Paul Davies: Az utolsó három perc
JEGYZETEK
ELÔSZÓ
[1] Magyarországon ehhez még
hozzájárult egy ideológiai alapú merev elutasítás is. Még a nyolcvanas évek
elején íródott filozófiai tankönyvek is "idealista téveszmének" bélyegezték azt az
állítást, mely szerint a Világegyetemnek kezdete lett volna. Emellett az egész
kozmológiát birtokháborításnak tekintették, amellyel a természettudomány
illetéktelenül és irreleváns eszközökkel próbál beleszólni az eredendően a
filozófia hatáskörébe tartozó "végső kérdésekbe".
[2] Gondoljunk
csak arra, hogy a Föld oxigéntartalmú légkörének - amely az egész
Naprendszerben egyedülálló - létrejötte és fennmaradása kizárólag a
növényvilágnak köszönhető. A szabad oxigén jelenléte viszont megváltoztatta a
kőzetek anyagaiban végbemenő kémiai reakciókat, és így végső soron az egész
bolygó geológiai fejlődésébe is beleszólt.
1. FEJEZET
[1] Más kárán tanul
az okos! A könyv angol eredetijének megírása óta a fenti katasztrófa-
forgatókönyv részben megvalósult - az emberiség szerencséjére nem a Földön,
hanem a Jupiteren. A Shoemaker-Levy 9 nevű üstökös magja a Jupiter
gravitációs hatására 1993 végén több részre szakadt. Ennek következtében
megváltozott a törmelékek pályája is, és az előzetes számításoknak megfelelően
az üstökös 21 kisebb-nagyobb (pár száz méterestől néhány kilométeresig terjedő
átmérőjű) darabja 1994 júliusában egy hetes szőnyegbombázás során
összeütközött a Jupiterrel. Egy-egy ilyen üstökös-darab is elegendő lett volna
ahhoz, hogy a Földön a fent leírthoz hasonló katasztrófát váltson ki. A Jupiter
azonban több mint 300-szor nagyobb a Földnél, nincs szilárd felszíne, légköre
viszont sokkal sűrűbb és vastagabb. Az üstökös-törmelékek ezért nem a szilárd
felszínbe vágtak krátert, hanem a sűrű légkörben lefékeződve és felizzva okoztak
hatalmas robbanásokat. A sok ezer atombomba robbanásával felérő becsapódások
óriási gázfelhőket emeltek ki a légkörből, és hatalmas, a Föld méreténél nagyobb
lyukakat, kavargó viharokat hagytak maguk után. Az emberiség eddigi
történetében egyedülálló csillagászati eseménysorozatot számos földi
csillagvizsgáló, a Hubble űrtávcső, a Jupiter felé tartó Galileo űrszonda, és a
Naprendszerből kifelé igyekvő, de visszanéző Voyager-2 szonda is folyamatosan
figyelte és fényképezte. A katasztrófa elemzése sok információt szolgáltat majd
az üstökösök és a Jupiter légkörének adatairól, folyamatairól, a Naprendszer
eredetéről.
2. FEJEZET
[1] Az egyes
molekulák ütközései a mechanika törvényeinek megfelelően mennek végbe; ezek
a törvények pedig nem tüntetik ki az idő egyik irányát sem: egy ütközés
megfordítottja éppúgy megtörténhet, mint az eredeti ütközés. A
megfordíthatatlanság, az irreverzibilitás mozzanata a molekulák nagy számával
kapcsolatos: a mikroszinten megfordítható elemi ütközések együttese egyirányú -
pontosabban: fordított irányban elhanyagolhatóan kis valószínűséggel
végbemenő - folyamatokat eredményez. A mikroreverzibilitás és a
makroirreverzibilitás kapcsolata korántsem magától értetődő - pontos
matematikai megfogalmazásával több mint száz éve bajlódnak a fizikusok.
[2] Ilyen filmet
valóban készített a magyar Iskolatelevízió a hetvenes években: a filmen a füst
visszagomolyodott a kéménybe, az eltört váza egybeforrt, a felvert tojás sárgája
és fehérje különvált, röviden: a rendezetlenségből rend született. A nézők persze
hamar felismerték, hogy a film a valódi folyamatok visszafele lejátszásával
készült. Kevésbé átlátszóan alkalmazták ugyanezt a trükköt Tarkovszkij
filmjében, a Lem regényéből készült Solarisban. Az egész bolygót beborító élő
óceán hullámai valóban élőnek látszottak: szinte célratörően duzzadtak,
ágaskodtak. A rendezetlenség irányába tartó közönséges folyamat, a földi óceán
hullámainak elernyedése visszafelé lejátszva a rendeződés, az entrópiacsökkenés,
az élet illúzióját keltette.
[3] Akkoriban úgy
gondolták, hogy a Nap szénből van, és közönséges kémiai módon ég. A Nap
energiaforrására vonatkozó korai fizikai elméletek érdekes összefoglalása
Horváth Gábor Kihűl a Nap? című idézett cikkében olvasható.
[4] A véges idővel
ezelőtt, a maximális rendezettség állapotában keletkezett (vagy teremtett), és
azóta folyamatosan leépülő, pusztuló Világegyetem képe érdekesen egybecseng a
számos nép mitológiájában szereplő, a hajdani "Aranykorra", a bőség és a rend
korszakára nosztalgikusan emlékező történetekkel. A szövegben szereplő
következtetés matematikailag nem teljesen meggyőző: előfordulhat, hogy a
folyamatos, véges sebességű degradálódás végtelen ideig tart. Ehhez persze a
kezdeti, tökéletesen rendezett állapotban igen kis sebességgel kellett megindulnia
az entrópia képződésének. Ez elvileg lehetséges, de fizikailag igen valószínűtlen.
