Az Univerzum kialakulásáról és fejlődéséről az ősrobbanás elmélete sok érdekes tényt tárt fel, de legalább annyi a kérdőjel is az elmélettel kapcsolatban. A korábbi bejegyzésben (Az Univerzum korszakváltásai) az elmélet legfontosabb eredményeit foglaltam össze, most viszont egy alternatív magyarázatra hívom fel a figyelmet.

Vöröseltolódás: az ősrobbanás elméletének kiindulópontja

Honnan is indult el az ősrobbanás elmélete? Ennek alapja a távoli galaxisok vöröseltolódása. Hagyományos csillagászati eszközökkel mintegy 70 millió fényév távolságú galaxisok távolságát sikerült megbecsülni. A 10 millió fényévnél nagyobb távolságú galaxisokból érkező fény spektrumvonalai (jelesül a hidrogén alfa vonala) eltolódik a vörös felé és ennek mértéke a távolsággal arányosan növekszik. Ha abból indulunk ki, hogy a fizika törvényei mindenütt azonosak, tehát még a milliárd fényévnyi távolságból érkező fénysugarak tulajdonságait is ugyanazok a fizikai állandók –  így a c fénysebesség és a h Planck állandó  – határozzák meg az Univerzum minden pontjában és minden időben. Továbbá az elemi részecskék tulajdonságai sem térnek el, mint például az elektron tömege és töltése, akkor a vöröseltolódás egyetlen magyarázata az lehet, hogy a távoli galaxisok távolodnak tőlünk és a távolodási sebesség arányosan növekszik a távolsággal. Ez a Hubble-törvény, amely a fény Doppler effektusán alapul. Ahogy a távolodó vonat füttye mélyül – úgy csökken a fény frekvenciája is – amit egy tőlünk távolodó objektum, például egy szupernóva, vagy kvazár bocsát ki. Ez utóbbi a vöröseltolódás, amelynek mértéke árulkodik az égitest hozzánk mért sebességéről.

Az ősrobbanás rendkívüli körülményei

A galaxisok nagy része azonban sokkal jelentősebb vöröseltolódással rendelkezik, mint amit az ismert távolságú galaxisoknál találtak, ezért adódott a következtetés, hogy ezek az égi objektumok már jóval távolabb vannak tőlünk, egyesek akár tíz milliárd fényév távolságra vannak. Ha azonban az Univerzum tágul, akkor a múltban kisebb volt, és ha elég távol megyünk vissza a múltba – ez a mai elmélet szerint 13,7 milliárd év – akkor az egész Univerzum egyetlen pont lehetett. Így jutunk el a Lemaître által megfogalmazott ősrobbanás elméletéhez. Az alapgondolat elképesztő következményekkel jár. Egyetlen galaxisban milliárd csillag van és a galaxisok ismert száma kétmilliárd körüli. Ennek hatalmas tömege és energiája egyetlen parányi pontba sűrítve! Micsoda hatalmas hőmérséklet és anyagsűrűség felel ennek meg! Ilyen körülmények között nem lehettek atomok és molekulák, sőt az atommagot alkotó protonok és neutronok sem maradhatnak fent, csak egy ősi plazma állapot, amelyben a kvarkok és gluonok kavarogtak. De a tágulás lehűtötte az Univerzumot, és amikor ennek során az atomok létrejöttek a fény kiszabadult az átláthatatlan plazmából és bevilágította a világot. Ennek nyomát figyelhetjük meg a kozmikus mikrohullámú háttér sugárzásban, amelynek megfigyelése az ősrobbanás elméletének legfőbb bizonyítéka.

