&#336srobbanás

A legtöbb ember kisgyerek kora óta vonzódik a csillagászathoz. Egy kimutatás szerint a nagyközönség a tudományos hírek közül elsősorban az ilyen hírekre kíváncsi. Vajon mi lehet ennek az oka? Ez az érdeklődés annál is különösebb, mert mai világunk egyre inkább haszon-elvívé válik, és a csillagászat, mint tantárgy nem is szerepel az általános oktatásban.Lehet, hogy a természet iránti érdeklődésünk a belső természetnek, a belső Világegyetemnek is szól? Lehet, hogy ez a kettő összetartozik, lényegében hasonló, vagy éppen azonos? Véges vagy végtelen a Világegyetem? &Oumlrök idők óta létezik a világ, vagy csak egy idő óta létezik? Mióta ember az ember, ezek a kérdések állandóan foglalkoztatnak bennünket.Ha igen, akkor alapvetően rólunk (is) szólnak az univerzum keletkezéséről szóló végső kérdések.

Az ősrobbanás
A huszadik század utolsó évtizedeiben annyira általánosan elfogadottá vált az &#336srobbanás (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 &#336srobbanás 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 értelmezve, és feltételezve, hogy a tágulás folyamatos, az időben visszafelé haladva eljutunk 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 kezdetét? Az &#336srobbanás elmélete felteszi, hogy egészen addig kell visszamennünk, ameddig a Világegyetem összes anyaga egyetlen pontba sírísödik 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 hőmérsékletí testé. Ha az Univerzum tágul, az időben visszafelé persze zsugorodik, és eközben e sugárzás – ha már akkor is jelen volt – sírísödik, energiája nő, ami magasabb hőmérsékletnek felel meg. Ha az Univerzum egy pontszerí térfogatból tágul, hőmérsékletének, energiasíríségének a kezdeti időszakban rendkívül magasnak kellett lennie, és ahogy egy izzó test jellegzetes hősugárzást bocsát ki magából, egy színínek 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, hogy lehíljön. 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 &#336srobbanás utáni háromszázezer évig hőmérsékleti egyensúlyban volt. Ez azt jelenti, hogy a háttérsugárzás magyarázatához elég lenne feltenni, hogy a tágulás a Világegyetem mai méreténél tízezerszer kisebb térfogatból indult.

&Uacutejabb közvetett bizonyíték lehet a tény, hogy a csillagmodell-számítások szerint a Nap és a csillagok anyaga már keletkezésükkor más elemeket is tartalmazott a hidrogénen kívül, elsősorban héliumot (anyaguk több mint egy ötöde héliumból kellett, hogy álljon). Honnan eredhet ez a hélium, ha nem a csillagok magjában lezajló magreakciókból? Az egyik magyarázatot éppen az &#336srobbanás elmélete adhatja. Ha ugyanis az Univerzum anyaga valamikor nagy síríségí és hőmérsékletí volt, olyan magas hőmérsékletet is elért, mint amilyen a Nap magjában uralkodik (több mint tízmillió fok). Akkor 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 &#336srobbanás után mintegy 100 másodperccel állt fenn, és a gyors tágulás és az ezzel járó lehílés 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 síríségnek és hőmérsékletnek kellett uralkodnia. Ekkor már az Univerzum mérete a megelőző gyors felfúvódás miatt mintegy 100 000 fényév.

Érvek a Big Bang mellett
Az &#336srobbanás egy matematikai, tehát kiterjedés nélküli pontból indul, akkor ezzel ellentmondásba kerül 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. S ha ezt az &#336srobbanás elmélete mégis megengedi, akkor semmi akadálya nem lehetne, hogy törvények és meghatározott feltételek nélkül, tetszés szerinti fizikai folyamatok lépjenek fel a Világegyetemben. Ilyenekről nem tud a tudomány. Törvények és meghatározott feltételek nélkül egyetlen folyamat sem képes létrejönni, ez csoda lenne, természetfölötti beavatkozás. A modern tudományban a parancsnoki posztot az okság, a meghatározottság elve foglalja el.

Ennek 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 &#336srobbanást előidézte. Persze, ehhez annak a valaminek az &#336srobbanást megelőzően már léteznie kellett – tehát a Világegyetem (minden létező összessége) nem keletkezhetett az &#336srobbanásban.

Ami a legerősebb bizonyítékot, a háttérsugárzást illeti, Gamow számításai szerint a háttérsugárzásnak 7 és 50 K fok közötti hőmérsékletínek kellett volna lennie. Másrészt, a háttérsugárzás nem bizonyítja magát az &#336srobbanást, 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 porszemeken történő szóródása ugyanilyen háttérsugárzásra vezet.

Hasonlóan, a hélium és a könnyí elemek előfordulása a korai csillagokban nem követeli meg az &#336srobbanás, sőt még egy forróbb állapot létét sem, hiszen ha nem volt &#336srobbanás, akkor korábban is léteztek csillagok, és ezek termelhették ezeket a könnyí elemeket. Lehet, hogy a vöröseltolódás (legalább részben) az Univerzum tágulásából ered. Ma csak mintegy 12 milliárd évre látunk visszafelé az időben, és így a vöröseltolódás még akkor sem bizonyítja magát az &#336srobbanást, ha tényleg túlnyomórészt a Világegyetem tágulása okozza.