[5] Az Olbers-
paradoxon szépirodalmi igényességű leírása és megoldása Asimov Az
éjszaka sötétje című esszéjében olvasható.
[6] Az Olbers-
paradoxonnak a Világegyetem tágulása mellett más, ravaszabb megoldása is
lehetséges (a két megoldás nem zárja ki egymást). B. Mandelbrot, a
fraktálgeometria kidolgozója mutatott rá példát (Fournier d'Albee korábbi ötlete
nyomán), hogy lehetséges olyan (nem homogén) anyageloszlás, amelyben nincs
kitüntetett középpont és irány, de mégsem lép fel az Olbers-paradoxon. Ehhez
speciális, fraktál-jellegű anyageloszlás szükséges. Az utóbbi évek megfigyelései
arról tanuskodnak, hogy igen nagy (a galaxishalmazoknál jóval nagyobb)
léptékben vizsgálva a Világegyetem anyageloszlása a Mandelbrot által
megjósolthoz hasonlít.
3. FEJEZET
[1] Nem arról van
szó, hogy a távcsőben látszó galaxis felismerhetően vörösebbé válna: a galaxisok
túl halványak ahhoz, hogy a távcsőben színesnek látszódjanak. Hubble
tulajdonképpen a galaxisok szinképvonalainak a vörös szín irányába történő
szisztematikus elcsúszását, az ún. vöröseltolódást fedezte fel.
[2] Hubble
felfedezése a színképelemzés módszerén alapul. Az izzó gázokban mozgó atomok
olyan fényt bocsátanak ki, amely meghatározott hullámhosszú sugárzások
keveréke. E hullámhosszak és kombinációik jellemzőek a kibocsátó atomra. Ha a
fényt spektroszkópban (pl. prizmával) felbontják különböző hullámhosszú
összetevőkre, akkor a gázok színképében meghatározott helyzetű fényes vonalak
látszanak (szemben például az izzó szilárd testek által kibocsátott fény folytonos
színképével). Ez a múlt században felfedezett jelenség tette lehetővé, hogy az
észlelt sugárzás alapján meghatározzák a távoli égitestek, pl. a Nap és más
csillagok anyagi összetételét. A távoli galaxisok által kibocsátott fény
vöröseltolódásakor az egyes fényes vonalak hullámhossza megváltozik. Az
hihetnénk, hogy ezzel lehetetlenné válik a kibocsátó atomfajta azonosítása. A
helyzet szerencsére más: az egyes atomfajták színképvonalai mintegy együtt
csúsznak el a színkép mentén, relatív helyzetük megmarad, ezért a
vonalkombinációk továbbra is lehetővé teszik az elem azonosítását, valamint a
vöröseltolódás mértékének egyetlen paraméterrel történő jellemzését.
[3] A
vöröseltolódás szokásos egyszerű magyarázata a Doppler-jelenségre hivatkozik: a
mozgó forrás által kibocsátott hullámok hullámhossza megváltozik: ha a forrás
távolodik az észlelőtől, a hullámhossz nő (fény esetében ez vöröseltolódást
jelent), közeledő forrás esetén csökken (kékeltolódás). Az eltolódásra jellemző
mennyiség, a hullámhossz relatív megváltozása arányos a forrás sebességévei.
Ezen a nyelven kifejezve Hubble felfedezése azt állítja, hogy a tőlünk távolodó
galaxisok sebessége arányos pillanatnyi távolságukkal: v = Hx, ahol
x a galaxis távolsága, v a sebessége, H pedig a
nevezetes Hubble-állandó. Az állandót eléggé pontatlanul ismerjük (a galaxisok
távolságmeghatározásának nehézségei miatt), értéke nagyságrendileg 10
km/s/millió fényév, másképpen: 1/H = 12 - 15 milliárd év. A
szövegben ismertetett, az általános relativitáselméletre támaszkodó értelmezés
szerint a "galaxisok távolodása" nem valamilyen robbanás következménye: nem a
galaxisok mozognak, hanem a tér nő meg közöttük. A kétféle értelmezés
matematikailag ekvivalens - egészen addig, amíg a távolodás vöröseltolódásból
számított értéke meg nem közelíti, illetve túl nem lépi a fénysebességet. Ekkor a
Doppler-jelenség mint magyarázat már nem használható, míg az általános
relativitáselmélet továbbra is konzekvens képet ad.
[4] A helyzet
hasonló ahhoz, mintha azt kérdeznénk: Mi van az Északi-sarknál egy méterrel
északabbra? A Föld felszínének minden pontján jól definiált a kérdés, és a rá
adandó válasz is létezik: meg tudjuk mutatni azt a pontot, amely tőlünk egy
méterrel északabbra fekszik - kivéve, ha magán az Északi-sarkon állunk, mert
ekkor a kérdés elveszti értelmét. Az Északisark minden földi pontnál északabbra
van, de nincs pont, amely nála északabbra lenne. Ugyanígy értelmes a "Mi volt
egy másodperccel ezelőtt?" kérdés is a téridő minden pontjában és pillanatában -
kivéve magát az ősrobbanást, amely minden pillanat előtt volt, de nincs olyan
pillanat, amely őelőtte lett volna. Ez a példa több egyszerű hasonlatnál: a két
szituáció matematikailag tökéletesen azonos. A később tárgyalandó Nagy Reccs
pedig a Déli-sarkkal analóg: minden más pillanat után van, de nincs értelme a
kérdésnek, hogy mi történik őutána: maga az Idő ér véget.