Az Univerzum inflációja és a gyorsulva tágulás

Az ősrobbanás matematikai modelljét Friedman hozta létre felhasználva Einstein általános gravitációs elméletét. Ennek taglalásával foglalkozott a korábbi bejegyzés (Az Univerzum korszakváltásai). Az elmélet finomítása vezetett ahhoz a következtetéshez, hogy a távolodás sem egyenletes, hanem gyorsul a távolság függvényében. Fontos előrelépés volt, hogy az ősrobbanás korai szakaszában, a becslések szerint 10^-36 és 10^-32 másodperc között, az Univerzum a fénysebességét nagyságrendekkel meghaladó tempóban felfúvódott, ez az infláció jelensége. A modellt összevetve csillagászati megfigyelésekkel meghatározták az Univerzum sugarát is, amit 46,6 milliárd fényévre becsülnek. Ez azért meglepő, mert a 13,7 milliárd év alatt csak akkor növekedhetett meg ekkorára az Univerzum, ha a növekedés sebessége átlagban háromszorosa volt a fény sebességének. Ezt úgy értelmezik, hogy a speciális relativitáselmélet által szabott korlát csak az anyagi objektumok mozgására érvényes és nem a tér tágulására, amelyben a galaxisok elhelyezkednek.

A vöröseltolódás magyarázata a fénysebesség változásával

Ez volt idáig a jelenleg elfogadott ősrobbanás-elmélet ismertetése. De most tegyük fel a kérdést, vajon nem adhatunk-e más magyarázatot a vöröseltolódásra, vajon kizárólag a tágulási elmélet magyarázhatja a csillagászati megfigyeléseket? Már az ősrobbanás elmélete is elvezetett ahhoz a gondolathoz, hogy a kezdetekben a tágulási sebesség sokkal nagyobb volt, mint a fénysebesség. Kézenfekvőnek tűnik a feltevés, talán maga a fénysebesség sem állandó! Persze ez ellenkezik jelenlegi tapasztalatainkkal, amit a speciális relativitáselmélet vesz alapul, de ismereteink csak a földi körülményekre vonatkoznak és csak mintegy száz év megfigyeléseit összegzik. De mi volt milliárd évekkel ezelőtt? Nem könnyebb azt elképzelni, hogy akkor a fény sokkal gyorsabban száguldott, mint elfogadni, hogy az egész Univerzum egyetlen parányi pont volt? Ez a lehetőség elég kézenfekvő ahhoz, hogy megnézzük a feltevés következményeit. Ha a fénysebesség az időben változik, akkor ezt legkönnyebben egy exponenciális függvénnyel írhatjuk le, amely a messze múltban gyorsan növekedett, de napjainkban már a görbe kisimult. Jelöljük a mai fénysebességet c₀-al és egy T₀ időállandóval jellemezzük az exponenciális változást:

Az időállandó nagyságrendjét az ősrobbanás által javasolt 13,7 milliárd év adja meg, ezért T₀ legyen 10 milliárd év. Ez azt jelenti, hogy tízmilliárd évvel ezelőtt a fény sebessége a mostaninál 2,718-szor volt nagyobb. Határozzuk meg, hogy az így változó fénysebesség mekkora vöröseltolódást okoz!  Tételezzük fel, hogy a fénysebességtől eltekintve a többi természeti állandó nem változott az Univerzum fejlődése során, tehát azonos maradt a Planck állandó, az elektromos töltés és az elektron tömege is. Az atomok energiáját meghatározó állandó:

nem függ a fény sebességétől. Szintén független c-től az atom két állapota közötti ugrás frekvenciája, hiszen a fotonok energiája hν = E. A nagyobb fénysebesség miatt viszont megnövekszik a hullámhossz, hiszen λν  = c, azaz λ = c/ν. Abban a tartományban, ahol a Hubble-állandó meghatározása történik (maximum 70 millió fényév) a T/T₀ érték kisebb, mint egyszázad, amiért az exponenciális függvény  lineáris összefüggéssel közelíthető, azaz a vöröseltolódás mértéke arányos lesz a távolsággal. A lineáristól való számottevő eltérést az 1 milliárd fényév távolságú galaxisoknál kapunk, hasonlóan az ősrobbanás gyorsulva táguló Univerzumot feltételező koncepciójához.

Megfigyelhető-e vöröseltolódás a Tejút csillagainál?

Megfigyelhetjük-e a vöröseltolódást a Tejút csillagjainak fényénél? A Tejút sugara 100 ezer fényév, amiért T/T₀ nem nagyobb, mint 10^-5. Ezt a hatást azonban elfedi a csillagok illetve a Föld mozgása miatti Doppler effektus. Például a Föld Nap körüli mozgásának sebessége 30 km/sec, azaz négy nagyságrenddel kisebb, mint a fény sebessége. Emiatt ez a Doppler-hatás nagyságrenddel haladja meg a fénysebesség változása miatti vöröseltolódást.

