Az ősi univerzum fizikai törvényei sem voltak mások, mint a maiak, csak a mértékegységek térnek el

Óriások laknak a házban, de nem csak ők hatalmasak, hanem hatalmasak székeik, asztaluk is, szintén nagy tányérokból esznek és nagyok az evőeszközeik, sőt az ételük is. Minden nagy körülöttük. Egyszer csak zsugorodni kezdenek, velük együtt zsugorodnak a tárgyak is. Minden kisebb lesz, egyet kivéve: a házuk ugyanakkora marad. Mit fognak gondolni az óriások? Észre veszik-e hogy kisebbek lettek? Aligha, hiszen velük együtt minden zsugorodik. Csak egy dolog fogja meglepni őket: a ház falait egyre távolabbinak látják, és egyre magasabbnak tűnik a plafon is. Ekkor gondolkozni kezdenek és megalkotják a ház tágulási elméletét. De nem állnak meg itt, mert arra a következtetésre jutnak, hogy a ház korábban kisebb lehetett, és a valamikor távoli múltban csak egyetlen matematikai pont volt az egész.  Így alkotják meg a ház ősrobbanás elméletét.

Milyen lehetett az ősi univerzum?

Vessünk egy pillantást az ősrobbanás elméletére. Abból indul ki, hogy a kezdeti univerzum elképzelhetetlenül parányi és forró volt, ekkor 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.

Induljunk azonban el egy másik irányból: hátha a zsugorodó óriások mi magunk vagyunk, és a növekvő univerzumról alkotott képünk csupán látszat. A mi házunk az egész univerzum több milliárd galaxisával, amelynek növekedésére azért következtet az ősrobbanás elmélete, hogy értelmezze a galaxisokból érkező fény távolsággal növekvő mértékű vöröseltolódását. De okozhatja a vöröseltolódást az is, ha a messze múltban, sok-sok millió, sőt milliárd évvel ezelőtt gyorsabban haladt a fény. A fénysebesség lehetséges változását jellemezzük egy arányossági tényezővel:

η = c_ősi/c_mai >> 1.

Érdemes megjegyezni, hogy bár az ősrobbanás elmélete nem beszél a fénysebesség változásáról, de c-nél sokkal gyorsabb tágulási sebességről van szó az univerzum inflációs szakaszában. Evvel kívánják magyarázni, hogy noha az univerzum korát 13,8 milliárd évre teszik, a megfigyelhető univerzum méretére 47 milliárd fényévet állapítanak meg.

A továbbiakban azt vizsgáljuk, vajon hogyan alakulnak a fizika törvényei egy olyan világban, ahol a fény a mainál gyorsabban halad, és ez a feltevés képes-e legalább olyan jó magyarázatot adni a különböző csillagászati megfigyelésekre, mint az ősrobbanás elmélete. Ennek érdekében vegyük sorra, mi változik meg a fizika törvényeiben, ha η értéke az univerzum története során különböző nagyságú lehet.

Hogyan magyarázhatjuk a távoli galaxisok fényének vöröseltolódását?

Kiinduló pont a távoli galaxisok fényének távolsággal növekvő 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 frekvenciával, 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 a fény 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 nem függ közvetlenül attól, hogy mekkora a fénysebesség. Ez a függetlenség azonban azt is megkövetelheti, hogy a három fizikai mennyiség nagysága független legyen az univerzum korától. Ez a feltételrendszer azonban nem egyeztethető össze a modern fizika legfontosabb felismerésével, a tömeg és energia ekvivalenciájával: E = mc². Ha c változik, akkor ugyanakkora energiához η²-szer kisebb tömeg tartozik. Ez minden elemi részecskére, így az elektronra is érvényes. Így az atomok által kibocsátott energia azonossága megköveteli, hogy e⁴ változása egyenlítse ki az η függést, azáltal, hogy e² a mai értéknél η² arányában nagyobb lehetett. Minthogy sem a kibocsátott foton f frekvenciája, sem energiája nem függ a fény sebességétől, ezért az  E_foton = h·f  kifejezésben a h Planck-állandó is ugyanakkora lehetett az ősi univerzumban.