[5] A korábban
sokat emlegetett hőhalál, az általános termodinamikai egyensúly áilapota tehát
ismét felbukkant - de nem mint a bizonytalan jövőben bekövetkező, hanem mint
a Világegyetem múltjának egy meghatározott szakaszában (kb. 300 000 évvel az
ősrobbanás után) fennállott, ma is észlelhető nyomokat hagyó, megfigyelésekkel
felfedezett hajdani állapot. A világ tehát feltámadt a hőhalálból! Ez is, mint annyi
más látszólagos paradoxon, az általános tágulással magyarázható. A tágulás
folyton újjárendezi a színpadot, felborogatja a kulisszákat, nem hagyja
tökéletesen beállni az egyensúlyt. A Világegyetem termodinamikai története
tulajdonképpen az egyensúly felé tartó, entrópiát termelő helyi folyamatok és az
elérendő egyensúlyi helyzetet folyamatosan megváltoztató általános tágulás
versenyének története.
[6] Mit jelent a
Világegyetem "sugara"? Gondoljunk a táguló gumiszálra fűzött gyöngyökre. Ha
el akarjuk kerülni a szál végeivel kapcsolatos problémákat, a szálat karikává
tekerhetjük. Ekkor a tágulás mértékét azzal jellemezhetjük, ha az idő
függvényében megadjuk a karika növekvő sugarát. Ez a Világegyetem egyik
lehetséges (ún. zárt) modelljének modellje. Jellemzője, hogy térfogata (azaz a
karika kerülete) és a benne levő anyagmennyiség (a karikára fűzött golyók
száma) véges. De vannak más modellek is, amelyek térfogata és
anyagmennyisége végtelen. Ilyenkor is defíniálható egy "sugárnak" nevezhető, a
tágulás során növekvő paraméter, de az nem ennyire szemléletes. Vegyük észre
azonban, hogy a tágulás azzal is jellemezhető, ha megadjuk két szomszédos
golyó távolságát az idő függvényében. Ez az adat mindig értelmes, függetlenül
attól, hogy a gumiszál záródik-e vagy sem. Ha tehát a későbbiekben a szerző a
"Világegyetem sugarát" említi, gondoljunk egyszerűen két tipikus galaxishamaz
időben változó távolságára. Hasonlóan: a "Világegyetem teljes tömege" csak a
zárt modellben értelmezhető, ehelyett használhatjuk viszont a Világegyetem
sűrűségét, azaz az egységnyi térfogatban levő anyag mennyiségét, amely ráadásul
helyi mérésekkel is meghatározható. Világunk feltűnő jótulajdonsága, és meglepő
egyszerűségének egyik fontos jele, hogy lokális (távolság, sűrűség) és globális
(sugár, össztömeg) adatai kölcsönösen meghatározzák egymást.
[7] E mérések során
a csillagok színképét vizsgálták. Mivel a csillagok belsejében a hidrogént
héliummá átalakító atommagreakciók folynak, azt várhatnánk, hogy a fiatal
csillagok majdnem tiszta hidrogénből, az öregek majdnem tiszta héliumból
állnak. Ezzel szemben azt tapasztalták, hogy a hélium részaránya egyetlen egy
csillagban sem kisebb 25%-nál. Ennek egyetlen logikus magyarázata az lehet,
hogy 25%-nyi hélium már az első csillagok keletkezése előtt, a presztelláris
gázfelhőben jelen volt. Ez a felhő a csillagok keletkezésének idején viszonylag
hideg volt. Kellett tehát lennie egy korábbi, forró állapotnak, amikor
végbemehettek a hélium magokat létrehozó magreakciók. Ez a gondolatmenet is
logikusan vezetett el a korai forró Univerzum, a Nagy Bumm gondolatához. A
későbbi pontosabb elméleti számítások valóban 25% hélium-arányhoz vezettek.
(Pontosabban: ez a mérésekből ismert adat segít kiszűrni az elmélet különféle
variánsai közül a valóságos Világegyetemhez nem illeszkedőket.)
[8] A felfúvódó
Világegyetem elméletét az ötlet (1980) szülőatyja, Alan Guth személyesen
ismertette a Tudomány 1985/1 számában. Néhány szót az elnevezésekről:
gondosan különböztessük meg a Világegyetem tágulását a felfúvódástól. A
Világegyetem születése óta tágul, ezt azonban lassuló ütemben teszi. A
felfúvódás (más szóval infláció) viszont gyorsuló ütemű (exponenciális) tágulást
jelent.
[9] Az atommag
mérete viszont csak 10-13 cm, ezért a virtuális elektron magfizikai
skálán mérve tekintélyes, száz atommagnyi utat tud megtenni.
[10] A modern
részecskefizikában felmerült az az izgalmas lehetőség is, hogy esetleg a vákuum
alapállapota sem egyetlen állapot, hanem több - esetleg végtelen sok - egyforma
energiájú, ekvivalens, de mégis különböző alapállapot van. Képzeljünk el egy
élére állított kártyalapot: nyilvánvaló, hogy nem alap-, hanem gerjesztett
állapotban van. Aztán ledől: jobbra vagy balra - és eléri a két ekvivalens, de
megkülönböztethető alapállapot valamelyikét. A hegyére állított ceruza pedig
(folytonosan) végtelen sok alapállapot közül választhat ledőlésekor. Ezeknek az
egyszerű mechanikai példáknak az analógiája nyomán indult el a modern
kvantumtérelmélet, amikor a hetvenes és nyolcvanas években sikeresen
megmagyarázta az elemi részecskék között ható erős és gyenge magerőket és
elektromágneses erőket.
