VILÁG-EGYETEM

Martin Rees
CSAK HAT SZÁM
Az Univerzumot kialakító erők

(Tartalom)

Előszó

A csillagászat a legősibb számszerű tudomány, amely a régebbi időkben fontos szerepet játszott a naptárkészítésben és a hajózásban. Ma a felfedezések virágkorát éli. Az új évezred beköszöntével az időre összpontosuló figyelem jelentősen megnövelte az érdeklődést kozmikus környezetünk iránt. A csillagászat még ma is a számok tudománya, és ez a könyv hat olyan számnak a története, amelyek univerzumunk s benne elfoglalt helyzetünk szempontjából sorsdöntők.
A régi térképek elmosódott szélére ezt írták az egykori térképrajzolók: „Ott sárkányok laknak.” Azután úttörő hajósok körbehajózták a földgolyót, felvázolták a főbb szárazföldeket és óceánokat, majd a későbbi felfedezők megtöltötték azokat a részletekkel. De akkor már nem maradt semmi remény újabb szárazföldek felfedezésére, és nem számíthattak arra sem, hogy a Föld méretére és alakjára vonatkozó ismereteinket gyökeresen át kell értékelni.
Figyelemre méltó, hogy a XX. század végére ugyanezt a szintet értük el a világmindenség feltérképezésében: most a nagy körvonalak kerülnek középpontba. Ez a különféle módszereket alkalmazó csillagászok, fizikusok és mérnökök ezreinek közös teljesítménye. Modern távcsövek fürkészik a tér mélységeit, és mivel a távoli égitestek fénye hosszú ideig utazik felénk, egyúttal bepillantást engednek a távoli múltba is: olyan „ősmaradványokat” fedeztünk fel, amelyek a kozmikus történelem első néhány másodpercnek nyomát őrzik. A műholdak neutroncsillagokat, fekete lyukakat és más rendkívüli jelenségeket tártak szemünk elé, amelyek kibővítették a fizika törvényeire vonatkozó tudományos ismereteinket. Ez az előrehaladás hihetetlen mértékben kitágította kozmikus látóhatárunkat. Ezzel párhuzamosan folyt az atomon belüli mikrovilág kutatása, amely új bepillantást engedett a tér természetébe a legparányibb léptékekben.
A kialakuló kép – amely nem csupán térbeli, hanem időbeli térkép is – nem olyan, amilyenre a legtöbben számítottunk. Új távlatba helyezi, hogy miként hozta létre egyetlen „teremtő esemény” galaxisok milliárdjait, fekete lyukakat, csillagokat és bolygókat, miként álltak össze az atomok – itt a Földön, és talán más világokban is – olyan élő teremtményekké, amelyek elég bonyolultak ahhoz, hogy eredetükön töprengjenek. Mélyen gyökerező kapcsolatok fűzik össze a csillagokat és az atomokat, a mikrovilágot és a világmindenséget. Ez a könyv – kerülve a szakmai részleteket – azokat az erőket írja le, amelyek döntő befolyással vannak ránk és egész univerzumunkra. Felemelkedésünk és fennmaradásunk a világmindenség egészen különleges „hangolásán” múlik – egy olyan világmindenségén, amely akár sokkal hatalmasabb is lehet annál az univerzumnál, amelyet jelenleg látunk.

Köszönetnyilvánítások

Az első köszönő szavakkal azoknak a munkatársaimnak tartozom, akikkel az évek során át együtt kutattunk és gondolkodtunk. De ugyanilyen hálás vagyok azokért a mélyen szántó kozmológiai vitákért, amelyeket nem szakemberekkel folytattam: mindig új megvilágításba helyezték a dolgokat, kiemelték az „átfogó képet”, emlékeztettek arra, hogy a legfontosabb kérdésekre még nem tudunk válaszolni. Külön köszönetet mondok ezért David Hartnak, Graeme Mitchisonnak, Hans Rausingnak és Nick Webbnek. Ez a könyv a hozzájuk hasonló, általános érdeklődésű olvasóknak szól. Megpróbáltam – kerülve a szakmai részleteket – beilleszteni a szövegbe az új felfedezéseket, elkülöníteni a jól megalapozott érveléseket az intuitív okoskodásoktól, továbbá hangsúlyozni kívántam a még mindezeken túlnyúló rejtélyeket.
Köszönöm John Brockmannek a felkérést, hogy járuljak hozzá a Világ-Egyetem (Science Masters) sorozathoz, és elnéző türelmét a könyv hosszadalmas kihordása során. Toby Mundy és Emma Baxter a Weidenfeld és Nicolson Kiadótól nagy támaszt jelentettek az alkotás és a szerkesztés folyamatában. Köszönöm nekik; továbbá megköszönöm Richárd Swordnek és Joop Schaye-nek az ábrák, Brian Amosnak a tárgymutató elkészítését, Judith Mossnak pedig titkárnői segítségét.

1. FEJEZET

Az univerzum és a mikrovilág

Az ember... kibogozhatatlan kapcsolatban áll az egész valósággal, ismerttel és megismerhetetlennel... egy plankton, egy pislákoló foszforeszkálás a tengeren, a forgó bolygók, a táguló univerzum, valamennyi összekapcsolódik az idő rugalmas fonala által. A visszavonuló tengerár hagyta tócsából érdemes föltekinteni a csillagokra, majd ismét visszapillantani a kis tócsára.

John Steinbeck: Hajónapló a Fakéreg tengeréből

Hat szám

Az univerzumunkban végbemenő folyamatokat matematikai törvények írják le – így van ez nem csupán az atomok, hanem a galaxisok, a csillagok és az emberek világában is. Az atomok tulajdonságai – méretük és tömegük, sokféleségük, és a köztük fellépő erők – határozzák meg hétköznapi világunk kémiai folyamatait. Maguknak az atomoknak a létezése is az őket alkotó részecskéken és a köztük ható erőkön alapul. A csillagászok által vizsgált égitestek – bolygók, csillagok és galaxisok – viselkedését a gravitáció ereje irányítja. Mindez egy olyan táguló univerzum színpadán történik, amelynek főbb tulajdonságai a kezdeti Nagy Bumm idején vésődtek belé.
A tudomány előrehaladása során a természet egyre több szabályát és törvényszerűségét ismeri fel az ember, s így mind több jelenséget von be az általános fogalmak és törvények körébe. Az elméleti kutatók célja az, hogy a fizikai törvények lényegét átfogó egyenletekbe és néhány számba sűrítsék. Bár ezen az úton még sok lépés vár ránk, az eddigi fejlődés is mindenképpen figyelemre méltó.
Ez a könyv hat olyan számról szól, amelyek jelenleg különösen fontosnak látszanak. Kettő közülük az alapvető erőkkel kapcsolatos; kettő univerzumunk méretét és szerkezetét szabja meg, és azt, hogy mindörökre fennmarad-e; végül az utolsó kettő magának a térnek a tulajdonságait rögzíti:

• Az univerzum azért olyan hatalmas kiterjedésű, mert a természetben van egy döntő szerepet játszó nagy szám, az N, amelynek értéke 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000. Ez az atomokat összetartó elektromos erőnek és a köztük fellépő gravitációs vonzóerőnek az arányát adja meg. Ha az N-ben néhánnyal kevesebb zérus szerepelne, csak egy sokkal rövidebb életű miniatűr univerzum létezhetne, amelyben egyetlen teremtmény sem nőhetne nagyobbra egy rovarnál, és nem volna elegendő idő biológiai evolúcióra.

