Milyen lehetett az ősi univerzum?

Az ősrobbanás elmélete erre a kérdésre olyan választ ad, hogy a kezdeti univerzum elképzelhetetlenül parányi és forró volt, amikor egyetlen matematikai pontba zsúfolódott össze az összes anyag, amelyben ott volt mai univerzumunk sokmilliárdnyi galaxisának minden csillaga. Az elmélet több olyan csillagászati megfigyelésre támaszkodik, ami az elképzelést – abszurditása ellenére is – széles körben elfogadhatóvá tette sok fizikus számára is. Az ősrobbanás elmélete legalább annyi megoldatlan kérdést vet fel, mint amire válaszolni tud. Vonatkozik ez különösen arra a szakaszra. amikor a kezdetek felé haladunk, és a másodperc egyre kisebb tartományain keresztül eljutunk egészen a Planck-időig, ahol a kvantumvilág törvényei megálljt parancsolnak az elméleti fantáziának. Továbbá az is örök probléma marad, hogyan jöhetett létre egyáltalán anyag a semmiből, bár erre a Higgs koncepció megkísérel választ adni, amikor feltételezi az univerzum létrejötte előtti homogén tér szimmetriatörését. Nincs viszont válasz arra, hogy mi idézi elő ezt a szimmetriatörést. Más elméletek megpróbálják elkerülni az ősrobbanás elmélet fenti buktatóit, de annak árán, hogy újabb megválaszolatlan kérdésekbe ütköznek. Ilyen elképzelés az univerzum eredetére a fénysebesség lassulásának koncepciója is, amiről egy korábbi bejegyzés szólt: „Volt-e valójában ősrobbanás, vagy a fény sebessége lassul?”. A mostani bejegyzés ennek az elméletnek alapján kísérli meg, hogy képet rajzoljon az ősi univerzum tulajdonságairól.

Hogyan magyarázhatjuk a távoli galaxisok fényének vöröseltolódását?

Kiinduló pont a távoli galaxisok fényének vöröseltolódása, amelyre plauzibilis magyarázatnak tűnik, hogy minél távolabb van tőlünk egy galaxis, annál nagyobb sebességgel távolodik tőlünk, és így egyre vörösebbé válik a fényük a Doppler effektus analógiájára. E-mögött a magyarázat mögött természetesen ott van, hogy minden galaxis anyaga hasonló a miénkhez, a fizika törvényei ugyanúgy érvényesek, ugyanazok az atomok sugároznak, ugyanakkora energiával és hullámhosszon, mint itt földi körülmények között. Ebben kitüntetett szerepe van a Hidrogén atomnak, illetve magjának, a protonnak, amely univerzumunk túlnyomó részének alkotója. A Hidrogén atom sugárzásának legfontosabb sávját tudjuk legkönnyebben megfigyelni és megállapítani, hogy mennyivel csökken le ennek frekvenciája, amikor ez távoli galaxisokból érkezik. Az atomokból kibocsátott sugárzási sávok energiája me⁴/h²-el arányos a kvantummechanika szerint, ahol m az elektron tömege, e az elemi töltés és h a Planck állandó, vagyis a kibocsátott fotonok energiája független attól, hogy mekkora a fénysebesség. Ugyanez vonatkozik a foton frekvenciájára is, mert az energiát az E_foton = h·f összefüggés adja meg. Fogadjuk el, hogy az ősuniverzumban is ugyanakkora volt az elemi részecskék tömege, töltése és impulzusnyomatéka, viszont ugyanakkor a fény sebessége más lehetett milliárd évekkel ezelőtt, mégpedig sokkal nagyobb mai értékéhez képest

c_ősi >> c_mai

Voltaképp az ősrobbanás elméletében is felmerül a mostani fénysebességnél gyorsabb terjedés lehetősége, amikor arról beszél, hogy a kezdeti felfúvódás (infláció) sebessége sokszorosan meghaladta a fénysebességet. Evvel indokolják, hogy noha az univerzum kora 13,7 milliárd év, a megfigyelhető univerzum mérete mintegy 47 milliárd fényév lehet.

Mi lehet a sötét energia és sötét anyag eredete? 

