Az emberiséget évezredek óta foglalkoztatja a kérdés: miért létezik egyáltalán a világegyetem? Miért van valami a semmi helyett? A klasszikus vallási és filozófiai magyarázatok erre rendszerint egy teremtő erő létezésével válaszoltak. A modern tudomány azonban egy egészen más úton indult el. Nem azt kérdezi, ki hozta létre a világot, hanem azt, hogy a természet törvényei önmagukban elegendőek-e ahhoz, hogy létrejöjjön egy univerzum.
A válasz az elmúlt száz év kozmológiai és kvantumfizikai felfedezései alapján egyre inkább az, hogy igen. A tudomány jelenlegi állása szerint ugyanis nemcsak elképzelhető, hogy a semmiből létrejöhet valami, hanem bizonyos értelemben a kvantummechanika törvényei alapján ennek meg is kell történnie.
Einstein tévedése és a táguló téridő felismerése
A történet Albert Einsteinnel kezdődik. Az 1916-ban publikált általános relativitáselmélet nemcsak a gravitáció működését írta le új módon, hanem egy olyan világegyetemet is felvázolt, amely nem lehet örökké változatlan. Az egyenletek szerint a gravitáció vonzó hatása miatt a kozmosznak vagy össze kellene omlania, vagy tágulnia kellene. Ez azonban szembement a kor tudományos elképzeléseivel, amelyek egy öröktől fogva létező, statikus univerzumot feltételeztek.
Einstein ezért egy mesterséges korrekciót épített az egyenleteibe: az úgynevezett kozmológiai állandót. Évtizedekkel később ezt a lépését élete legnagyobb baklövésének nevezte.
A fordulatot Georges Lemaître belga pap és fizikus hozta el. 1927-ben felismerte, hogy Einstein eredeti egyenletei valójában egy táguló világegyetemet írnak le. Lemaître még egy merészebb ötlettel is előállt: szerinte minden egyetlen rendkívül sűrű és forró kezdeti állapotból, az úgynevezett „ősi atomból” indulhatott ki. Einstein kezdetben nem volt elragadtatva. „A matematikája helyes, de a fizikája förtelmes.” – mondta Lemaître elméletéről.
A következő évek azonban a belga tudóst igazolták.
1925-ben Edwin Hubble bebizonyította, hogy az Androméda nem a Tejútrendszer része, hanem egy önálló galaxis. Néhány évvel később Milton Humasonnal együtt kimutatta, hogy minél távolabb található egy galaxis, annál gyorsabban távolodik tőlünk. A világegyetem tehát valóban tágul.
Fontos azonban megérteni, hogy nem egy robbanás középpontjából repül minden szét. Sokkal inkább maga a téridő növekszik, hasonlóan ahhoz, ahogy egy felfújódó lufi felszínén távolodnak egymástól a pontok.
##A láthatatlan kozmosz
Ha a világegyetem tágul, akkor a benne található anyag gravitációjának lassítania kellene ezt a folyamatot. A kérdés csak az volt, mennyi anyag létezik valójában. Az 1970-es években Vera Rubin csillagász a galaxisok forgását vizsgálta, és valami egészen furcsát talált. A galaxisok külső részein keringő csillagok olyan gyorsan mozogtak, hogy a látható anyag gravitációja nem tudta volna őket egyben tartani. A galaxisoknak szét kellett volna repülniük.
Mégsem tették.
A legjobb magyarázat egy addig láthatatlan összetevő, a sötét anyag létezése volt. Ma úgy becsüljük, hogy körülbelül ötször több sötét anyag található az univerzumban, mint normál, látható anyag. Érdekes módon ezt az ötletet már az 1930-as években felvetette Fritz Zwicky svájci csillagász, de kortársai szinte teljesen figyelmen kívül hagyták. Csak évtizedekkel később derült ki, hogy meglepően közel járt az igazsághoz.
A Hubble űrteleszkóp és más modern műszerek később gravitációs lencsehatások segítségével közvetlen bizonyítékokat is szolgáltattak arra, hogy a galaxisokban és galaxishalmazokban valóban sokkal több tömeg található, mint amennyit látunk.
Az ősrobbanás visszhangja
Az ősrobbanás-elméletet ma három fő bizonyíték támasztja alá: a galaxisok távolodása, a könnyű elemek aránya és a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás. Ez utóbbi felfedezése a tudománytörténet egyik legkülönösebb véletlene.
1965-ben Arno Penzias és Robert Wilson egy rendkívül érzékeny rádióantennát tesztelt New Jersey-ben. A műszer állandó háttérzajt rögzített, amelytől sehogy sem tudtak megszabadulni. Először technikai hibára gyanakodtak, majd arra, hogy a galambok okozzák a problémát. A galambokat eltávolították. A zaj maradt.
Végül kiderült, hogy nem hibát találtak, hanem az ősrobbanás több mint 13 milliárd éve lehűlt maradványát.
A későbbi BOOMERanG, WMAP és Planck missziók egyre pontosabb térképeket készítettek erről a sugárzásról. Az adatok alapján a kutatók megállapították, hogy az univerzum kora nagyjából 13,8 milliárd év, geometriája pedig rendkívül közel áll a tökéletesen laposhoz.
A semmi, ami valójában nem üres
A kozmológia mellett a kvantumfizika is alapjaiban változtatta meg a „semmi” fogalmát. A hétköznapi gondolkodás szerint a semmi teljes ürességet jelent. A kvantummechanika szerint azonban ilyen állapot nem létezik. Az üres tér folyamatosan pezseg. Virtuális részecske-antirészecske párok jelennek meg benne a semmiből, majd azonnal eltűnnek. Bár közvetlenül nem figyelhetők meg, hatásuk mérhető.