[11] A newtoni
gravitációelméletben a gravitáció egyetlen forrása az anyag tömegsűrűsége. Más
szóval nem számít, hogy milyen színű, szagú, kémhatású, energiájú, sebességű,
stb. egy test, gravitáló hatását kizárólag tömege határozza meg. Einstein általános
relativitáselméletében megnőtt a szereplők száma: az anyageloszlás tíz különböző
paramétere szól bele, milyen gravitációs hatást fejt ki, azaz miképpen görbíti a
téridőt a rendszer. Nyugvó anyageloszlás esetén a két fő paraméter a
tömegsűrűség és a nyomás. A teljes gravitációs hatást a tömegsűrűség és a -
fénysebesség négyzetével osztott - nyomás háromszorosának összege határozza
meg. Közönséges, a hétköznapi fizikában előforduló anyagok esetében e tíz
paraméter közül kilenc, köztük a nyomás, elhanyagolhatóan kicsi a tizedikhez - a
tömegsűrűséghez képest. (Számítsuk ki, hogy egy atmoszférányi nyomás a
fénysebesség négyzetének hatalmas értékével osztva milyen csekély
tömegsűrűségnek felel meg!) Így ebben az esetben Newton gravitációelmélete jó
közelítésnek bizonyul. Csakhogy vannak a közönséges, földi fizikában
megszokottól alapvetően eltérő anyagfajták is - és az ősrobbanás közvetlen
környezetében ezek voltak a meghatározók.
[12] Ha a
Világegyetem zárt modellje a helyes, akkor ez az anyagmennyiség
nagyságrendileg megegyezik az Univerzum teljes tömegével. Ha a nyílt - és ezért
térben végtelen - modell a helyes, akkor a fenti számadat csak a végtelen világ
általunk pillanatnyilag belátható - a fény által az ősrobbanás óta megtett út által
meghatározott sugarú - részének tömegét jelenti.
4. FEJEZET
[1] Ugyanebben az
évben (1932) fedezték fel az atommag alkotórészeként a proton elektromosan
semleges rokonát, a neutront (neutrális = semleges). Ettől megkülönböztetendő
látta el Pauli az eredetileg általa is neutronnak
nevezett részecskét az olasz -ino kicsinyítőképzővel. Így tehát neutrínó =
"semlegeske".
[2] Mint már
korábban szó volt róla, minden csillag tartalmaz legalább 25%-nyi, az ősrobbanás
utáni első percekben keletkezett héliumot is.
[3] A Rák-köd nem
a Rák csillagképről, hanem furcsa, szálas szerkezetéről, a fényképeken rákra
emlékeztető alakjáróí kapta nevét. Ez a szerkezet az erős mágneses terek által
elrendezett, csapdába ejtett gázoknak köszönhető. A szupernóva-maradványok
erős mágneses tere által felgyorsított elemi részecskék alkotják a kozmikus
sugárzás fő forrását.
[4] A
neutroncsillag elektromágneses sugárzásának nagy része a csillag igen nagy
mértékben felerősödött, gyors forgásra késztetett mágneses tere által kibocsátott
rádiósugárzás. Ez a sugárzás a forgásnak megfelelő szabályos, periodikus
pulzálás formájában érkezik a Földre (ezért nevezték az ilyen sugárzást kibocsátó
objektumokat pulzároknak). Az első pulzár felfedezésekor, a hatvanas évek
közepén a szabályos rádiójeleket a "kicsi zöld emberkék" üzenetének hitték.
Később azonosították a pulzárokat a harmincas években elméletileg megjósolt
neutroncsillagokkal.
[5] A fekete lyuk
első közelítésben olyan hatalmas gravitációjú objektum, amelyet még a fény (és
ezért semmi más) sem képes elhagyni, mert felszínén a szökési sebesség
meghaladja a fénysebességet. Pontosabb leírása csak az általános
relativitáselmélet keretében lehetséges. A következő fejezet részletesebben
foglalkozik a fekete lyukak fizikájával.
[6] A csillaglégkör
ledobott külső része vékony, táguló gömbhéj formájában veszi körül a csillagot.
Ezt a látványos égi objektumot planetáris ködnek nevezik.
[7] Roppant kicsik
- egy csillaghoz mérve. Egy tipikus fehér törpe akkora, mint a Föld, azaz kb. 10
000 km átmérőjű. (Vessük ezt össze a Nap típusú csillagok 1-2 millió km-es,
illetve a vörös óriások néhány száz millió km-es méretével.) Ezzel szemben a
szupernóvarobbanás után visszamaradó neutroncsillagok, amelyek még mindig
tartalmazzák az anyacsillag tömegének jelentős részét, csak kb. 10 km
átmérőjűek. Hozzájuk képest a fehér törpe valóságos óriás! A neutroncsillag
anyagát a gravitáció még a fehér törpe szupersűrű anyagánál is sokkal nagyobb
mértékben préseli össze.
[8] A csillagászok
sokat vitatkoznak arról, hogy a Tejútrendszer anyagának mekkora hányada lehet
jelen ilyen kihűlt csillagmaradvány, ún. fekete törpe formájában. (Ne tévesszük
össze ezeket a barna törpékkel, amely a csillaggá nem fejlődő, ahhoz túl kis
tömegű sűrű gázfelhők neve.) Lehetséges, hogy a későbbi fejezetekben sokat
emlegetett sötét anyag egy része fekete törpékből áll.