A fényhullám sebességét frekvenciájának és hullámhosszának szorzata: f·λ = c adja meg. A foton milliárd éves vándorlása során, ha a hullámhossz állandó marad, akkor a frekvencia csökkenés (vöröseltolódás) oka a fénysebesség csökkenése lehet. Ez egyúttal a foton energia csökkenését is jelenti. Hová vész el a foton energiája? Ezt a tér szippanthatja fel, amelyen a foton áthalad hosszú útja során. Mivel az elveszett energia nem látható, így a sugárzási veszteség „sötét” energiát hoz létre. Ha érvényesnek tekintjük a sötét energiára is az energia és tömeg ekvivalencia törvényét: E = m·c², akkor a sötét anyag eredetére is magyarázathoz jutunk. Az ősi univerzum így fokozatosan tölti fel környezetét sötét energiával és sötét anyaggal. Kezdetben, amikor nagy a fénysebesség, csak kevés sötét anyag képződik, ezért a legrégebbi galaxisok kevés sötét anyaggal rendelkeznek. Ebből következtethetünk az ősi galaxisok szerkezetére is: a viszonylag kis tömeg nem tudja megakadályozni a galaxis karok leválását a forgások által kiváltott centrifugális erő kiegyenlítésese révén. Evvel magyarázni tudjuk, hogy miért nincsenek spirális szerkezetűek a legősibb galaxisok között.

A sötét energia koncepciója azért került bele az általános gravitációelméletbe, mert kellett egy kiegyenlítő, taszítóerő, amely megakadályozza, hogy a gravitáció miatt az univerzum önmagába zuhanjon. Kezdetben a kismennyiségű sötét anyag nem tudta ellensúlyozni a sötét energia felfúvó hatását, ezért az ősi univerzum tényleg tágulhatott, hasonlóan az ősrobbanás elméletéhez. Ezt úgy foghatjuk fel, hogy az univerzum inflációja és a fénysebesség csökkenése egymást kiegészítő és felerősítő koncepciók. A különbség az, hogy nem kell a másodperc parányi töredéke alatt bekövetkező robbanást feltételezni, hanem elképzelhető, hogy a nagyobb átalakulásokhoz évmilliárdok kellettek az ősi korszakban is. Későbbi korszakokban a fénysebesség csökkenése miatt képződő nagyobb mennyiségű sötét anyag már visszafogta a tágulást, és a mai univerzum már közel lehet valamilyen stacionárius állapothoz. Emiatt a fénysebesség változása jelenleg oly csekély, amit méréseinkkel nem tudunk kimutatni. Evvel szemben az ősrobbanás elmélet arról beszél, hogy az univerzum gyorsulva tágul, amire abból következtet, hogy az ősi galaxisok vöröseltolódása a vártnál is nagyobb. A fénysebesség csökkenésének koncepciója ezt a növekvő mértékű vöröseltolódást az univerzum ősi korszakának megnövelt fénysebességére vezeti vissza.

Hogyan jött létre a mikrohullámú háttérsugárzás?

A legfontosabb érvet az ősrobbanás elmélete mellett a mikrohullámú háttérsugárzás megfigyelése jelenti. Ezt a sugárzást, az elmélet úgy magyarázza, hogy a kezdeti forró univerzum fokozatos lehűlése során eljutott abba az állapotba, amikor már létrejöttek a negatív töltésű elektronokból és a pozitív atommagokból, mindenekelőtt protonokból, álló semleges atomok. Előtte a kaotikusan áramló töltések elnyelték a fényt, az univerzum átláthatatlan volt. A semleges atomok kialakulása megszüntette ezt az állapotot, a csapdába esett fény kiszabadult és ez hozta létre a mikrohullámú háttérsugárzást. Mint már említettük az ősi szakaszban a fénysebesség lassulása is kiválthatott tágulást és evvel együtt az univerzum anyagának lehűlését, és így létrehozhatott háttérsugárzást.

Mennyire változtatja meg az anyag szerkezetét, ha nagyobb a fénysebesség?

Mi lehetett a hatása a nagyobb fénysebességnek a fizikai objektumok méretére? Földi világunkban az atomok közötti kötéstávolság határozza meg a méreteket, amelynek nagyságrendjét az a₀ = ħ²/me² Bohr-sugár határozza meg. Ez sem függ a fénysebességtől. Azt is feltételezhetjük, hogy a gravitáció, valamint a nukleáris erős és gyenge kölcsönhatás sem volt más, ezért a már kialakult csillagok világa is hasonló szerkezetű lehetett. Van valami, ami mégis más lehetett: ez pedig a mágneses kölcsönhatás. Az áramló töltések által keltett mágneses mező az I·F/c szabállyal írható le, ahol I az áramerősség F az áram által bejárt terület. Ezért ugyanakkora elektromos áram a nagy fénysebesség miatt jóval gyengébb mágneses mezőt hozhatott létre. Ugyanez érvényes az elemi részecskék, így az elektron, mágneses-nyomatékára is. A relativisztikus effektusok is a sebesség c-hez mért arányától függenek, emiatt az ősi univerzum kevésbé lehetett relativisztikus. Ha előre tekintünk a távoli jövőbe, akkor sokkal relativisztikusabb univerzumot képzelhetünk el. A relativisztikus hatások kismértékben módosítják az atomok színképét is. Ha a távoli galaxisok színképében több sávot detektálhatnánk, akkor ez a hatás kimutatható lenne, de mivel többnyire csak egy sávot tudunk követni, így nincs olyan információnk, amivel bizonyíthatnánk a fénysebesség nagyobb értékét távoli galaxisokban.