• Egy másik szám, az ε (epszilon), amelynek értéke 0,007, azt adja meg, hogy az atommagok mennyire szorosan kötöttek, és hogyan formálódott ki minden – Földünkön is létező – atom. Ennek értéke szabályozza a Nap energiatermelését, továbbá azt, hogy a csillagok hogyan változtatják a hidrogént a periódusos rendszer valamennyi elemévé. A csillagokban végbemenő folyamatok magyarázzák, hogy a szén és az oxigén miért sokkal gyakoribb, mint az arany vagy az urán. Ha ε értéke 0,006 vagy 0,008 lenne, mi nem létezhetnénk.

• A kozmikus szám, az Ω (ómega) az univerzumunkban levő összes anyag mennyiségét méri – a galaxisokét, a diffúz gázfelhőkét és a „sötét anyagét”. Ez az Ω árulja el nekünk az összehúzó gravitációnak és az univerzum tágulásának viszonyát. Ha ez az arány jócskán meghaladna egy bizonyos „kritikus” értéket, akkor világunk már rég összeroppant volna; ha viszont sokkal kisebb lenne, akkor sem galaxisok, sem csillagok nem alakulhattak volna ki benne. Úgy tűnik, hogy a tágulás kezdősebessége nagyon pontosan be volt hangolva.

• A negyedik szám, a λ (lambda) létezésének kimutatása az 1998-as év legnagyobb tudományos szenzációja volt. Kiderült, hogy egy nem is gyanított új erőhatás – a kozmikus „antigravitáció” – befolyásolja univerzumunk tágulását, jóllehet milliárd fényévnél kisebb méretekben nincs kimutatható hatása. Ahogy táguló univerzumunk egyre sötétebbé és üresebbé válik, úgy gyűri egyre inkább maga alá ez az erő a gravitációt és a többi erőhatást. Szerencsénkre (és az elméleti szakemberek nagy meglepetésére), a λ értéke nagyon kicsi. Ha nem így lenne, akkor hatása leállította volna a galaxisok és a csillagok kialakulását, tehát a kozmikus evolúció már tényleges megkezdődése előtt kifulladt volna.

• Minden kozmikus szerkezet – a csillagok, a galaxisok és a galaxishalmazok – gyökerei egészen a Nagy Bummig nyúlnak vissza. Univerzumunk szerkezetét egyetlen Q szám határozza meg, amely két alapvető energiafajta aránya, és értéke 1/100 000. Ha Q valamivel kisebb lenne, az univerzum élettelen volna és szerkezet nélküli, ha pedig sokkal nagyobb lenne, akkor olyan viharos hely volna, amelyben sem csillagok, sem bolygórendszerek nem maradhatnának fenn, és amelyet hatalmas fekete lyukak uralnának.

• A hatodik meghatározó jelentőségű szám már évszázadok óta ismeretes, jóllehet most új szemszögből ítéljük meg. Ez a tér dimenzióinak száma a világban, a D, amely három. Ha D kettő vagy négy volna, nem létezhetne élet. Világunk negyedik dimenziója az idő, amelynek a többitől teljesen eltérő módon „beépített” iránya van: benne csakis a jövő felé „mozoghatunk”. Fekete lyukak közelében a tér annyira meggörbül, hogy ott a fény körbe-körbe jár, és az idő megáll. A Nagy Bummhoz közeleső időszakban, továbbá nagyon kis méretekben viszont feltárulhat a tér legmélyebb háttérszerkezete: az úgynevezett „szuperhúrok” rezgése és harmóniája egy tízdimenziós küzdőtéren.

Lehetséges, hogy ezek között a számok között valamiféle kapcsolat áll fenn. Pillanatnyilag azonban egyiknek az értékét sem tudjuk levezetni a többiéből. Azt sem tudjuk, lesz-e valaha is olyan „mindent leíró elmélet”, amely kapcsolatot teremt közöttük, vagy egyesével mindegyiket meghatározza. Azért irányítom a figyelmet rájuk, mert univerzumunkban mindegyikük meghatározó és megkülönböztetett szerepet játszik, együttesen pedig megadják, hogyan fejlődik a világmindenség, és milyen lehetőségek lappanganak benne. Ráadásul közülük hármat (amelyek a nagyléptékű univerzumhoz kapcsolódnak) megmérni is csupán nemrégiben sikerült.
Ez a hat szám egy univerzum „receptjét” adja meg. Ráadásul a folyományok érzékenyen függnek a számok tényleges értékétől: ha bármelyikük „elhangolódna”, nem létezhetnének sem csillagok, sem élet. Lehetséges, hogy összehangoltságuk csupán puszta tény, véletlen egybeesés? Vagy egy jószándékú Teremtő előrelátó gondoskodása? Én úgy vélem, hogy egyik sem. Más univerzumok sokasága létezhet, amelyekben ezeknek a számoknak az értéke egészen más lehet. A legtöbbjük eleve halva született vagy meddő világ. Mi csakis egy olyan univerzumban fejlődhettünk ki (ezért természetszerű, hogy csak egy ilyenben találhatjuk magunkat), amelyet éppen a „jó” kombináció jellemez. Ez a felfogás gyökeresen új távlatba helyezi univerzumunkat, benne elfoglalt helyünket és a fizikai törvények természetét.
Bámulatba ejtő, hogy egy táguló univerzum, amelynek kiindulópontja olyannyira „egyszerű”, hogy csupán néhány számmal meghatározható, hogyan fejlődhetett (feltételezve, hogy e számok „össze voltak hangolva”) a mi komplex szerkezetű univerzumunkká. Kiindulásként rendezzük be ezt a színpadot, vegyük szemügyre a különféle méretű szerkezeteket az atomoktól a galaxisokig.