Mi lehet a sötét energia és sötét anyag eredete?

Az ősi univerzumban kibocsátott foton milliárd éves vándorlása során energiát veszít, hiszen a h Planck-állandó változatlansága miatt a frekvencia megfigyelt csökkenése az energia csökkenésének felel meg. Hová vész el a foton energiája? Ezt a tér szippanthatja fel, amelyen a foton áthalad hosszú útja során. A foton a térben munkát végez, és hatására az üres euklideszi tér szerkezete átalakul, az einsteini elképzelés szerint a térkoordináták görbültek lesznek, amely gravitációs erőként nyilvánul meg. Mivel az elveszett energia nem látható, így a sugárzási veszteség „sötét” energiát hoz létre. Az univerzum sötét energiája és sötét anyaga nem két független fizikai entitás, mert összekapcsolódnak az E = m·c² ekvivalencia törvény által, és ezért a sötét anyag eredetére nem kell más utat keresni. Az ősi univerzum fokozatosan tölti fel környezetét sötét energiával és sötét anyaggal, de a kettő aránya koronként változik. Kezdetben, amikor nagy a fénysebesség, kevés a sötét anyag részaránya, és emiatt a legrégebbi galaxisokban kevés volt a sötét anyag. Ebből következtethetünk az ősi galaxisok szerkezetére is: a viszonylag kis tömeg nem tudja megakadályozni a galaxis „karjainak” leválását, mert nem elég a gravitációs erő a forgások által kiváltott centrifugális erő kiegyenlítéséhez. Evvel magyarázni tudjuk, hogy miért nincsenek spirális szerkezetűek a legősibb galaxisok között.

A fizikai dimenziók változása η függvényében

Mi lehet a nagyobb fénysebesség hatása a fizikai objektumok méretére? Földi világunkban az atomok közötti kötéstávolság határozza meg a méreteket, amelynek nagyságrendjét az a₀ = ħ²/me² Bohr-sugár határozza meg. Amint korábban írtuk, az m tömeg η²-tel fordítva arányos, míg e² arányos η –val, így a Bohr-sugár is η mértékében volt nagyobb az ősi univerzumban. Ez azt is jelenti, hogy az e²/r potenciális energia c értékétől független fizikai mennyiség. Az atomok relativisztikus effektusát az a = e²/ħc = 1/137 Sommerfeld-állandó határozza meg. Ez sem függ η értékétől, így az ősi univerzum atomjai még a relativisztikus korrekciók figyelembevétele esetén is pontosan akkora energiával rendelkeznek, mint ma. Mivel az atomok közötti kötéstávolság a Bohr-sugár nagyságrendjébe esik, így minden objektum nagyobb lehetett, azaz hosszabb volt méterrudunk is! Az ősi univerzum mérete akkor is kisebbnek látszhatott, ha a ma használt hosszúságegységben kifejezve nem is változott valójában a galaxisok közötti távolság. Ennek oka, hogy hosszabb volt a méterrúd!  Ez a felfogás megfordítja az univerzum tágulásának koncepcióját, mert nem az univerzum tágul, hanem a benne létező objektumok mérete csökken.

Most képzeljük magunkat az ősi univerzumba, ahol egy Föld jellegű bolygón élünk és a központi csillagunk is a Naphoz hasonló. Itt a hasonlóságon azt értjük, hogy az égitestek atomjainak száma megegyezik. Az előbbiek értelmében ekkor minden arányosan nagyobb lesz, és ez vonatkozik a központi csillagtól való távolságra is. Ezt persze nem vennénk észre, mert mi is nagyobbak lennénk. Mi annak a feltétele, hogy ne változzék az év hosszúsága sem? Kepler bolygómozgási törvénye szerint a forgási körfrekvencia négyzete a távolság harmadik hatványával növekszik:

ω² = GM/R³

ahol G az általános gravitációs állandó. A frekvencia, azaz annak reciproka, a keringési idő, akkor lesz változatlan, ha G arányos η ötödik hatványával. Ez abból következik, hogy a csillag tömege η²-szer kisebb, a távolság pedig a harmadik hatványon van. Ekkor bolygónk felszínén az m tömegre ható erő F = GMm/R² (itt most M és R a bolygóra vonatkozik) η-szor kisebb lesz. Könnyebb lenne emiatt mozogni a bolygón? Nem, mert arányosan nagyobb utakat kell megtennünk, és így az elvégzendő munka épp annyi lenne a bolygón, mint itt a Földön. Könnyebb lenne ugyanakkora gyorsulást elérni a kisebb tömeg miatt? Persze igen, de akkor a sebességet és gyorsulást is a nagyobb méretekhez igazítanánk. Saját testünkhöz mért egységrendszerünk (a távolság és a tömeg) úgy változna, hogy a mechanika törvényei olyanok maradnának, ahogy itt a Földön már megszoktuk. Sőt a c sebesség is ugyanúgy 300 000 km/s lenne a méterrúd nagyobb hosszúsága miatt. Úgy változna tehát a fénysebesség, hogy azt észre sem vennénk! Nem lenne más a relativitáselmélet sem, mert a mozgások v sebessége c-vel együtt arányosan változna. A kvantummechanikát sem érinti, hogy mekkora a c. Például az impulzus és helymeghatározás határozatlansági relációja is változatlanul érvényes marad, mert az impulzus hibájának η-val csökkenő mértékét kiegyenlíti a pozíció megnövekedett hibája. A magfizikát sem érinti, hogy mekkora a c. Itt az erős, a gyenge és az elektromágneses kölcsönhatás aránya határozza meg a viszonyokat. Ha a két nukleáris kölcsönhatás erőállandója szintén e²-tel arányosan változik, akkor a magfizika törvényei azonosak lesznek. Itt sem az erő számít, hanem a potenciális energia, amíg az erőt a fénysebesség skálázza, a potenciális energia már független tőle. Ennek azért van jelentősége, mert emiatt a csillagok sorsa sem volt más a messze múltban.

De mégis mi az, ami az ősi univerzumban más lehetett? Nézzünk fel a csillagos égre, hogy ezt eldöntsük! Ha a Naprendszerben minden bolygó távolsága η mértékében nagyobb lenne, nem látnánk különbséget, mert a hosszabb utakról jövő fény a nagyobb sebesség miatt ugyanakkor érkezne meg. De mi van galaxisunk csillagaival, mi van a távoli galaxisokkal? A Tejúton belül nem figyelhetünk meg olyan vöröseltolódást, amely ne lenne magyarázható a csillagok mozgásával a galaxison belül, ezért ahogyan csökken a Naprendszer kiterjedése, úgy zsugorodik saját galaxisunk, és hasonlón változhat a többi galaxis mérete is. Eltérő viselkedést csak a távoli galaxisok távolságától várhatunk, ahonnan a fény már kisebb frekvenciával érkezik. Ha ezt a jelenséget a fénysebesség lassulásával magyarázzuk, akkor már nem indokolt, hogy feltételezzük a galaxisok közötti távolság növekedését is. Ebben az esetben az ősi univerzum nagyobb galaxis sűrűsége csak látszólagos, a hosszabb méterrúd következménye. Az univerzum sok galaxist átfogó tartományában a galaxisok száma a rúdhosszúság, azaz a fénysebesség harmadik hatványával növekszik, ezért az ősi univerzum csillagászai nagyobb galaxis sűrűséget számlálhattak össze.

