Pillantás a múltba – Az univerzum évmilliárdjai 1. rész

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?


Edwin Hubble

Egy évszázad még egy ember életével összemérve sem túlságosan hosszú idő. Manapság minden érdeklődő iskolás tisztában lehet vele, hogy bolygórendszerünk központi csillaga, a Nap egy galaxisban található. Ez a galaxis, a Tejútrendszer csak egy a hasonló csillagvárosok végtelennek tűnő sokaságában. A galaxisok pedig minél messzebb vannak, annál gyorsabban távolodnak egymástól. Ami mára széles körben elfogadott tudományos ténnyé vált, azt száz évvel ezelőtt még a legkiválóbb csillagászok sem
tudták: mi van a Tejútrendszer határain túl, hogyan keletkezett és fejlődött a világegyetem? Pedig addigra már rég megépült a Szuezi-csatorna, megszületett a motoros repülés, és sorozatban gyártották a Ford T-modellt, az első sokak számára megfizethető autót. Az emberek elérték a Déli-sarkot, Magyarországon megkezdődött a vasútvonalak villamosítása. Albert Einstein megalkotta a relativitáselméletet, Max Planck a kvantummechanikát, Alfred Wegener felismerte a kontinensek vándorlását.

Albert Einstein és Georges Lemaître


Elsőre kicsit nagy falatnak tűnhet a kozmikus időskálán egy szempillantásnál is rövidebb múltra visszatekintő emberiségnek, hogy felgöngyölítsük az egész világegyetem történetét. A vállalkozás mégsem lehetetlen. A tudomány előrehaladásának legfőbb mozgatórugója, a kíváncsiság kétségtelenül megvan bennünk. A kozmológia végső soron ugyanúgy működik, mint a természettudomány más területei: összegyűjti a megfigyelési tényeket, ezek alapján elképzeléseket fogalmaz meg, elméleteket állít fel. Felhasználja, esetenként finomítja a fizika, a csillagászat már ismert törvényeit. Kérdéseket tesz fel, amelyekre válaszokat keres, a modellek jóslatait pedig összeveti az újabb megfigyelések eredményeivel.



Vigyázat, robbanunk!

Ezt a hangzatos címet adta Karinthy Frigyes annak a riportjának, amely Az Est című lap 1933. augusztus 5-ei számában jelent meg. „Szűkebb világmindenségünk, az úgynevezett Tejútrendszer, ez a lencse alakú csillaghalmaz, a maga háromszázmillió (valójában háromszázezernél is kevesebb - a szerző) fényévnyi átmérőjével, mialatt az olvasó reggelijét fogyasztja, húszezer kilométeres sebességgel rohan a legközelebbi, hasonló méretű rendszer felé.

De soha nem fogja utolérni, ne tessék félni.  
Az a ma ismert harmincmillió hasonló rendszer egyre fokozódó sebességgel száguld kifelé, el egymástól, egyre fokozott távolságba kerül egymástól és valami ismeretlen központtól - a Világot egy Heckmann nevű tudós tavaly felrobbant bombához hasonlította, amelynek részecskéi éppen most repülnek szerte a sötétség és üresség kárpitja felé."

Karinthy olyan író volt, aki élénken érdeklődött a műszaki és természettudományos újdonságok iránt. Az idézett riportot a svábhegyi csillagvizsgálóban készítette, a téma pedig egészen új volt: Edwin Hubble csak 1929-ben publikálta felismerését, hogy a galaxisok - amelyekről csupán néhány évvel korábban vált világossá, hogy nem a Tejútrendszer részei, hanem sokkal távolabb vannak - színképvonalainak vöröseltolódása arányos a tőlünk mért távolságukkal (erről bővebben a keretes írásunkban olvashatnak). A vöröseltolódás nem más, mint a galaxisok színképében megjelenő, egyes kémiai elemek által kibocsátott keskeny színképvonalak hullámhosszának megváltozása a laboratóriumban mérhető értékhez képest, amiatt, mert az adott galaxis távolodik tőlünk. A távolodó hullámforrás esetében a hullámhossz megnövekszik - ahogyan mélyebbnek halljuk a mellettünk elsuhanó mentőautó szirénájának hangját is. A hasonlat mégis egy kicsit sántít, hiszen a távoli galaxisok esetében nem „elsuhanásról" van szó, hanem - mint később látni fogjuk - a közöttünk levő tér válik egyre „tágasabbá" az idő előrehaladtával. 


