott rá, magától Einsteintől, aki egy konferencián az elméletet matematikailag helyesnek, de fizikailag értelmetlennek minősí­tette. Érthető okokból ez nem lelkesí­tette Lemaí®tre-t.   A belga abbé cikkében leí­rt harmadik összefüggés éppen az, amit eddig Hubble-törvényként ismertünk. Edwin Hubble (1889-1953) amerikai csillagász a kaliforniai Mount Wilson Obszervatóriumban, korának legnagyobb teljesí­tményű távcsövével, a 2,5 méter átmérőjű lencsés teleszkóppal végezte megfigyeléseit. 1929-ben publikálta cikkét, amelyben a Tejútrendszeren túli „ködök" (mai szóhasználattal galaxisok) távolodási sebességének és távolságának összefüggésére mutatott rá. Ez a közlemény meghozta az áttörést, a táguló univerzum gondolata gyökeret vert a tudományos közvéleményben. Hubble egyébként kora nagy hatású, közismert és népszerű csillagásza volt. Szí­vesen vette volna, ha megkapja a fizikai Nobel-dí­jat, de azt akkoriban csillagászati (asztrofizikai) eredményekért nem í­télték oda - a helyzet azóta már megváltozott, sőt nem egy dí­jat érdemeltek ki a kozmológiát előre vivő kutatók. Hubble emlékét őrzi a rendkí­vül sikeres és közismert, 1990 óta Föld körüli pályán dolgozó űrteleszkóp.   Hubble függetlenül tett felismerésének hatására hamarosan Lemaí®tre is megkapta a neki járó szakmai elismerést. Einstein pedig 1931-ben nyilvánosan is belátta, hogy tévedett, amikor korábban semmibe vette az ősrobbanás elméletét. Az IAU mostani javaslata szerint a Hubble-törvényt ezentúl illendőbb lenne Hubble-Lemaí®tre-törvénynek hí­vni. Meglátjuk, meggyökeresedik-e az új elnevezés. Mindenesetre talán ez az első magyar nyelvű í­rás, ahol ezt alkalmazzuk.



Hozzászólások