A világ egy gumiobjektíven keresztül

Kezdjük a zoomolást egy elkoptatott, néhány méteres távolságból készült pillanatfelvétellel – egy férfival és egy nővel. Majd képzeljük el ugyanezt a jelenetet egyre távolabbi nézőpontokból, amelyek mindig tízszeres távolságokban követik egymást. A második filmkocka a füves területet mutatja, ahol leheveredtek; a harmadikon kivehető, hogy ez egy köztéri parkban van; a negyedik már néhány magasabb épületet tár szemünk elé; az ötödik az egész várost mutatja; és a hatodikon már a szemhatár egy részlete látható, olyan magasból nézve, hogy görbültség is kivehető. Ettől „két kockányira” az 1960-as évek óta jól ismert, lélegzetelállító kép következik: ez a teljes Földet mutatja – szárazföldekkel, óceánokkal és felhőkkel –, amelyet, ellentétben a Hold szikár ábrázatával, a bioszféra gyengéd máza von be.
Három ugrással odébb a belső Naprendszer látható, a Nap körül a Merkur és a Vénusz pályáján túl keringő Földdel, majd a következő filmkockán a teljes Naprendszer. Újabb négy kockával odébb (néhány fényévnyi távolságból) Napunk már csupán egy csillag a sok között. Ismét hármat ugorva a Tejútrendszerünk több tízezer fényévnyire elnyúló lapos korongjában levő, milliárdnyi hasonló csillagot látjuk. Három kockával még odébb a Tejútrendszer mint spirális galaxis jelenik meg, oldalán az Andromédával. Még távolabbról Galaktikánk és a másik galaxis már csupán két pötty a Virgo galaxishalmazt alkotó több százból. Egy ennél is távolabbi kép elárulja, hogy maga a Virgo is csupán egy viszonylag szerény méretű galaxishalmaz a többi között. És ha netán képzeletbeli teleobjektívünk nagyítása elérné is a Hubble-űrtávcsőét, az utolsó felvételen az egész Galaktika még akkor is csupán egy nehezen kivehető, több milliárd fényévnyire levő fénypaca volna.
A sorozat itt véget ér. Látóhatárunk nem terjed ennél tovább: huszonöt, az előző távolságot mindig megtízszerező ugrással a néhány méteres emberi léptéktől eljutottunk megfigyelt univerzumunk határáig.
Másik képsorozatunk nem kifelé, hanem befelé halad. Az első ráközelítésnél, egy méteren belülről, egy kart látunk; néhány centiméterről – olyan közelről, amennyire ez szabad szemmel megtehető – egy kis bőrfoltot. A következő felvételek feltárják az emberi szövetek finom mintázatát, majd elvezetnek egyetlen sejtig (testünkben százszor annyi sejt van, mint ahány csillag Galaktikánkban). Ezt követően, egy hatékony mikroszkóp felbontóképességének határán bepillanthatunk a molekulák világába: itt hosszú, egymásba fonódó fehérjeláncokat láthatunk és a DNS kettős csavarját.
A következő nagyítás megmutatja az atomokat. Itt szembe találjuk magunkat a kvantumos elmosódottsággal: bizonyos határnál élesebb felvételt nem készíthetünk. Nincs olyan valódi mikroszkóp, amellyel belenézhetnénk egy atomba, ahol elektronok raja nyüzsgi körbe a pozitív töltésű atommagot. A százszor kisebb szerkezet, például az atommag, viszont letapogatható annak elemzésével, hogy a fényéhez közeli sebességre gyorsított részecskék hogyan ütköznek vele. Ez a legfinomabb részlet, amelyet közvetlenül mérhetünk, gyanítjuk azonban, hogy a természet a még mélyebben fekvő szerkezetben „szuperhúrokat” vagy „kvantumhabot” rejtegethet olyan parányi léptékben, amelyet tizenhét további ugrással közelíthetnénk meg.[1]
Távcsöveink látótávolsága olyan messzeségig terjed, amely a szuperhúrok (az atomokban feltételezett legparányibb alkotóelemek) méretéből egy hatvan számjegyű számmal szorozva kapható meg: azaz a való világról készült gumiobjektíves képsorozatunk hatvan képből állna (ezekből mai eszközeink negyvenet észlelnek). Mindennapi tapasztalataink ugyanakkor legfeljebb kilenc nagyságrendre terjednek ki, a szabad szemmel látható legkisebb, mintegy milliméteres mérettől az interkontinentális utazás távolságáig. Ez egy igen fontos és figyelemreméltó tényre világít rá, ami annyira magától értetődő, hogy már-már természetesnek vesszük: világunk roppant változatos szerkezetekből, nagyon széles skálán épül fel, amelyek sokkal távolabbra és sokkal kisebb méretekig nyúlnak, mint ameddig mindennapi tapasztalataink terjednek.

Nagy számok és eltérő léptékek

A testünket alkotó atomok száma 10^28 és 10^29 közé esik. Az „emberi tömeglépték” számszerűleg éppen félúton van az atomok és a csillagok között. Megközelítőleg éppen annyi emberi test tenné ki egy csillag tömegét, mint amennyi atom van bármelyikünkben. Ám Napunk csupán egyetlen közönséges csillag a Galaktikában, amely összességében több százmilliárd csillagot tartalmaz. A megfigyelhető univerzumban legalább annyi galaxis található, mint ahány csillag egyetlen galaxisban. Távcsöveink látókörébe több mint 10^78 atom esik.
Az élő szervezetek bonyolult szerkezetek egymásra épülő rétegeiből állnak. Az atomok összetett molekulákká szerveződnek, a molekulák minden sejtben bonyolult kölcsönhatásban állnak egymással, és közvetve elvezetnek ahhoz a sokszorosan összetett szerkezethez, amelyek egy fát, egy rovart vagy egy embert alkotnak. Az univerzum és a mikrovilág között állunk félúton – méretünk félúton van a milliárd méteres átmérőjű Nap és a milliárdod méteres méretű molekulák között. Nem véletlen egybeesés, hogy a természet éppen ezen a közepes skálán mutatkozik a legbonyolultabbnak: egy lakható bolygón bármi nagyobbat széttörne vagy összepréselne a gravitáció.
Megszoktuk azt a gondolatot, hogy a mikrovilág alakít minket: kiszolgáltatottak vagyunk a milliomod méteres vírusoknak, és a parányi DNS-molekula kettős csavarja teljes genetikai örökségünket kódolja. Ez pedig éppen annyira nyilvánvaló, mint hogy a Naptól és annak energiájától függünk. De mit mondhatunk a még hatalmasabb skálákról? Még a legközelebbi csillagok is több milliószor távolabb vannak, mint a Nap, és az ismert univerzum még milliárdszor távolabbi messzeségbe nyúlik. Megérthetjük, miért van olyan sok minden Naprendszerünkön túl? Ebben a könyvben leírom, milyen sokféleképpen kapcsolódunk a csillagokhoz, s érvekkel támasztom alá, hogy a kozmikus összefüggések nélkül saját eredetünket sem érthetjük meg.
Az atom alatti világ „belső terének” és a kozmosz „külső terének” bensőséges kapcsolatát jelképezi az 1.1. ábra. Ezen egy ouraborus látható, amely (az Encyclopaedia Britannica magyarázata szerint) a régi egyiptomiak és görögök saját farkába harapó „szimbolikus” kígyója, amely folyamatosan felfalja magát, és újjászületik önmagából... Ez fejezi ki minden létező anyagi és szellemi dolog egységét, amelyek sohasem tűnnek el, de szakadatlanul átalakulnak a megsemmisülés és az újjászületés örökös körforgásában.