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-Lemaître-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 Lemaître 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.)  

Cikkünk következő részében részletesebben is bemutatunk néhány érdekességet abból, hogy mit tudunk ma a világegyetem történetéről és fejlődéséről, ezeket milyen bizonyítékok támasztják alá, milyen érdekes történetek kapcsolódnak hozzájuk. A befejező részben pedig megpróbáljuk felvázolni az univerzum jövőjét, valamint felvillantunk olyan kérdéseket, amelyekre a tudománynak ma még nincs egyértelmű válasza. Meglehet, hogy csak a mérések értelmezésének módszertani problémáiról van szó, de az is előfordulhat, hogy alapjaiban forgatják majd fel fizikai tudásunkat az elkövetkező évszázadban!


A celeb és az abbé

Mire ez az írás kikerül a nyomdából, már lezajlott a Nemzetközi Csillagászati Unió (IAU) idei bécsi közgyűlése. A világ csillagászainak háromévente megrendezett legnagyobb találkozóján a megalapítása századik évfordulóját jövőre ünneplő szervezet ott megjelenő tagjai határozatokat is elfogadnak. Az idei közgyűlés egyik határozatának célja kései igazságot szolgáltatni Georges Lemaître (1894-1966) számára. A belga katolikus pap és fizikus 1927-ben francia nyelven publikálta művét, amelyben egyrészt függetlenül levezette Friedmann korábbi megoldását Einstein egyenleteire, amely leírja a táguló világegyetemet. Másrészt megállapította, hogy a galaxisok színképének vöröseltolódásának a tágulás miatt arányosnak kell lennie a távolságukkal. Harmadrészt a szakirodalomból elérhető mérési adatok alapján meg is határozta a tágulás ütemét. Munkája lényegében visszhang nélkül maradt, részben talán azért is, mert a publikáció helye és nyelve miatt kevesekhez jutott el. Pontosabban észrevételt azt kapott rá, magától Einsteintől, aki egy konferencián az elméletet matematikailag helyesnek, de fizikailag értelmetlennek minősítette. Érthető okokból ez nem lelkesítette Lemaître-t.   A belga abbé cikkében leírt harmadik összefüggés éppen az, amit eddig Hubble-törvényként ismertünk. Edwin Hubble (1889-1953) amerikai csillagász a kaliforniai Mount Wilson Obszervatóriumban, korának legnagyobb teljesítményű távcsövével, a 2,5 méter átmérőjű lencsés teleszkóppal végezte megfigyeléseit. 1929-ben publikálta cikkét, amelyben a Tejútrendszeren túli „ködök" (mai szóhasználattal galaxisok) távolodási sebességének és távolságának összefüggésére mutatott rá. Ez a közlemény meghozta az áttörést, a táguló univerzum gondolata gyökeret vert a tudományos közvéleményben. Hubble egyébként kora nagy hatású, közismert és népszerű csillagásza volt. Szívesen vette volna, ha megkapja a fizikai Nobel-díjat, de azt akkoriban csillagászati (asztrofizikai) eredményekért nem ítélték oda - a helyzet azóta már megváltozott, sőt nem egy díjat érdemeltek ki a kozmológiát előre vivő kutatók. Hubble emlékét őrzi a rendkívül sikeres és közismert, 1990 óta Föld körüli pályán dolgozó űrteleszkóp.   Hubble függetlenül tett felismerésének hatására hamarosan Lemaître is megkapta a neki járó szakmai elismerést. Einstein pedig 1931-ben nyilvánosan is belátta, hogy tévedett, amikor korábban semmibe vette az ősrobbanás elméletét. Az IAU mostani javaslata szerint a Hubble-törvényt ezentúl illendőbb lenne Hubble-Lemaître-törvénynek hívni. Meglátjuk, meggyökeresedik-e az új elnevezés. Mindenesetre talán ez az első magyar nyelvű írás, ahol ezt alkalmazzuk.



Hozzászólások