Miből és hogyan lettünk? Friss elméletek a kozmosz születéséről

Manapság is számos új elmélet próbálja megmagyarázni az univerzum fizikai szerkezetének rejtélyeit. Nem egy közülük meglehetősen rendhagyó.

A világegyetem végső szerkezetét kutató elméleti fizika sok tekintetben még a 21. században is a sötétben tapogatózik.

A kozmológia újradefiniálásán és a téridő szerkezetének megoldásán agyaló tudósokat mindenekelőtt a világegyetemet kitöltő hipotetikus sötét anyag és sötét energia ejti zavarba. Ezekről voltaképpen azt sem tudjuk, micsodák, és ha léteznek is, vajon tényleg szétfeszítik-e a létező fizikai modell kereteit, avagy simán beilleszthetők abba.

Az elméleti fizika mindmáig küzd a 20. századi zseniális elődök örökségével, az általuk felállított elméletek és modellek, mindenekelőtt Einstein gravitációt újraértelmező általános relativitáselmélete és a kvantummechanika közös modellbe integrálásának problémájával. A megoldás, ha egyszer megszületik, nagyban hozzájárulhat ahhoz, hogy megértsük, mi zajlik például egy fekete lyuk belsejében.

A tágulás ára

Az asztrofizikus kutatók a múlt század kilencvenes éveitől tudják, hogy az univerzum gyorsuló ütemben tágul: Saul Perlmutter, Adam Riess és Brian P. Schmidt 2011-ben meg is kapták ezért a fizikai Nobel-díjat (lásd: Minden határon túl, Magyar Narancs, 2011. október 13.). Ennek okát egy eleddig ismeretlen eredetű és természetű entitásban, az úgynevezett sötét energiában találták meg, ami kitöltené a kozmosz addig üresnek vélt hatalmas régióit, sőt egymaga a világegyetem teljes anyag- és energiamennyiségének 68 százalékát teszi ki.

 

Fotó: wiki

 

A nevében fellelhető sötétség nem holmi kozmikus léptékű gonoszságra utal, csupán arra, hogy ezt az energiafélét közvetlenül nem tudjuk detektálni. Közvetett hatásaként viszont a gyorsuló tágulást érzékelhetjük, köszönhetően annak, hogy eltaszít mindent, ami az útjába kerül. Forrását sem ismerjük, erről is legfeljebb hipotézisek léteznek. A kvantumelmélet például számol azzal, hogy ott, ahol látszólag semminek sem szabadna lennie, vagyis az úgynevezett kvantumvákuum állapotában is rendelkezhet a tér egy adott darabja egyfajta többlet vá­kuum­energiával. Betudható mindez az elmélet által megengedett fluktuá­cióknak, az energiaállapotban bekövetkező, látszólag a semmiből születő ingadozásoknak.

A sötét energia létére létezik egy másik, látszólag egyszerű magyarázat is, ami Albert Einstein 20. század elején publikált egyenleteiből következik: ezek szerint a sötét energia nagyjából egyenértékű a kozmológiai állandóval (amit a nagy görög lambda betűvel jeleznek). Ennek az értékét a kutatók sokáig 1-nek gondolták – ez felelt volna meg az 1930-as évektől uralkodó elméletnek, a világegyetem egyenletes ütemű tágulásának.

Ám a fent említett Nobel-díjasok úttörő felfedezése nyomán már azt is tudjuk, hogy a kozmológiai állandó értéke nem is 1, hiszen világunk egyre gyorsuló tágulása ennél nagyobb értéket tesz szükségessé. Egyelőre azonban annyi biztos csak, hogy a sötét energia egyfajta antigravitációs hatással bír – ellensúlyozza a téridő szerkezetében a nagyobb tömegek körül fellépő görbületek hatását, és a galaxisokat (mint például a mi Tejútrendszerünk) egyre gyorsabb ütemű távolodásra ösztönzi egymástól. A baj csak az, hogy ha az einsteini modellből következő számításokat a kvantumelméleti (pontosabban a kvantummechanika, a klasszikus mezőelmélet és a speciális relativitáselmélet megfontolásait kombináló kvantummező-elméleti) kalkulációkkal egészítjük ki, akkor elméletileg 120-szor nagyobb „sötét” energiamennyiséget kapunk, mint amennyit a kozmológiai kutatások során sikerült közvetett módon detektálni.