5. FEJEZET
[1] Korábban - a
Világegyetem időbeli végtelenségének dogmája alapján állva - sokan úgy
gondolták, hogy kell működnie valahol a világban egy olyan folyamatnak, amely
a csillagok elhasznált salakanyagát visszaalakítja szűz hidrogénné, hogy abból új
csillagok keletkezhessenek. Ilyen folyamatoknak semmi nyoma, emellett
létezésük ellentmondana a fizika ismert törvényeinek. Egyesek (ld. pl. Labérenne
idézett, 1960-as kiadású könyvét) mégis komolyan érveltek e folyamatok létezése
mellett - hiszen a világnak állandó állapotúnak kell maradnia. Ilyen
abszurd helyzetekhez vezethet a természettudományokban egy filozófiai vagy
esztétikai jellegű dogmához való merev ragaszkodás és a belőle következő
struccpolitika.
[2] A Röntgen-
sugárzást angol nyelvterületen - Röntgen eredeti szóhasználata szerint - X-
sugárzásnak nevezik.
[3] Lehetséges,
hogy a fekete lyukak anyagelnyelése nem folyamatos, hanem periodikus jelenség.
A lyukba zuhanó anyag által kibocsátott sugárzás irtózatos sugárnyomása
mintegy kisöpri a lyuk környezetéből a befelé igyekvő távolabbi anyagdarabokat.
Aztán elfogy a behulló anyag, gyengül a sugárzás, és ismét győz a gravitáció:
újabb anyaghullám zúdul a lyukba. Ezután kezdődik minden elölről. Lehet, hogy
a Tejútrendszer magjában észlelt bonyolult struktúra egy ilyen időben periodikus
folyamat térbeli nyomait őrzi.
[4] A rendszer
nyolcórás "évéről" van szó!
[5] A gravitációs
hullámok kisugárzása nemcsak az égitestek egymás körüli keringését, hanem a
neutroncsillagok gyors forgását is fékezi. Egy gáz vagy folyadék halmazállapotú
forgó test perdületének csökkenésére anyagának folytonos átrendeződésével (a
lapultság csökkentésével), és így a forgás szögsebességének, tehát a kibocsátott
pulzáló sugárzás frekvenciájának folytonos csökkenésével reagálna. A
neutroncsillagok jelentős része azonban másképp viselkedik. A hosszabb időn
(hónapokon, esetleg éveken) át állandó frekvencia hirtelen, ugrásszerűen
csökken, majd ismét sokáig állandó marad. Ezt a földrengésekhez hasonló
mechanizmussal értelmezhetjük: a csillag anyaga egy "csillagrengés" során
hirtelen rendeződik át a perdület csökkent értékének megfelelő alakúra, majd az
alak állandó marad, miközben újból gyűlni kezdenek a belső feszültségek,
amelyek később kiváltják majd a következő csillagrengést. Ilyen belső
feszültségek csak szilárd anyagban ébredhetnek, ezért a neutroncsillagok
megfigyelt hirtelen periódusváltozása nemcsak a gravitációs sugárzás létének egy
új, független - bár közvetett - bizonyítékául szolgált, hanem egyben lehetővé tette
az anyag egy új, közvetlen kísérlettel talán soha sem vizsgálható állapotának, a
hihetetlenül nagy nyomás hatására kialakuló szilárd neutronkristálynak a
felfedezését is.
[6] Sok számítást
végeztek arra vonatkozóan is, hogy a Naprendszeren áthaladó gravitációs
hullámot a különböző űrszondák pályájának kismértékű, de szisztematikus és
korrelált torzulása alapján mutassák ki. Sajnos ez az effektus is csekély. Tervezik
egy speciális, gyorsan forgó precíziós pörgettyűt szállító műhold felbocsátását is.
A gravitációs hullám hatására a pörgettyű tengelye észrevehetően elmozdulna. A
számítások szerint ez az eszköz 100 fényéves körzetből észlelni tudná pl. egy
kettős neutroncsillagrendszer vagy egy szupernóvarobbanás gravitációs
sugárzását.
[7] Egyes
számítások szerint az űrhajós mégis észreveheti a fekete lyuk határát, ha
oldalra néz. Így a szemébe jutnak ugyanis azok a fénysugarak,
amelyek a fekete lyuk gravitációs terében csapdába esve, mintegy műholdként
körpályán keringenek a lyuk körül. Ha tehát nagy tömegű égitest körül
ólálkodunk, és a központ reménytelenül sötét, viszont erre merőleges irányból
hirtelen fényfelvillanást látunk, igen jó esélyünk van rá, hogy éppen beestünk egy
fekete lyukba. Sajnos ezt a hírt már nem mondhatjuk el senkinek. (A pontosabb
számítások szerint a keringő fénysugarak pályájának sugara az eseményhorizont
sugarának másfélszerese, tehát ha a fényfelvillanás után gyorsan észbekapunk,
még elmenekülhetünk.)
[8] Ez a jelenség a
speciális relativitáselméletben megismert idődilatáció, azaz az időinterrvallumok
hosszúsága relativitásának igencsak szélsőséges esete.