Tágul vagy összehúzdik?
&Iacutegy aztán az &#336srobbanás elméletének nemcsak elvi alapja, de úgy tínik, mind a négy pillére, bizonytalan alapokon áll. De talán még ennél is fontosabb, hogy az &#336srobbanás elmélete nem áll összhangban a csillagászati tudásunkkal. Míg az &#336srobbanás elmélete szerint az Univerzum rohamosan tágul, a megfigyelések azt mutatják, hogy a Világegyetem anyaga a Tejútrendszerünkhöz hasonló galaxisokban, és a galaxisokon belül jórészt csillagokban összpontosul. Ezért az &#336srobbanás 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 egyszerre több csillag is keletkezik, rendszerint heves tágulás figyelhető meg. Figyelemre méltó, hogy minél fiatalabbak a csillag-embriók, rendszerint annál nagyobb sebességgel tágul a csillag-bölcső! Igaz, 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. Akárcsak az &#336srobbanás léténél, itt is az a döntő kérdés, honnan indul a folyamat.

S mivel a csillagok keletkezése az összehúzódó köd-modell szerint hideg és ritka ködökből indul, amelyeket nehéz megfigyelni, mert eleinte alig bocsátanak ki fényt, 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 ezek az alapkérdések már eldőltek, hiszen ezek az ellentétek olyan élesnek látszanak, mint a fekete és a fehér ellentéte, és ezeket könnyí megkülönböztetni. Azt hihetnénk, hogy csak a kis részletkérdésekben fordulnak elő nézeteltérések. A csillagászatban éppen a legalapvetőbb kérdésekben a legnagyobb a bizonytalanság.

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-szeríen, 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-szerí anyagkidobást figyeltek meg. Ahol az anyagkidobás egybeesik a spirálkarokkal, a spirálkarok jellegzetesen megtörnek. Ez ismét arra utal, hogy a csóva-szerí anyagkidobás nagy tömegkiáramlást jelent, olyan nagyot, amely esetenként összevethető a szülő galaxis összes tömegével. Viktor Ambarcumján, a világhírí örmény csillagász felfedezései nyomán az 1940-es évektől nyilvánvalóvá vált a tágulásos jelenségek kiemelkedő szerepe a Világegyetemben.

Az univerzum nem változik?
Fred Hoyle és munkatársai már az 1950-es években kidolgozták az &Aacutellandó &Aacutellapotú Univerzum elméletét, amely csak az 1965-ben felfedezett háttérsugárzás nyomán merült feledésbe. Hoyle több alapvető felfedezése mellett maga is lényeges szerepet játszott az &#336srobbanás elméletének kidolgozásában, és állítólag csak azért nem kapta meg 1983-ban a Nobel-díjat, mert attól féltek, hogy Hoyle sokágú és sokszor túlságosan is eredetinek számító eredményeinek túl nagy hangsúlyt adna a Nobel-díj. Hoyle, Burbidge és munkatársai nemrég továbbfejlesztették elméletüket, a Szinte &Aacutellandó &Aacutellapotú 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 égitestével, ha a gravitációs hatás terjedésének is határt szab a fény sebessége. Igaz, Hoyle elmélete is rászorul az anyag keletkezésére, de mivel ebben az elméletben ez meghatározott feltételek között, a galaxismagokban történik, itt nem egy misztikus, hanem egy tudományosan tanulmányozható folyamatról van szó!

A galaxismagok fénysebességí 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 &#336srobbanásból 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 &#336srobbanásra jellemző körülmények között képzelhető el. E rendkívüli energiájú kozmikus sugarak tehát azt az üzenetet hozzák felénk, hogy az &#336srobbanáshoz hasonló folyamatok mostanában és tőlünk nem messze is végbemennek –ezzel azt mondják, hogy a világ keletkezése ma is folytatódik.

A ciklikus világmodell
Tavaly az &#336srobbanás elméletének egyik kidolgozója, Paul Steinhardt és Neil Turok váratlanul új teóriával 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 gyorsítja a tágulást. 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 &#336srobbanás 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 &#336srobbanás elméletét.

Ez a gyakorlatban annyit tesz, hogy megtartják az &#336srobbanás felé mutató alapvető tényeket és értelmezésüket, de, mint fentebb láttuk, ezek mindegyike csak egy bizonyos kezdeti forróságig és síríségig vezethető vissza. Steinhardt és Turok új elméletében ez a kezdeti állapot trillió-trillió fokos (1024 K) hőmérsékletet jelent, azaz az &#336srobbanást a másodperc szinte végtelenül kis töredékéig, 10-30 másodpercnyire közelíti meg. Innen azonban az új elmélet nem az &#336srobbanás felé, hanem azzal szükségképpen ellenkező irányba vezet. Ez pedig azt jelenti, hogy a tágulást összehúzódásnak kellett megelőznie! 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.

&Uacutejabb, 2002 márciusi tanulmányukban Steinhardt és Turok megírják, hogy több ciklusra átlagolva elméletük Hoyle és Burbidge „Szinte &Aacutellandó &Aacutellapotú 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.

Mit mondhatunk a jövőről? A kozmológia jövőjét szerintem olyan elméletben kell látnunk, amely nem szorul mesterségesen bevezetett, kívülről beadagolt támasztékokra. Az &#336srobbanás 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 az, hogy nem támaszkodik világon kívüli tényezők segítségére. Ha pedig ez így van, akkor logikai alapelvekből kell levezetni a kozmológiát! Ezzel egy csapásra kapcsolatot is találunk a belső és a külső világegyetem között, hiszen a logika éppúgy belső, mint külső világunk legalapvetőbb alkotótényezője. §

  • Kant és a végtelen
    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.