 

Ezt az ellentmondást máig sem sikerült feloldani, és ez csak egy a világegyetem konstrukcióját feszegető számos paradoxon közül. A szokásos válasz erre természetesen az, hogy a tömegvonzás természetét és a tér szerkezetét makroméretekben újradefiniáló einsteini általános relativitáselmélet és a kis léptékekben érvényesülő effektusokkal foglalkozó kvantummechanika szintézisére, a kvantumgravitációs elmélet létrehozására volna szükség. Évtizedek óta erről beszélnek az elméleti fizikusok, ám a nagy áttörés mindeddig elmaradt.

Sötét nélkül

Mindig is lesznek olyan kutatók, akik szeretnék kitágítani az einsteini modellt, akár olyan dimenziók felé, amelyek irányában a relativitáselmélet megalkotója nem akart vagy nem mert lépni. (Persze most szigorúan a tudomány határain belül ügyködőkre gondolunk – gondosan kihagyva a számításból az „alternatív” tudományt művelő parafizikusok színes seregét.) Némely fizikusok olyan megoldásokon törik a fejüket, melyek használatával feleslegessé válhat a sötét energia vagy a sötét anyag alkalmazása a modellekben. Mi több, okafogyottá válhatnak azok az alternatív elképzelések is, amelyek egy speciális, kvintesszenciának nevezett sötét energiafélével számolnak, amelynek sűrűsége az idő során egyre csökken.

Kiválthatók lennének azok a teóriák is, amelyek a sötét anyag és a sötét energia leírását egyesítenék a még náluk is hipotetikusabb sötét fluidum elméleti keretében – utóbbinak két eltérő megnyilvánulása volna az egyaránt sötét (azaz közvetlenül nem érzékelhető) anyag és energia. A sötét fluidum tömege ráadásul definíció szerint negatív, ami magyarázná a világegyetemben gyakorolt erős antigravitációs hatását.

Némely kutatók abból indulnak ki, hogy a táguló univerzum egyáltalán nem homogén, azaz nem viselkedik ugyanúgy minden irányban. Syksy Räsänen, a jelentős kozmológus már 2007-ben úgy vélte, hogy a sötét energia merő illúzió – a világegyetem inhomogén módon tágul, például az a buborék, amelynek mi lakói vagyunk, sokkal jobban felfújódik, mint annak kozmikus háttere. Räsänen elmélete szerint már a korai univerzumban is buborékokat és falakat hoztak létre az egyenetlenségek, a buborékokon belül pedig átlagosan kevesebb anyag található, mint annak határain kívül.

Éppen ezért az általános relativitáselméletből következően itt a tér is kevésbé görbül, ami egyrészt azt a látszatot kelti, hogy gyorsabban tágul, másrészt, hogy az amúgy nem detektálható energiaszint is nagyobb. Ráadásul a világegyetem környező, sűrűbb régiói­nak összeomlása is azt a látszatot keltheti, mintha a mi kis ritkás buborékvilágunk gyorsabban tágulna.

 

Az elméleti fizika egy egészen egzotikus, habár sok kutató által mereven elutasított ága az úgynevezett húrelmélet felől próbálja feloldani az ellentmondásokat, és kiiktatni a képből az ismeretlen eredetű sötét energiát.

A svédországi Uppsala egyetemének elméleti fizikus kutatói például a múlt év végén publikáltak a Physical Review Letters folyóiratban egy dolgozatot, amelyben a húrelméletre jellemző speciális térgeometriai modellel próbálják alátámasztani az univerzum látszólag egyre növekvő ütemű tágulását. Megközelítésük szerint a világegyetem alapvetően apró, vibráló, húrszerű entitásokból áll. Eme építőkövek mellett feltételezik azt is, hogy a szokásos három (sőt a téridő figyelembevételével már négy) dimenziónál többre van szükség a világegyetem leírásához.