1.1. ábra
Az ouraborus. A részecskék, atommagok és atomok világa (balra) kapcsolatban áll a világmindenséggel (jobbra)

Az ábra bal oldalán az atomok és az atom alatti részecskék láthatók: ez a „kvantumvilág”. Jobboldalt vannak a bolygók, a csillagok és a galaxisok. Könyvünkben majd néhány figyelemre méltó összefüggést emelünk ki a bal oldali mikrovilág és a jobb oldali makrovilág között. Mindennapi világunkat az atomok határozzák meg, és az, hogy azok miként állnak össze molekulákká, ásványokká és élő sejtekké. A csillagok sugárzását az atomokban levő atommagok szabják meg. A galaxisokat szubatomi részecskék irdatlan tömegének gravitációja tartja egyben. A csúcson látható „gasztronómiai” szimbólum ábrázolja a kozmosz és a mikrokozmosz végső szintézisét, amely mindeddig kisiklott a kezünk közül.
Az ouraborusban ábrázolt méretek 10^60 nagyságrendet ívelnek át. Ez a roppant kiterjedés tulajdonképpen egy „érdekes” univerzum nélkülözhetetlen kelléke. Olyan világmindenségben, amely nem tartalmaz elég nagy számokat, sohasem alakulhat ki a szerkezetek komplex hierarchiája: az ilyen világ unalmas volna, és minden bizonnyal lakatlan. Legalább ennyire szükséges a széles időskála is. Az atomi folyamatok lezajlásához elegendő a milliárdod másodperc milliomod része, az atommagokban történő események pedig még ennél is gyorsabbak. Azok az összetett folyamatok, amelyekben az embrió sejtjei vér-, csont- és izomsejtekké alakulnak, egymást követő, differenciálódással járó sejtosztódásokon keresztül valósulnak meg, és mindegyik osztódásban több ezer molekula másolása és bonyolultan összehangolt átcsoportosítása megy végbe; és ez sohasem áll le, amíg eszünk és lélegzünk. A mi életünk pedig csupán egyetlen nemzedék egy kisebb jelenetben, az emberiség fejlődésében, amely maga is csupán egy epizód az élet teljességének kialakulásában.
Az evolúció roppant időskálája új távlatba helyezi a kérdést: „miért ilyen nagy az univerzumunk?”. Az ember kifejlődéséhez itt a Földön 4,5 milliárd évre volt szükség. Mielőtt a Nap és bolygói kialakultak volna, még korábbi csillagoknak meg kellett termelniük az ősi hidrogénből a szenet, az oxigént és a periódusos rendszer többi elemét. Ez mintegy 10 milliárd évet igényelt. A megfigyelhető univerzum nagyjából akkora, mint amekkora utat a fény a Nagy Bumm óta megtett, vagyis a ma látható világmindenség kiterjedése kb. 10 milliárd fényév.
Ez megrázó következtetés. Univerzumunk irdatlan méretei első pillantásra azt mutatják mennyire lényegtelnek vagyunk ebben a kozmikus elrendezésben, de ez valójában velejárója saját létünknek! Nem állíthatjuk, hogy nem létezhetne egy kisebb univerzum, azt viszonyt igen, hogy mi nem létezhetnénk benne. A kozmikus tér kiterjedése nem fölösleges tékozlás, hanem az egymást követő események láncolatának következménye, amelyek Naprendszerünknek a mi színrelépésünket megelőző keletkezésénél korábbi időkig nyúlnak vissza.
Úgy tűnhet, ez visszatérés egy régi, „emberközpontú” szemlélethez – amelyet egyszer már szétzúzott a kopernikuszi felismerés, miszerint a Föld kering a Nap körül, nem pedig fordítva. De a kopernikuszi szerénységet (vagy másképpen: „a középszerűség elvét”) ne vigyük túlzásba. Hozzánk hasonló teremtmények kifejlődéséhez különleges feltételre volt szükség, ezért a mi nézőpontunk bizonyos értelemben eleve sajátos. Univerzumunk hatalmas kiterjedése nem lehet meglepő számunkra, jóllehet tovább kereshetjük sajátos jellegzetességeinek magyarázatát.

Remélhetjük, hogy megértjük univerzumunkat?

