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?
 |
 |
Albert Einstein és Georges Lemaí®tre
Vigyázat, robbanunk!
 |
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. így 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.)