[9] Az itt használt
angol szó: "gateway", egyben F. Pohl egyik fantasztikus regényének címe is
(magyarul Átjáró címmel jelent meg), melynek alapkonfliktusa az,
hogy a főhős véletlenül belökte szerelmét egy fekete lyukba. Az idő fent vázolt
relativitása miatt a lyukba zuhanó hölgy szemrehányó tekintete hősünket haláláig,
sőt az örökkévalóságig elkíséri.
6. FEJEZET
[1] Nemcsak
hasonlóan, hanem azonosan! Mint tudjuk, a Világegyetem tágulását Einstein
általános relativitáselmélete, azaz a gravitáció modern elmélete írja le. Ennek
egyenletei még a szakemberek számára is ijesztően bonyolultak. Ám ha az
elméletet az egyenletes tömegeloszlású táguló Világegyetemre alkalmazzuk, a
tágulás ütemét leíró, hosszas számolás után megkapható egyenlet azonos lesz a
Földről feldobott kő mozgását leíró közismert egyenlettel, ennélfogva
megoldásai, azaz a lehetséges mozgások fajtái is azonosak. Ezt az analógiát
használja ki a tágulás egyenletének egy egyszerű, az általános relativitáselméletet
messze elkerülő levezetése.
[2] A 3. fejezet 6.
lábjegyzetében leírtak szerint a következőkben "a Világegyetem tömegéről"
olvasva gondoljunk mindig a Világegyetem átlagos sűrűségére. Ez zárt és nyílt
világban is véges, és (elvben) mérhető. A szövegben szereplő konkrét számítások
a látható, azaz a Nagy Bumm óta eltelt idő alatt a fénysugár által bejárt
Világegyetemre vonatkoznak, amely véges és végtelen világ esetén is véges, egy
kb. 15 milliárd fényév sugarú gömb.
[3] Ez kb. 1 protont
jelent 10 m3 térfogatban, másképp kifejezve: 10-31
g/cm3 sűrűséget.
[4] "Közönséges
anyagon" itt azt kell érteni, mintha a Világegyetem fent kiszámolt tömege csak
elektronok formájában lenne jelen. Célszerű követni ezeket az igen nagy és igen
kicsiny számokat tartalmazó egyszerű számításokat pl. a fizikai állandóknak a
középiskolai függvénytáblázatban szereplő értékeit használva.
[5] 1975-ben
Szalay A. Sándor és Marx György éppen a kozmológiai adatokból kiindulva
adott felső és alsó korlátot is a neutrínó tömegére. (Korábban mindig csak felső
korlátot közöltek, hallgatólagosan feltételezve, hogy az igazi érték pontosan
nulla.) Akkoriban még újdonságszámba ment, ma már bevett gyakorlat, hogy
kozmológiai modellek és megfigyelési adatok alapján becsülnek meg nehezen
vagy sehogyan sem mérhető részecskefizikai paramétereket. A kapott érték az
elektron tömegének mintegy húszezredrésze volt. 1980-ban egy szovjet
kutatócsoport a radioaktív béta-bomlás pontos mérésével az előrejelzetthez közeli
tömegértéket kapott. Ezt az eredményt azonban más, független laboratóriumi
mérések nem erősítették meg. A kérdés ma is nyitott. A helyzetet bonyolítja,
hogy a részecskefizika és a kvantumtérelmélet további fejlődésével új hipotetikus
részecskék légiója bukkant fel. Ezek mind helyet követelnek maguknak a Nagy
Bumm után az energiatortán való osztozkodáskor. Így egyre nehezebb az egyes
részecslcékre független becsléseket adni. A kutatónak a konkrét számolás előtt el
kell köteleznie magát az elmélet valamelyik változata mellett: ez általában
gyengíti a kapott eredmény meggyőző erejét.
[6] 1994 elején a
kísérleti részecskefizikusok a harmadik, másfél évtizede keresett neutrínó-fajta
(tau-neutrínó) létezését is kimutatták.
[7] Felmerült, hogy
a gravitációs lencsehatást kiaknázva magát a Napot használjuk
csillagászati távcsőként. Egy megfelelően felszerelt űrszonda - néhány évtized
alatt - messze elhagyja a Naprendszert, majd visszanéz. Ekkor a Nap gravitációs
tere által fókuszáit fényt begyűjtve alaposan megvizsgálhatja a Nap túlsó oldalán
levő csillagászati objektumokat. A számítások szerint ezzel a módszerrel akár a
közeli csillagok egyes bolygói is felismerhetők lesznek. A szonda adatait rádión
továbbítja a Földre. Továbbhaladva - mint amikor a távcső lencséjét mozgatjuk -
mindig más és más objektum képe lesz éles, kerül fókuszba. Így a szonda egész
működési ideje alatt (ami néhány évszázad is lehet!) ontja a csillagászati
információkat. A technikai előkészítés megkezdődött, a szonda a tervek szerint a
2010-20-as években indulhat. A csillagászok már vitatkoznak: merre van az égen
az a legérdekesebb objektum, amivel ellenkező irányba kell a szondát
küldeni.
[8] Azóta az
észlelések száma szaporodott. A gravitációs mikrolencsehatás valószínű okozói
barna törpék, a csillagfejlődés korai stádiumában megrekedt, a csillaggá váláshoz
túl kis tömegű sűrű gázfelhők, amelyekből igen sok kószálhat szerte a
Galaxisban. Saját fényük nem lévén, csak ezzel a módszerrel észlelhetők. Az első
mérési adatok alapján végzett becslés szerint jelenlétük a Tejútrendszer
gravitációs tömeghiányának mintegy felét magyarázhatja meg. Nem alkalmasak
azonban a galaxisközi, a galaxishalmazokat összetartó sötét anyag szerepére.