Hogyan jött létre az univerzum?

A bejegyzésben ősi univerzumról és kezdeti tulajdonságokról volt szó, de mit értünk az ősiség és mit kezdetek alatt? A fénysebesség lassulásán alapuló kozmológia nem keletkezési vagy teremtéselmélet, így eltérően az ősrobbanás koncepciójától, nem beszélhetünk az univerzum tényleges koráról sem. Tekinthetjük azonban ősinek a nagyságrendben 10 milliárd évvel ezelőtti állapotot, amikor jelentősen nagyobb lehetett a fénysebesség. Ennek a korszakfüggő fénysebességnek azonban nincs felső határa, amely kijelölhetné a kezdeteket, csak arról beszélhetünk, hogy minden állapot előtt volt még valamilyen korábbi állapot is. De meddig mehetünk el így visszafelé? Esetleg feltételezhetjük, hogy ennek nincs is határa, hogy az univerzum mindig létezett? Ha azonban az entrópia növekedés törvényére gondolunk, akkor a végtelen idő már el kellett volna, hogy hozza a „hő-halált”. Persze csak akkor, ha az univerzum véges, mert végtelen kiterjedésű objektumra nem vonatkozik az entrópia-növekedési törvény. Ha tehát örök életű univerzumban gondolkozunk, akkor annak végtelenül nagynak is kell lenni!

Lehetnek-e az univerzumnak tágulási és összehúzódási ciklusai? 

 A gondolkozási csapdából úgy is kijuthatunk, ha periodikus kozmológiát képzelünk el. Az ősrobbanás elméletben az egyetlen pontból kitáguló univerzum egyszer csak eléri maximális méretét, majd zsugorodni kezd, amíg újra egyetlen pontba tömörül, majd innen újra kezdi a növekedést. Ennek mintájára a fénysebesség is változhat periodikusan, amely összekapcsolódhat az univerzum ciklikus tágulási és összehúzódási folyamataival. A tágulási ciklus kezdetén még kevés a sötét energiával együtt járó anyag, de ennek mértéke fokozatosan növekszik, amíg képes lesz a nagyobb gravitációs vonzóerő a tágulást leállítani. Ezután megfordul a ciklus, a sötét anyag mértéke csökkenni kezd, ahogy növekszik a fénysebesség, és így az univerzum hatalmas rúgója eljut a szélső összenyomott állapothoz. Innen indulhat el az újabb tágulási ciklus. Tehát elképzelhető, hogy a sötét energia és anyag az univerzum nagy átalakulásainak mozgatója, attól függően, hogy mikor kap energiát a fotonoktól, és mikor adja azt vissza. Ilyen és hasonló elgondolásokat tehetünk, de legyünk vele tisztában, hogy ez csak spekuláció, mert bizonyításra, vagy cáfolatra nincsen mód.

De miről is van szó, amikor olyan fogalmakat használunk, mint a végtelen, vagy beszélünk a világ keletkezéséről? Valójában minden megfigyelésünk véges, akár időben, akár térben. A végtelenről beszélni csupán extrapoláció: feltételezés, hogy bármilyen messzire is jussunk, még az után is van valami. Mi születünk, élünk és meghalunk, de ez vonatkozik minden földi élőlényre, az emberiség létére, sőt magára a Földre is. Erre alapozzuk a végesség fogalmát, és ezt keressük az univerzum sorsában is. Viszont minden extrapoláció veszélyes, hiányzik belőle a bizonyíthatóság kritériuma. Így bármit is gondoljunk az univerzum sorsáról, nem juthatunk túl egy bizonyos határon, nyitott kérdések mindig maradni fognak.

A blog további írásai elérhetők:  „Paradigmaváltás a fizikában”