A fizikus Max Planck egyszer azt mondta, hogy az elméletek mindaddig fennmaradnak, amíg létrehozóik közül akár csak egy is életben van – a tudomány „temetésről temetésre” fejlődik. Ez azonban túlságosan cinikus állítás. Számos, régóta tartó kozmológiai vita most lezárult, néhány korábbi ellentmondás feloldódott. Sokan közülünk gyakran változtatták a véleményüket – én legalábbis megtettem. Ez a könyv igazából egy olyan történetet mesél el, amelyet valaha magam is meghökkentőnek tartottam. A kozmikus távlatokban való gondolkodást sokan osztják, jóllehet az én értelmezésem útján kevesen követnek teljesen végig.
A mai kozmológiai elképzelések már semmivel sem törékenyebbek vagy súlytalanabbak, mint a saját Földünk történetére vonatkozó elméletek. A geológusok arra a következtetésre jutottak, hogy a kontinensek körülbelül olyan sebességgel vándorolnak a földgolyón, amilyen gyorsan körmünk hegye nő, és hogy Európa és Észak-Amerika 200 millió évvel ezelőtt még összefüggött egymással. Hiszünk nekik, jóllehet ilyen nagy időtávlatot nehéz felfogni. Elhisszük – legalábbis fő körvonalaiban – a bioszféra evolúciójának és az ember felemelkedésének történetét is. Ám kozmikus környezetünknek néhány kulcsvonását mostanra már hasonlóan szilárd adatok támasztották alá. A Nagy Bumm 10-15 milliárd évvel ezelőtti megtörténtének tapasztalati bizonyítékai ma már legalább annyira meggyőzők, mint az, amit a geológusok állítanak a Föld történetéről. Ez bámulatos fejlemény. Elődeink még olyan kozmológiai elméleteket szőttek, amelyeket kevéssé befolyásoltak a tények, mostanáig a kozmológia alig látszott többnek elvont matematikánál.
Néhány évvel ezelőtt már 90 százalékig bizonyos voltam abban, hogy a Nagy Bumm valóban megtörtént – vagyis mindaz, ami ma az univerzumban megfigyelhető, egy összepréselt tűzgolyóból ered, amelynek hőmérséklete magasabb volt, mint a Nap középpontjáé. Mostanra mindez még bizonyosabbá vált: az 1990-es években, a kísérletekben és a megfigyelésekben elért drámai előrehaladás a teljes kozmikus képet kiélesítette, ami meggyőződésem mértékét 99 százalékra emelte.
„Az univerzumban az a legérthetetlenebb, hogy megérthető” – Einstein egyik legismertebb aforizmája afölötti ámulatát fejezi ki, hogy a fizika törvényei, amelyeknek a megértésére agyunk valami módon fogékony, nem csupán itt a Földön érvényesek, hanem a legtávolabbi galaxisban is. Newtontól azt tanultuk, hogy az alma ugyanazon erő hatására esik, mint ami a Holdat és a bolygókat pályájukon tartja. Most már tudjuk, hogy ugyanez az erő tartja egyben a galaxisokat, roppant össze egyes csillagokat fekete lyukká, s végül majd az Androméda-ködöt is a fejünkre ejti. A legtávolabbi galaxisokban ugyanolyanok az atomok, mint amilyeneket a földi laboratóriumokban tanulmányozhatunk. Úgy tűnik, az univerzum minden része hasonló módon fejlődik, mintha közös volna az eredetük. Ilyen egyöntetűség nélkül a kozmológia semmire sem juthatna.
A közelmúltban tett előrelépések újabb rejtélyeket helyeztek érdeklődésünk középpontjába univerzumunk eredetéről, a benne uralkodó erőkről és világunk végső sorsáról. Ezek a Nagy Bummot követő első másodperc első parányi töredékével kapcsolatosak, amikor olyan szélsőséges feltételek uralkodtak, amelyeket a mai fizika még nem képes leírni – ahol az idő természetéről, a dimenziók számáról és az anyag eredetéről töprengünk. Ebben a kezdeti pillanatban minden annyira elképesztő sűrűségre volt öszzepréselve, hogy (miként azt az ouraborus jelképezi) az univerzum és a mikrokozmosz kérdései teljesen átfedték egymást.
A tér nem darabolható a végtelenségig. Bár sok részlet még rejtélyes, a legtöbb fizikus azt gyanítja, hogy mintegy 10-33 centiméteres léptékben bizonyos szemcsésség mutatkozik. Ez a méret tíznek a huszadik hatványával kisebb, mint egy atommag: azaz olyan mértékű léptékcsökkenés – gumiobjektíves fényképsorozatunkban annyi filmkockányi távolodás – amennyivel fordított irányban egy atommagtól egy nagyvárosig juthatnánk el. Itt korlátba ütközünk: még ha volnának is ennél kisebb szerkezetek, azok túlhaladnák az időről és a térről alkotott fogalmainkat.
Mit mondhatunk a legnagyobb méretekről? Vannak-e vajon tartományok, amelyekből a Nagy Bumm óta eltelt mintegy 10 milliárd év alatt még nem juthatott el hozzánk a fény? Erre egyszerűen nincs közvetlen bizonyítékunk. Univerzumunk kiterjedésének azonban (térben és jövőben) nincs elméleti határa, és annak sincs, hogy a távoli jövőben meddig tágulhat látóhatárunk – valójában: nem csupán milliószor messzebbre nyúlhat, mint a ma megfigyelhető világmindenség, hanem még tíznek többmilliomodik hatványával távolabbra is. És ez még nem minden. A mi univerzumunk, amely messze túlnyúlhat mostani látóhatárunkon, talán maga is csupán egyetlen tagja végtelen sok lehetséges világnak. Ez a „multiverzum” elképzelés ugyan pusztán bölcselkedés, de olyan aktuális kozmológiai elméletek logikus kiterjesztése, amelyeknek a hitelességét megfigyelt tapasztalatok támasztják alá. Más univerzumok geometriája és a bennük uralkodó fizikai törvények eltérők lehetnek. Ez pedig új távlatokba helyezheti a hat szám mi világunkban kialakult, láthatólag különleges értékét.

2. FEJEZET

Kozmikus lakóhelyünk I:
bolygók, csillagok és élet

Átkozott Naprendszer! Rossz a megvilágítás, a bolygók túl messze vannak, és üstökösök háborgatják őket; gyarló egy szerkezet; magam jobbat csinálnék.

Lord Jeffrey

Protobolygók

Az Orion csillagképben van egy annyira hatalmas felhő, hogy atomjaiból akár tízezer Nap is felépülhetne. Látható benne egy ragyogó köd, amelyet fényes kék csillagok hevítenek, a többi része viszont hideg, sötét és poros. A belsejében lévő meleg anyagcsomók nem fénylenek, viszont hőt sugároznak, amely infravöröst érzékélő távcsövekkel kimutatható. E csomók mindegyikéből idővel csillag lesz, de egyelőre még csak „elő- (proto-) csillagok”, amelyek saját tömegvonzásuk hatására összehúzódnak. Valamennyiüket gáz- és porkorong veszi körül.
Ezek a korongok nem meglepők. Az Orionban levő porfelhő, noha sűrűbb, mint az átlagos csillagközi tér, még így is nagyon ritka. Ahhoz, hogy benne csillagok születhessenek, a gáz egy részének annyira össze kell húzódnia, hogy sűrűsége milliárdszor milliárdszorosára növekedjen. Az összehúzódás során bármilyen kis forgás felerősödik (kozmikus változata ez annak, ahogy a műkorcsolyázók karjaik behúzásával „bepörögnek”), míg végül a centrifugális erő olyan naggyá nem válik, hogy lehetetlenné teszi a további anyagbeáramlást. Ezért visszamarad némi anyagfelesleg, amely az újonnan született csillag körül kering. Az ebből kialakuló korong egy bolygórendszer előfutára: a sűrűn ütköző porszemcsék összetapadva sziklarögöket alkotnak, amelyek nagyobb testekké egyesülnek, végül pedig bolygókká állnak össze. Egy „protoszoláris korongból” alakult ki a mi Naprendszerünk is. Más csillagok is a mi Napunkhoz hasonló módon jöttek létre, és minden okunk megvan rá, hogy úgy véljük: körülöttük is bolygókísérők keringenek.
Ez a forgatókönyv, amelyet az éppen kialakuló csillagok körül mostanában kimutatott anyagkorongok is megerősítettek, túlhaladottá tette a XX. század elején oly népszerű „katasztrófaelméleteket”, amelyek a bolygók keletkezését különlegesen ritka balesetnek tekintették. Akkoriban úgy gondolták, hogy a Nap túl közel kerülhetett egy másik csillaghoz – ez hihetetlenül ritkán történik meg, mivel a csillagok általában egymástól igen messze szétszórva helyezkednek el –, és a csillag gravitációs vonzása kiszakított a Napból egy gázcsomót: ez „gyöngyökbe” csomósodott, amelyek mindegyike egy-egy bolygóvá vált.
Ennek ellenére az előző évszázadok csillagászai semmivel sem idegenkedtek jobban más naprendszerek elképzelésétől, mint mi. Egy holland tudós, Christiaan Huygens, az optika tudományának egyik úttörője már 1698-ban ezt írta: „Miért is ne lehetne e csillagok és napok mindegyikének olyan népes kísérőhada, mint a mi Napunké, bolygókból és a nekik alárendelt holdakból?”