Galaxisunk mérete jóval nagyobb volt a távoli múltban, ezáltal látszólag közelebb volt hozzá a többi galaxis. Ezért, ha akkor a csillagos égre tekinthettünk volna, sokkal világosabb lett volna az ég. A távoli múltban lehetett olyan állapot is, amikor összenőttek a galaxisok, és a nagy sűrűség miatt az univerzum felforrósodott. Tehát a fénysebesség változáson alapuló modell szerint is lehetett olyan forró állapot, amikor elszakadtak az elektronok az atommagtól, és a töltések kaotikus áramlása elnyelte a fényt. Később az univerzum tágulni kezdett és lehűlt, a semleges atomok újra létrejöttek és kiszabadulhatott ki a fény. Így az ősrobbanás elmélethez hasonló magyarázatot adhatunk a mikrohullámú háttérsugárzás keletkezésére is.

Zsugorodó és növekvő ciklusok

Két egyenértékű szemléletmódot (mértékrendszert) választhatunk. Állandónak vehetjük az atomok, az ember és a galaxisok nagyságát, ekkor az univerzum tágulásáról, vagy zsugorodásáról beszélhetünk, vagy fordítva: az univerzum (a galaxisközi távolságok) állandóságát fogadhatjuk el, ekkor viszont az atomok mérete fog zsugorodni, vagy növekedni. Az utóbbit tekinthetjük az univerzális, vagy objektív mértékrendszernek, melyben a fénysebesség változásával értelmezzük a galaxisok fényének vöröseltolódását, az előbbi pedig a szubjektív ember-centrikus nézőpont, ami az ősrobbanás elméletéhez vezetett.

.A sötét energia koncepcióját azért vezette be Einstein az általános relativitáselméletbe, mert kellett egy kiegyenlítő taszítóerő, amely megakadályozza, hogy a gravitáció miatt az univerzum önmagába zuhanjon. Az univerzális nézőpontot választva átfogalmazhatjuk a gravitáció és a sötét energia szerepét. Az univerzumhoz igazított mértékrendszerben a gravitációs összeroppanást avval akadályozza meg a sötét energia, hogy korlátot szab az atomok és evvel együtt az egyes galaxisok növekedésének, amelyek így nem juthatnak el a teljes összeolvadásig. Eszerint a sötét energia úgy működik, mint az atomokat összenyomó prés, zsugorítva a fizikai világ objektumait, a gravitáció viszont fordított szerepet játszik: kioldja ezt a prést és hagyja rugalmasan növekedni a fizikai objektumokat.  Évmilliárdokig az összenyomó erő dominál, mert a kis mennyiségű sötét anyag nem tudja ellensúlyozni ezt az erőt, és emiatt csökken minden tárgy mérete párhuzamosan a fénysebességgel. Úgy is fogalmazhatunk, hogy a korai szakaszban, ahol nagyobbak voltak az atomi méretek és kisebb a tömeg, a kis anyagsűrűség miatt a gravitációnak alárendelt szerep juthatott az univerzum történetének alakításában. A lecsökkent fénysebesség viszont már növeli a sötét anyag arányát a sötét energiához képest, és ez a tendencia már mérsékli a zsugorodás tempóját. De hol tart most ez a folyamat? A számítások szerint az univerzum sötét energiája 68%, a sötét anyag 27 %-ához képest. Ha nem változna az univerzum korával a fénysebesség, akkor állandó lenne a „váltószám” az energia és a tömeg között, amiért a sötét energia per sötét anyag arány mindig 50-50 % lenne. A csillagászatilag megállapított domináns sötét energiaarány ezért annak indikátora, hogy az ősi állapotban a mainál tényleg gyorsabban haladt a fény!

Az univerzumot stabilizáló negatív visszacsatolás

A sötét energia dominanciája jelenleg is a zsugorítás irányába hat, ami addig fog tartani, amíg nem éri el a sötét anyag-sötét energia arány az 50-50 %-ot. A jelenlegi zsugorítási szakaszban nő a sötét anyag részaránya, ami érthetővé teszi, hogy miért csupán 5 % a látható anyag mennyisége az univerzumban.