A változó sebességű fény útja

Ha a fénysebesség változik, akkor nagyobb utat tesz meg a fény, mint amit a jelenlegi fénysebesség alapján számolhatunk. Integrálva a fényutat:

Ha T = 1,5T₀, akkor a fény több mint háromszor nagyobb utat tesz, mintha állandó lenne a sebessége. A Tejúton belül, ahol T/T₀ nagyon kicsi, a fenti összefüggés elvezet a fénysebesség állandóságának jól ismert törvényéhez, mert ebben a közelítésben a megtett út: s = c₀T.

Hová kerül a fény elvesztett energiája?

A fénysebesség csökkenése azt jelenti, hogy a milliárd évekkel korábban kibocsátott foton energiája lassan csökkenni fog. Ez abból következik, hogy mai Univerzumunkban a kisebb c₀ sebesség határozza meg a                 ν = c₀/λ frekvenciát és a hozzá tartozó E = hν energiát. De hová kerül az elvesztett sugárzási energia? Ez feltölti a teret és megjelenik a sötét energia formájában! A sötét energia tehát az Univerzum múltjának hozadéka és forrása annak az erőnek, amely biztosítja az Univerzum egyensúlyát. Einstein eredetileg stacionárius világképben gondolkozott, ezért gravitációs egyenletébe felvett egy antigravitációs tagot, amellyel ellensúlyozta a gravitációs erőt és az Univerzum összeroppanását. Később Einstein a táguló Univerzum koncepciója miatt ezt a feltevést élete legnagyobb tévedésének nevezte, de aztán a gyorsulva tágulás elve miatt az antigravitációs tag mégis elfogadásra került az ősrobbanás elméletében. A fénysebesség csökkenésének koncepciója ennél tovább megy, mert kézenfekvő magyarázattal szolgál a sötét energia eredetére. Ebben a modellben az Univerzum stabilitását az biztosítja, hogy a sugárzás révén a korábbi Univerzum feltölti energiával a későbbi világot éppen annyival, amennyi szükséges a változatlan szerkezet fenntartásához.

Mikrohullámú háttérsugárzás

De hogyan értelmezhetjük a mikrohullámú háttérsugárzást? Ha az Univerzum kiterjedése véges a térben, akkor annak határánál sokkal nagyobb a fénysebesség, amiért az onnan érkező fény frekvenciája oly mértékben csökken, hogy az atomok által kisugárzott energiát leviszi egészen a mikrohullámú tartományba.

És mikor jött létre az Univerzum? Erre a kérdésre az ősrobbanás elmélete határozott választ kíván adni, amikor 13,7 milliárd évről beszél. De hogyan jöhet létre a semmiből az anyag? Ha nincs Univerzum, akkor mivel skálázhatjuk az időt és a teret? Ebben az állapotban nincs értelme az idő fogalmának. A fénysebesség csökkenésének koncepciója elkerüli ezt a logikai csapdát, hiszen nem ragaszkodik a kezdetekhez, a T/T₀ érték tetszőlegesen nagy lehet.

Mérhető-e a fény lassulása?

Tekintsünk most a jövő irányába! Ha a múltban gyorsabban haladt a fény, akkor a jövőben lassulni fog. Mennyire? Ezt is megmondja az exponenciális szabály. Például száz év múlva 100/10¹⁰ = 10^-8 mértékében lesz kisebb. A c₀ = 299 792 458 m/s fénysebesség mérési pontossága 4·10^-9, ezért esély van rá, hogy a jövőben kísérleti adathoz jussunk a fénysebesség változásának üteméről.

Melyik világmodell a helyes?

A csillagos ég a távoli múlt üzenetét hozza el hozzánk, ennek eszköze a vöröseltolódás. Ezt értelmezhetjük különböző módon, akár az Univerzum tágulásával és az ősrobbanás koncepciójával, akár a fénysebesség változásával. Azt már az olvasóra bízom, hogy ki-ki maga döntse el, melyik elképzelést tartja elfogadhatónak.

A blog további írásainak összefoglalása a linkekkel együtt megtalálható a „Paradigmaváltás a fizikában” című bejegyzésben.