Más bolygórendszerek?

Más csillagok körül sokkal nehezebb a már teljesen kialakult bolygókat kimutatni, mint azok korongszerű előfutárait. A 1990-es évek végének igazi szenzációja volt a bolygók általános elterjedtségének első meggyőző bizonyítéka. Az elv igen egyszerű. A Napunkat bizonyos távolságból – mondjuk negyven fényévről – szemlélő megfigyelő még a legnagyobb felbontóképességű földi távcsőnek megfelelő eszközzel sem láthatná a körülötte keringő bolygókat. Ennek ellenére a Jupiternek (a legnagyobb tömegű bolygónak) a létezését a Nap fényének nagyon gondos mérésével ki tudná mutatni. Ez azért lehetséges, mert mind a Nap, mind a Jupiter a közös tömegközéppontjuk (úgynevezett „súlypontjuk”) körül kering. A Nap tömege 1047-szerese a Jupiterének. A súlypont éppen ennyiszer esik közelebb a Nap középpontjához, mint a Jupiteréhez (ténylegesen a Nap felszínéhez közel, ezen belül fekszik); ennek megfelelően a Nap ezerszer lassabban mozog körülötte, mint a Jupiter. Valóságos mozgása ennél jóval bonyolultabb a többi bolygó zavaró hatása miatt, de mivel a Jupiter messze a legnehezebb bolygó, az ő hatása dominál. A fényt nagyon gondosan elemezve a csillagászok más csillagok mozgásában kis „imbolygásokat” észleltek, amelyet a körülöttük keringő bolygók okozhatnak, éppen úgy, ahogyan a Jupiter is ilyen mozgást idéz elő Napunknál.
A csillag fényének színképe számos olyan vonalsorozatot tartalmaz, amelyeket a csillagban levő különféle atomok (szén, nátrium stb.) által kibocsátott vagy elnyelt jellegzetes színképvonalak alkotnak. Amikor a csillag távolodik tőlünk, akkor ugyanazon atomoknak földi laboratóriumban mért fénykibocsátásához képest a csillag fénye a színkép vörös széle felé tolódik el – ez a jól ismert Doppler-eltolódás (ez a távolodó sziréna hangmélyülésének a fény esetére vonatkoztatott megfelelője). Amikor a csillag közeledik felénk, színe a színkép kék széle felé tolódik el. 1995-ben a Genfi Obszervatórium két csillagásza, Michel Mayor és Didier Queloz felfedezte, hogy egy hozzánk közeli, Napunkhoz hasonló csillag, az 51 Pegasi fényének Doppler-eltolódása úgy változik, mintha a csillag körpályán mozogna: közeledne felénk, majd távolodna, ismét közeledne, és így tovább, teljesen szabályszerű ismétlődésekkel. Ebből a csillag mozgására nagyjából 50 méteres másodpercenkénti sebesség adódott. A kutatók ennek alapján arra következtettek, hogy a csillag körül egy Jupiterhez hasonló méretű bolygó kering, amely a csillagot is keringésre kényszeríti a kettős rendszer közös tömegközéppontja körül. Ha a láthatatlan bolygó tömege ezredrésze volna a csillagénak, akkor keringési sebessége másodpercenként 50 kilométer lenne – éppen ezerszer gyorsabb, mint a csillagé.
Az 1990-es évek végén a kaliforniai Geoffrey Marcy és Paul Butler a bolygóvadászat bajnokaivá váltak. Százmilliomod résznél kisebb hullámhossz-eltolódások mérésére alkalmas berendezéseikkel akkor is ki tudják mutatni a Doppler-eltolódást, amikor a sebesség a fényének csupán százmilliomod része – másodpercenként 3 méter –, és így számos csillag körül sikerült bolygók jelenlétére utaló bizonyítékokat találniuk. Az ekként kimutatott bolygók valamennyien a Jupiterhez hasonló óriások. De ez pusztán a mérések korlátozott érzékenységéből adódik. Egy Föld-szerű, a Jupiternél néhány százszor könnyebb bolygó csupán másodpercenként néhány centiméteres mozgást idézne elő, és a Doppler-eltolódás mindössze tízmilliárdod résznyi volna – túl parányi ahhoz, hogy a nagyobb bolygók felfedezésére kidolgozott technikával észlelhető legyen.[2]
Érdemes futólag megemlíteni, hogy a bolygóvadászok által használt távcsövek szerény méretűek, mindössze két méter körüli tükörátmérővel. Igen örvendetes – és néha a legnagyobb programok körül vert csinnadratta mögött háttérbe szorul –, hogy nem feltétlenül szükséges minden nagy felfedezéshez a legnagyobb és legdrágább berendezés. Kitartó és találékony tudósok még szerény, de ügyesen átalakított földi eszközökkel is sokra mehetnek.
Naprendszerünk mai képe sok „véletlen baleset” eredménye. A sziklás kisbolygók, amelyeknek a pályája keresztezheti a Földét, még ma is ősi félelmeket ébresztenek. Egy 10 kilométeres kisbolygó becsapódása például hatalmas víz alatti krátert hagyott a Mexikói-öbölben, Chicxulub közelében, és feltehetőleg olyan világméretű éghajlatváltozást okozott, amely 65 millió évvel ezelőtt megpecsételte a dinoszauruszok sorsát. Ennél kisebb erejű ütközések, amelyek azonban még kiválthatnak helyi fajpusztulást, sokkal gyakoribbak. A Naprendszer fiatalabb korában az ütközések a mainál jóval sűrűbben következtek be, azóta ugyanis az eredetileg itt lévő előbolygószerű testek nagy része vagy megsemmisült, vagy kilökődött. Holdunk a Földből keletkezett egy másik előbolygóval történt ütközés nyomán – viharos ifjúkorát felületének erőteljes kráterezettsége tanúsítja. Az Uránuszt nem sokkal keletkezése után valószínűleg megrázó erejű súroló ütközés érte; másként nehezen magyarázható, hogy forgástengelye miért fekszik szinte teljesen a keringési síkjában, ellentétben a többi, a pályasíkra többékevésbé merőleges keringési síkú bolygóval. A mesterséges űrszondák által visszaküldött képek megmutatták, hogy Naprendszerünk bolygói (és nagyobb holdjaik) egymástól nagyon különböző világok.
Nem valószínű, hogy más bolygórendszerekben éppen ugyanennyi bolygó lenne, ugyanilyen elrendezésben. A már felfedezettek legtöbbjében egy-egy hatalmas, Jupiter-szerű bolygót mutattak ki, amely szülőcsillagához közelebbi pályán kering, mint amilyen messze a Merkúr (a Naprendszer legbelső bolygója) van a Naptól. Ez az egyoldalúság részben a megfigyelési módszerből adódik: a legegyszerűbb azokat a nehéz bolygókat kimutatni, amelyek rövid periódusidejű pályán, sebesen keringenek. A már felfedezett nagytömegű bolygók rendszerében azonban valószínűleg lehetnek kisebb, Föld-szerű bolygók is.
A Földön megszokotthoz valamennyire is hasonlító életet csak nagyon különleges bolygók hordozhatnak. Tömegvonzásuknak elég erősnek kell lennie ahhoz, hogy megakadályozza a légkör elszökését a világűrbe (ez történhetett Holdunk légkörével, ha ugyan valaha is volt neki). Víz csak akkor lehet rajtuk, ha felszínük sem túl forró, sem túl hideg, ezért a bolygónak megfelelő távolságra kell lennie egy hosszú életű és stabil csillagtól. Stabil pályán kell mozogniuk (ami nem lehetséges, ha például egy excentrikus pályájú Jupiter-szerű bolygó azt rendszeresen keresztezi). A bolygóvadászok nagy „találati aránya” mégis azt sejteti, hogy Galaktikánk Naphoz hasonló csillagainak jelentős hányada körül vannak bolygók. Meglepő volna, ha milliárdnyi jelölt között nem akadna számos, a fiatal Földhöz hasonló planéta.
Az Egyesült Államokban a NASA (Nemzeti Űrkutató Hivatal) szinte megváltói elhivatottságot érző főigazgatója, Dan Goldin nyomatékosan javasolja és sürgeti, hogy a Föld-szerű bolygók keresését emeljék az űrkutatási programok fő irányvonalába – a cél nem annyira a közvetett kimutatás, mint inkább a tényleges képalkotás volna. Egy ilyen halvány foltnak – Carl Sagan szavaival: egy „sápadt kék pötty”-nek – már csak a puszta észlelése is olyan kihívás, aminek leghamarabb tizenöt év múlva felelhetünk meg. Ehhez ugyanis hatalmas távcsőrendszereket kell telepítenünk a világűrbe.
Egy távoli világból érkező tompa fény üzenetet hozhat az ottani felhőtakaróról, a felszín természetéről (szárazföldekről vagy óceánokról), és talán a napok vagy évszakok váltakozásáról. A bolygó fényének színképéből következtethetnénk arra, hogy légköre milyen gázokat tartalmaz. Földünk atmoszférája oxigénben gazdag, de ez nem mindig volt így, hanem történetének korai időszakában egyszerű egysejtű lények alakították ilyenné. A legizgalmasabb kérdés természetesen az, hogy ez bárhol megtörténhet-e, és még ha egy bolygó kedvező környezetet kínál is, mekkora az esélye egyszerű élő szervezetek kialakulásának és a bioszféra kifejlődésének?