A mozgási tehetetlenség még a sötét energia és sötét anyag hatásának kiegyenlítődése után is tovább lendíti a galaxisok látszólagos – a kisebb fénysebesség miatt megfigyelhető – tágulását, egészen addig, amíg a tovább csökkenő fénysebesség nem vezet el a sötét anyag dominanciájához. Ekkor a gravitációs összehúzó erő már leállítja a fizikai objektumok zsugorodását, vagyis az emberhez igazított mértékrendszer szerint a galaxis távolságok már nem növekszenek tovább, leáll az univerzum „tágulása”, és megindul az összehúzódás. Ebben a szakaszban már a sötét anyag túlsúlya mérséklődni fog a növekvő fénysebesség miatt. Ez addig fog tartani, amíg az univerzum hatalmas rúgója eljut valamilyen szélső összenyomott állapotba, ahol ismét a sötét energia lesz az úr. Ez pedig újraindítja a fizikai objektumok zsugorodását.

Újabb csillagászati megfigyelések szerint az univerzum gyorsulva tágul. Ha viszont a változó fénysebesség modelljét fogadjuk el, akkor tágulás helyett arról beszélhetünk, hogy jelenleg még az objektumok zsugorodásának felgyorsuló szakaszában vagyunk. A fordulópont bekövetkezésére akár még 100 milliárd évet is várni kell.

A pulzáló univerzum ciklikusan változtatja a fénysebességet. A csökkenés fázisa a foton energiájának átadását, a növekvő, annak visszavételét jelenti a térből. Az előbbi vöröseltolódást és az objektumok méretcsökkenését, az utóbbi kék-eltolódást és az objektumok méretnövekedését hozza magával. A sötét energia és sötét anyag arányának változása negatív visszacsatolásként stabilizálja az univerzumot, és nem engedi meg sem a végtelen sűrűséget, sem a végtelen tágulást. A fénysebesség csökkenési elv párhuzamba vonható az univerzum tágulási elméletével, ha annak méretét a csökkenő atomtávolságokra vonatkoztatjuk. Mégis nagy különbség van a két koncepció között, mert az ősrobbanásban nincs negatív visszacsatolást, és belekényszerülünk a kezdeti végtelenül parányi univerzum víziójába.

Összefoglalás

Két lehetséges nézőpontot hasonlítottunk össze: az egyikben állandó a méterrúd hossza, amit az atomtávolságokhoz kötünk, és az univerzum határai növekszenek, a másikban az univerzum abszolút mérete állandó, de zsugorodnak az atomok és a méterrúd is. Az előbbi elmélet ősrobbanást és állandó fénysebességet tételez fel, az utóbbi megengedi a fénysebesség változását, és ciklikus változásról beszél. Mindkét elmélet magyarázza a galaxisok fényének vöröseltolódását, és választ ad arra, hogy honnan származik a mikrohullámú háttérsugárzás. A ciklikusan változó fénysebesség koncepciójának nagy előnye az ősrobbanással szemben, hogy a galaxisok összeolvadása megállhat egy véges koncentrációnál, és nem kell egyetlen matematikai pontba sűríteni az egész univerzumot, úgyszintén nem kell feltételezni a másodperc parányi töredéke alatt bekövetkező óriási változásokat. A fénysebesség ciklikus változásán alapuló modell így versenyképes lehet az ősrobbanással, de legyünk tisztában vele, hogy minden ilyen elmélet spekulatív, mert bizonyításra, vagy cáfolatra nincsen mód. Csak annyit tehetünk, hogy gyűjtjük az univerzum múltjának emlékeit, és ebből vonunk le következtetéseket.

A blog korábbi írásai: „Paradigmaváltás a fizikában”

Az írás előzetes változata 2020 január 25.én megjelent a qubit.hu portálon „Ha nem fogadjuk el az ősrobbanás elméletét, még mindig van egy másik lehetőség” címmel.