[9] Híres
próbálkozás volt pl. Arthur Eddingtoné, aki a (zárt) Világegyetem összes
részecskéinek számát (kb. 1080) az elektron és proton között ható
elektromos és gravitációs vonzóerő hányadosának (értéke 1040 =
e2/Gm2, ahol e az elemi töltés,
G a gravitációs állandó, m egy tipikus elemi részecske
tömege) négyzetével azonosította, majd ezt a számot is igyekezett - a relativitás-
és kvantumelmélet saját gyártmányú egyesítése segítségével - valami "még
alapvetőbből" levezetni. Dirac ugyanezt a 1080 számot az
Univerzum elemi időegységekben kifejezett korának tekintette, és ezzel időben
változónak tételezte fel - ekkor természetesen valamelyik természeti "állandó"
változását is fel kellett tennie. Az alapvető természeti törvényekben szereplő
állandók dimenziótlan kombinációi közti meglepő összefüggések manapság az
ún. antropikus elv híveinek szolgáltatnak érveket.
[10] Ez az érvelés az
antropikus elv (másnéven a lakható világ elve)
felhasználásának tipikus példája. Az elv szerint a világ leírása és magyarázata
során figyelembe kell venni azt az elemi tényt, hogy ennek a világnak lakói
vannak - mi magunk (esetleg mások is, de ez nem szükséges az érveléshez). Az
észlelt világnak olyannak kell lennie, hogy lehetővé tegye saját létezésünket;
ezért a világmagyarázat sem mondhat ennek ellent. Ha pl. egy - bármilyen szép -
kozmológiai modellből az következne, hogy a világ még a csillagok begyulladása
előtt, mondjuk egymillió évvel a Nagy Bumm után magába roskad, ezt a modellt
sajnálattal el kell vetnünk, hiszen a modell világában mi nem léteznénk. Ez a
látszólag triviális és ártatlan kikötés máris jelentősen megszorítja - az adott
modellosztályon belül - a használható paraméterek értékét. Tudjuk, hogy
világunk elérte a csillagkorszakot, ez megköveteli a finomhangolás - a kritikus
sűrűség megközelítése - bizonyos mértékét, ezért pl a felfúvódó
modellosztályban a felfúvódás ideje nem lehet kevesebb száz "szempillantásnál".
Itt belép egy pszichológiailag fontos tényező: a táguló Világegyetem egymást
követő korszakai mindig sok nagyságrenddel hosszabbak az összes megelőzőnél
(a "dramaturgiai időskála" logaritmikus). Valóban: bár már milliárd évek teltek
el, azaz jóval több, mint az Univerzum csillagkort megelőző teljes életkora, a
csillagkor még épphogy elkezdődött, sok a szűz, feldolgozatlan hidrogén. Az
előző fejezetben ismertetett, a fekete lyukak gravitációs energiáját kiaknázó
civilizációk pedig már százmilliárd éves skálán tervezhetnek. Az időskála
megnyúlásának alapvető oka a Világegyetem tágulása miatt bekövetkező hűlés, a
fizikai folyamatok lassulása. A táguló világ bármely korszakának bekövetkeztét
"követeljük meg" az antropikus elv alapján, bármelyik korszakban ébred
öntudatra egy hipotetikus értelmes lény, mindig úgy fogja érezni, hogy saját
korszaka - rövid előjáték után - éppen hogy csak elkezdődött. Ezért igen
valószínűtlennek fogja tartani a világ paramétereinek olyan beállítását, hogy az
alig elkezdődött korszak máris véget érjen - hiszen annyi más lehetőség van! Így
konklúziója mindig megegyezik a fenti szövegben szereplővel: a világnak még
valószínűleg sokkal több ideje van hátra, mint amennyi eddig eltelt. Ez az érzelmi
alapú logika hasonlít annak az embernek az okoskodásához, aki halhatatlannak
hitte magát, mondván: eddig már oly sok napon meghalhatott volna, így igen
valószínűtlen, hogy éppen ma következzen be a sajnálatos esemény A kritikus
lépés - mint az antropikus elvvel kapcsolatban kimutatott furcsaságok esetén
mindig - a valószínűség, illetve a valószínűtlenség fogalmainak
használata. Lehet-e, szabad-e egy egyszeri Világegyetemben a
paraméterek értékeinek valószínű vagy valószínűtlen voltáról beszélni? Ez az a
kérdés, mely sokakat visszarettent - másokat pedig vad spekulációkra ösztönöz.
7. FEJEZET
[1] Pontosabban: ez
a jelenség csak forgó fekete lyukak környezetéban, az
eseményhorizont és az azt körülvevő másik kritikus felület között, az ún.
ergoszférában következhet be.
[2] A fekete lyuk
effektív hőmérséklete egyszerűen fordítva arányos tömegével.