Az anyagtól az életig

Csupán a második évezred utolsó öt évében bizonyosodtunk meg arról, hogy más csillagok körül is keringenek bolygók. Mégis szinte szemernyivel sem kerültünk közelebb annak a kérdésnek a megválaszolásához, hogy fellelhető-e bármelyikükön valamiféle élet. Ez a biológusok feladata, nem a csillagászoké. Sokkal nehezebb is válaszolni rá, és a szakértők között láthatólag nincs egyetértés.
A földi élet ökológiai niche-ek (fülkék)[3] kimeríthetetlen változatosságú sokaságát tölti ki. Az óceánok mélyén felbugyogó forró, kénes kitörések közelében kialakult ökorendszerek bizonyítják, hogy ehhez napfényre sincs föltétlen szükség. Még mindig nem tudjuk, hogy az élet hol és hogyan kezdődött. Ma egy vulkán perzselő környezetét sokan valószínűbb helynek tartják, mint a Darwin-féle „meleg kis pocsolyát”, de megtörténhetett a dolog mélyen a föld alatt, vagy akár a világűr porral teli molekuláris felhőiben is.
Azt sem tudjuk, milyen kilátások szóltak az ellen, hogy mindez a Földön megvalósulhasson – vajon az élet kifejlődése „természetes”, vagy épp ellenkezőleg, olyan valószínűtlen véletlenek láncolata, hogy ahhoz fogható még távolról sem történhetett Galaktikánk egyetlen más bolygóján sem. Ezért volna döntő fontosságú bármilyen, mégoly egyszerű és kezdetleges életformát is kimutatni bárhol másutt Naprendszerünkben. A Mars a XIX. század óta egyfolytában a figyelem középpontjában áll: az elkövetkező években szondák garmadája indul a „vörös bolygó” felé, hogy elemezze a felszínét, körbekeringje, és (későbbi küldetésekben) mintákat hozzon róla a Földre. Létezhet élet a Jupiter fagyos holdjainak, az Európának és a Callistónak a jégkérge alatt rejtőző óceánokban is, és már vannak tervek a jég alatt vizsgálódó, merülő egységek odaküldésére.
Ha Naprendszerünkben kétszer is megfogant az élet, akkor bízvást remélhetjük, hogy egész Galaktikánk bővelkedik legalább az élet egyszerűbb formáiban. Ilyen nagyjelentőségű következtetést azonban csak akkor vonhatunk le, ha a két életforma eredete egymástól független. Ez lényeges kikötés – mert ha például az életet a Földre a Marsról érkező meteoritok hozták, akkor mi valamennyien „marslakók” vagyunk; míg megfordítva: a Marsot is megtermékenyíthette a Földről kiinduló, fordított irányú forgalom!