Számolva a húrelméletet haszontalan, üres matematikai absztrakciónak tekintő kollégák kritikájával, Souvik Banerjee és kutatótársai egy új megoldással rukkoltak elő, amely némely fentebb ismertetett megfontolást is figyelembe vesz. Eszerint az általunk ismert világ egy gigantikus, egyre táguló, úgynevezett Hubble-buborékban (annak is a peremén) foglal helyet, maga a buborék pedig egy extra dimenzióban található. Az elgondolás érdekessége, hogy egyáltalán nem zárja ki további táguló buborékok és ezzel együtt további dimenziók létezését sem.

Kár, hogy ezzel a megoldással aligha fogják megnyerni a húrelmélet magánvaló szépségére érzéketlen kutatótársakat.

Tágul és lyukas

Az einsteini modell kiegészítése révén nemcsak az univerzum tágulásának problémájára keresnek választ a fizikusok, de a fekete lyukak viselkedésére is. Ezek a képződmények is csupán elméleti szinten léteztek hosszú időn át, ám ma már – például a gravitációs hullámok érzékelése nyomán – nyomon követhetők az interakcióik, összeolvadásuk, keletkezésük. És mivel mai tudásuk szerint minden galaxis középpontjában (így a mi Tejútrendszerünkében is) egy-egy szupernehéz fekete lyuk található, ezek kutatása az univerzum keletkezése és története szempontjából is jelentőséggel bír. A fekete lyukak működését, keletkezését, viselkedését, belső szerkezetét illetően még sok a vita a kutatók között – ezek feloldására kínálna szokatlan megoldást az úgynevezett hurok-kvantumgravitáció (loop quantum gravity) elmélete.

Ez lenne az elméleti fizikusok által Szent Grálként keresett egységes kvantumgravitációs modell egyik lehetséges és ígéretes jelöltje. A múlt év végén több olyan tanulmány is született, amelyek az új modell meglátásait figyelembe véve magyaráznák el, mi is történik egy fekete lyuk belsejében. A hagyományos einsteini elmélet szerint a fekete lyukak eseményhorizontján belül minden csapdába kerül, még a fény is. A fekete lyuk középpontjába hulló objektumok vagy sugárzás pedig bekerül az úgynevezett szingularitásba, ahonnan nincs kiút, s ahol minden összezúzódik (de előtte még következik az árapályhatás miatt fellépő ún. spagettifikáció, azaz a lyukba esett anyag szinte végtelen nyúlása).

A szingularitásban a gravitáció, azaz a téridő görbülete is végtelen, azaz itt már nem érvényesek a fizika törvényei, még az Einstein-elméletek sem! Immár számos szakember (például Abhay Ashtekar, a Penn State University kutatója) úgy véli, hogy az általános relativitáselmélet alkalmazásának vannak határai, és pontosan ez okozza a problémát például a fekete lyukak természetének megértésében. Ashtekar szerint a szingularitás léte (ahol véget érnének a téridő és fizika szabályai) csupán azért következik az általános relativitáselméletből, mert Einstein egykor tudatosan negligálta a kvantummechanikát. Ám amikor ezt is figyelembe vették a kutatók, pontosabban alkalmazták a különböző elméleti megfontolásokat ötvöző hurok-kvantumgravitáció elméletét, kiderült, hogy a szingularitás (legalábbis ebben az új matematikai univerzumban) nem is létezik.

Az eredeti einsteini modell problémáját az okozta, hogy abban a téridőt akármilyen kicsiny szeletekre fel lehetett darabolni, és ez vezetett – persze csak elméletben – a szingularitás létezéséhez. Ezzel szemben a hurok-kvantumgravitációs elméletben a világegyetemnek csempeszerű és egyben kvantált a szerkezete, és a legkisebb méretű „csempénél” kisebbet nem tudunk darabolással előállítani. A hidegburkolásból ismerős analógiát folytatva ez a legkisebb csempe szabja meg a fekete lyukak belső méretét, és ez teszi lehetővé, hogy a fekete lyukak afféle tölcsérként átjárót biztosítsanak egy másik, látszólag távoli téridőszakaszba.

Mielőtt azonban még lelkesedni kezdenénk egy távolba röpítő, feketelyuk-alapú téridőexpressz ötletéért, jobb, ha kiábrándítunk mindenkit: ez a bizonyos legkisebb csempe a matematikai modellek szerint olyannyira apró, hogy momentán nemhogy használni, de jelenlegi eszközeinkkel észlelni sem tudjuk.