[3] A fekete lyuk
tehát a kibocsátott hősugárzás, azaz a hűlés következtében melegebb lesz. Úgy is
fogalmazhatunk, hogy fajhője negatív. Ez a furcsaság azonban nemcsak a fekete
lyukak egyedülálló tulajdonsága. Máshol is fellép a fizikában és a
csillagászatban, ha a gravitáció és a termodinamika találkozik. Legjobb példa erre
a csillagok keletkezése, illetve az ehhez vezető folyamat, a gázfelhők gravitációs
összehúzódása. Az összezsugorodó gázfelhő felmelegszik, gravitációs
energiájának egy része hővé alakul. A meleg gáz azonban hősugárzás formájában
kibocsátja az energia egy részét - a pontos számítás szerint a felét -, ezáltal
hőmérséklete és így nyomása nem nő olyan mértékben, mint ha pl. zárt tartályban
lenne. A nyomás nem képes ellenállni a gravitációnak - a felhő tehát
folyamatosan zsugorodik, sugározva hűti magát, és egyre melegszik. Ennek a
rendszernek is negatív tehát a fajhője. A zsugorodást kétféle mechanizmus
állíthatja meg: vagy fellép egy extra, nem termikus eredetű nyomás (durván
szólva: a részecskék összeérnek), vagy a felhő közepén beindul a magfúzió, és a
felszabaduló hő miatt megnövekvő nyomás szegül ellene a gravitációnak. A
fekete lyukak elpárolgásakor nem ismerünk hasonló korlátozó mechanizmust: a
folyamat instabil lesz, megszalad, és véges idő alatt elvezet a végkifejlethez: a
lyuk teljes elpárolgásához.
[4] A fekete lyukak
"elpárolgásához" szükséges idő kiinduló tömegük köbével arányos.
[5] Ezt a törvényt,
amely megtiltja a proton pozitronná alakulását, Wigner Jenő állította fel. A
törvény a bariontöltés nevű mennyiség megmaradását mondja ki. A proton a
legkönnyebb, még bariontöltést hordozó részecske, így töltését nem tudja kinek
továbbadni - ezért stabil. Az új elméletek szerint a bariontöltés megmaradása nem
egzakt, csak közelítő természet-örvény, így kis valószínűséggel, de
bekövetkezhet a proton bomlása. (Hasonló mechanizmusú, de jelenlegi tudásunk
szerint szigorúan teljesülő törvény, az elektromos töltés megmaradása okozza a
legkönnyebb elektromosan töltött részecske, az elektron abszolút stabilítását.)
[6] Hasonlítsuk
össze az itt vázolt nem túl szívderítő képet Arthur Eddington 1934-ben írt
soraival: "...Széles körökben feltételezik, hogy a protonok és elektronok végső
rendeltetése: egymás megsemmisítése és a bennük rejlő energiának sugárzás
alakjában való felszabadítása. Ha ez így van, akkor a világmindenségből
végeredményben egy mindinkább ritkuló, mindig nagyobb hullámhosszúságú
sugárzásból álló golyó lesz." (I. m. 71. o. Donhoffer Szilárd fordítása) A
tudomány időközben hatalmas utat tett meg, feltételezve, majd elejtve a proton
stabilitásának tételét, új szereplők, elemi részecskék, galaxismagok, fekete lyukak
kerültek a színpadra, hogy röpke szerepük eljátszása után ismét letünjenek. És a
fizika 1994-es állása szerint ismét csak Eddingtont kell idéznünk: "Így talán
leírhatom a világ végét - egyetlen, lenyűgöző rádió-közvetítés alakjában."
8. FEJEZET
[1] A gyarmatosítás
szó nyomán ne gondoljunk holmi galaktikus birodalomra, a Galaxis császárára és
repülő csészealjakon a Tejút egyik végéből a másikba száguldozó katonáira. A
fantasztikus regények galaktikus birodalmának elengedhetetlen kelléke a hipertéri
rádió és a hiperhajtómű, amelyekkel a hősök a fénysebesség korlátjának fittyet
hányva ésszerű idő alatt üzenhetnek és közlekedhetnek csillagról csillagra. A
fizikai realítás birodalmában maradva azonban a Tejútrendszer mérete, az emberi
élettartam és a fénysebesség feloldhatatlan ellentmondás-gubancot alkot. A jövő
gyarmatosított Galaxisa igen prózai lesz: jobban hasonlít a polinéz szigetvilágra
vagy a középkori Európa elszigetelt jobbágyfalvainak rendszerére, mint a mai
világfalura. Az egyes naprendszerek lényegileg önellátók, csak közvetlen
szomszédaikkal tartanak fenn kereskedelmi és kommunikációs kapcsolatot.
Központi igazgatás, kormányzat nem alakulhat ki, illetve nem tud tartósan
fennmaradni. Csak az igen fontos hírek, tudományos eredmények, lassan terjedő
kulturális irányzatok járják át az egész Galaxist, a többi csak helyi érdekességű
lehet. Az emberek nemigen utaznak - kényelmetlen és célja se nagyon van. Ehhez
járul még a biológiai diverzítás: minden bolygón kialakul/alakítják a maximálisan
alkalmazkodott emberfaj/t, melynek egyedei esetleg nem is viselnék el a másik
bolygó viszonyait. De ebben rejlik a provincializmusból való kiemelkedés kulcsa
is: a hármas gubanc két tényezője adott, az egyetlen megváltoztatható tényező az
emberi életkor, életrimus, és egyáltalán: maga az ember. Lehet, hogy a távolabbi
jövő kiborg-utóemberei már nem is unják magukat halálra, amikor néhány száz
évnyi űrutazással elugranak a legközelebbi strandbolygóra.
[2] Douglas Adams
Galaxis útikalauz-sorozatában szerepel egy szerencsétlen halhatatlan,
aki már minden könyvfilmet legalább nyolcvanezerszer látott.
[3] Az agy tudatos
működése és a kvantumgravitáció még csak csírában meglevő elmélete között
lehetséges mély kapcsolatokra hívta fel a figyelmet Roger Penrose
magyarul is megjelent könyvében.