Az 1947-es Lamb–Retherford-kísérlet például rendkívüli pontossággal igazolta jelenlétüket. A fizikusok ma már úgy gondolják, hogy még saját testünk tömegének jelentős része is ezekhez a kvantumfolyamatokhoz kapcsolódik. A semmi tehát korántsem passzív üresség. Inkább egy állandóan vibráló háttér, amelyből folyamatosan előbukkan valami.
##A sötét energia felfedezése
A történet itt még nem ért véget. Az 1990-es évek végére a csillagászok rájöttek, hogy még mindig hiányzik valami az univerzum energiamérlegéből. Lawrence M. Krauss és Michael Turner felvetették, hogy talán maga az üres tér rendelkezik energiával. 1998-ban Saul Perlmutter és Brian Schmidt kutatócsoportjai távoli szupernóvákat vizsgáltak, és olyan eredményt kaptak, amely teljesen váratlan volt.
A világegyetem tágulása nem lassul. Gyorsul. A jelenséget ma sötét energiának nevezzük.
Jelenlegi ismereteink szerint az univerzum energiatartalmának körülbelül 68 százalékát sötét energia, 27 százalékát sötét anyag, és mindössze 5 százalékát a számunkra ismert normál anyag alkotja. Más szóval: mindaz, amit látunk – csillagok, bolygók, emberek –, a kozmosz töredékét jelenti csupán.
A kozmikus ingyenebéd
Felmerül a kérdés: ha ennyi energia és anyag létezik, hogyan jöhetett létre mindez a semmiből? Alan Guth 1981-ben kidolgozott inflációs elmélete erre adott választ. A modell szerint az univerzum a kezdeti pillanatokban elképesztő sebességgel felfúvódott. Egy lapos univerzumban a pozitív energia és a gravitáció negatív energiája pontosan kiegyenlítheti egymást.
Ennek eredménye meglepő: Az univerzum teljes energiája matematikailag nulla lehet. Guth ezt nevezte a végső „kozmikus ingyenebédnek”.
Az infláció ráadásul megmagyarázza azt is, hogyan alakultak ki később a galaxisok. Az üres tér apró kvantumingadozásai a gyors tágulás során kozmikus méretűvé növekedtek, majd ezekből fejlődtek ki a ma látható struktúrák. Ahogy Lawrence Krauss fogalmazott: „Te és én a semmi apró remegéseiből származunk.”
Tér a semmiből
A történet logikus következő lépése az volt, hogy a fizikusok magát a teret is megpróbálták a kvantumelmélet szemüvegén keresztül vizsgálni.
Stephen Hawking, James Hartle és később Alexander Vilenkin olyan modelleket dolgoztak ki, amelyek szerint a kvantumgravitáció törvényei nemcsak megengedik, hanem bizonyos értelemben elő is segítik univerzumok spontán létrejöttét. Ebben a képben a semmi nem stabil állapot.
Frank Wilczek Nobel-díjas fizikus tömören így fogalmazott: „A semmi instabil.” Ez a gondolat nem bizonyítja és nem is cáfolja egy felsőbb intelligencia létezését. Ugyanakkor jelentősen meggyengíti azt az ősi filozófiai érvet, amely szerint a semmiből egyszerűen nem születhet valami.
Egy különösen szerencsés korszakban élünk
A sötét energia miatt az univerzum tágulása egyre gyorsabbá válik. A jövőben a távoli galaxisok fokozatosan eltűnnek a látóhatár mögött, a kozmikus háttérsugárzás pedig kimutathatatlanná válik. Néhány százmilliárd év múlva egy jövőbeli csillagász valószínűleg már nem tudná rekonstruálni az ősrobbanás történetét. Mi viszont egy rendkívül különleges korszakban élünk. Pontosan akkor, amikor a teremtés – vagy ha úgy tetszik, a keletkezés – nyomai még láthatók és mérhetők.
Az inflációs modellek ráadásul arra is utalnak, hogy nem feltétlenül egyetlen univerzum létezik. Elképzelhető, hogy folyamatosan újabb és újabb „buborék-univerzumok” születnek, létrehozva egy hatalmas multiverzumot. Ha ez igaz, akkor a mi univerzumunk törvényei sem feltétlenül egyediek. Lehet, hogy csupán egy a számtalan lehetséges változat közül.
Kozmikus alázat
A modern kozmológia talán legfontosabb üzenete nem az, hogy végre minden kérdésre választ kaptunk. Éppen ellenkezőleg. Minél többet tudunk meg az univerzumról, annál világosabbá válik, milyen kevés helyet foglalunk el benne.
A világegyetem nem tartozik nekünk magyarázattal, céllal vagy jelentéssel. Mégis van valami rendkívüli abban, hogy egy apró bolygó rövid életű lakóiként képesek vagyunk visszatekinteni az idő hajnalára, és megpróbálni megérteni saját eredetünket. Talán ez a modern tudomány legnagyobb ajándéka: nem elveszi a csodát a világból, hanem még nagyobbra nyitja azt.
Cikkünk a A Nettanár csatorna egy átfogó, Lawrence M. Krauss „A Universe from Nothing” (A semmiből született univerzum) című könyvére épülő elemzését bemutató fejezet alapján készült.