Az egyszerű élettől az értelemig

Ismerjük, legalábbis körvonalaiban, az emberré válásunkig elvezető bonyolult történetet és lehetőségeket. Évmilliárdokkal ezelőtt egyszerű szervezetek oxigént lélegeztek ki, megváltoztatva ezzel a fiatal Föld mérgező légkörét, és megnyitották az utat a soksejtű élőlények számára. Az ősmaradványok elárulják, hogy 550 millió évvel ezelőtt a kambrium időszaka valóságos bőségszaruként ontotta világra az úszó és csúszómászó lényeket. A következő 200 millió év tanúja volt a szárazföldek kizöldülésének, amelyek aztán különleges, egzotikus állatvilágnak nyújtottak otthont – sirályméretű szitakötőknek, méteres hosszúságú ezerlábúaknak, skorpióknak és kétéltűeknek. Majd jöttek a dinoszauruszok, amelyeknek hagyományos, tompa elmével és lomhasággal jellemezhető képét mára (jelenlegi tudományos ismereteinkkel is egybehangzó) dinamizmust sugárzó portré váltotta fel a Jurassic Parkhoz hasonló filmekben. Valamennyi nagy pusztulás közül az ő kihalásukat váltotta ki a leggyorsabb lefolyású és legmegjósolhatatlanabb esemény: egy kisbolygó ütközött a Földnek, amely óriási szökőárakat keltett, a becsapódás által feldobott por évekre elsötétítette az eget, lehűlést és legelők kipusztulását eredményezve. Ez nyitott utat a melegvérű emlősöknek, amelyek leszármazási vonalából az ember is ered.
Még ha tudnánk is, hogy az egyszerű élet széleskörűen elterjedt, az értelmes élet kérdése akkor is nyitva maradna. Bioszféránk hosszú történetén (többségében már kihalt) fajok rendkívüli serege úszott, csúszott-mászott és repült keresztül. Az időnek és a véletlen szerencsének köszönhetjük létünket: ha az evolúció filmje újrapörögne, az eredmény talán egészen más volna. Semmi sem mutat arra, hogy az értelem kialakulása eleve elrendelt lenne, sőt egyes fejlődéskutatók úgy vélik, hogy ha az egyszerű élet széles körben el is terjedt a világmindenségben, az értelem rendkívül ritka. Még nagyon keveset tudunk ahhoz, hogy felbecsüljük ennek esélyeit, de konokul kétségbe vonni sincs okunk.
A biológiai evolúció elbűvölő és bámulatba ejtő bonyolultságával és a földi élet változatosságával összehasonlítva az élettelen világ nagyon egyszerű. És ez az egyszerűség – vagy legalábbis viszonylagos egyszerűség – jellemző a csillagászok által tanulmányozott égitestekre is. A dolgokat azért nehéz megérteni, mert bonyolultak, s nem pusztán azért, mert nagyok. Az a kihívás, hogy teljesen megmagyarázzuk, miként állnak össze az atomok – itt a Földön, és feltehetőleg más világokban is – olyan élő teremtményekké, amelyek elég bonyolultak ahhoz, hogy eltöprengjenek eredetükön, sokkal elbátortalanítóbb, mint a kozmológia bármely kérdése. Éppen ezért nem hiszem, hogy nagyléptékű univerzumunk megértése hiábavaló vágyakozás volna.
A „lakható világok sokaságának” korokon átívelő elképzelése még ma is az elvont bölcselkedés területe. 2000-ben volt a négyszázadik évfordulója Giordano Bruno halálának, akit Rómában máglyán égettek meg. Ő hitte, hogy „A térben megszámlálhatatlan csillagvilág van, napok és bolygók; mi csupán a napokat látjuk, mert azok fénylenek; a bolygók láthatatlanok, mert kicsik és sötétek. Megszámlálhatatlanul sok, saját napja körül keringő föld is létezik, nem rosszabbak és nem kevesebbet érők, mint a mi földgolyónk. Ezért egyetlen ésszerűen gondolkodó elme sem hiheti, hogy a miénknél sokkal nagyszerűbb égitesteken ne volnának a földi emberhez hasonló vagy éppen magasabb rendű teremtmények.”
Bruno kora óta ez a vélekedés széles körben elfogadottá vált. A XVIII. század jeles csillagásza, William Herschel, az Uránusz bolygó felfedezője úgy vélte, hogy a bolygók, a Hold, de még maga a Nap is lakott. Az 1880-as években Percival Lowell, egy dúsgazdag amerikai az arizonai Flagstaffban saját obszervatóriumot építtetett, elsősorban a Mars tanulmányozására. Ő hitt abban, hogy a „csatornák” (amelyekről mára kiderült, hogy optikai illúziók és vágyálmok termékei) egy öntözőrendszerhez tartoznak, amely a fagyott sarki jégsipkákból vizet szállít az egyenlítői zónák „sivatagaihoz”. 1900-ban egy francia alapítvány létrehozta a 100 000 frankos Guzmann-díjat a Földön kívüli élőlényekkel elsőként felvett kapcsolatért, de a versengésből a Marsot óvatosságból kizárták – a marslakókkal kapcsolatba lépni túlságosan egyszerűnek látszott!

Idegenekkel közös kultúra?

A Földön kívüli intelligenciák keresését elsőként a kaliforniai Mountain View-ban levő SETI Intézet tudósai tűzték ki célul (SETI: Search for Extraterrestrial Intelligence). Olyan rádiójelek keresésére összpontosították erőfeszítéseiket, amelyek mesterséges eredetűek lehetnek, s e célra a világ különféle nagy rádiótávcsöveit vetették be. A vállalkozás a fantasztikus regényirodalomból – például Carl Sagan Kapcsolat című művéből – jól ismert (és ott általában sikerrel is jár). De a rádióhullámok tartománya nem az egyetlen elképzelhető csatorna: keskeny lézernyalábok jóval szerényebb energiafogyasztással is áthidalhatják a csillagközi távolságokat. Ha akarjuk, ma már rendelkezésünkre áll az a technika, amellyel több fényévnyi távolságban is kinyilváníthatnánk jelenlétünket; az összes földi rádióállomás és radarberendezés együttes hatása valójában mindenképpen elárulja létezésünket azoknak az idegeneknek, akik elegendően érzékeny rádiótávcsövekkel rendelkeznek. Olyan keveset tudunk az élet eredetéről és lehetőségeiről, hogy nehéz kitalálni, mi lenne az észlelés legjobb módja. Ezért észszerű felhasználni minden lehetséges technikát, és készen állni minden lehetőségre. De tekintetbe kell vennünk a „megfigyelhető választékot”: még ha felfedezünk is valamit, azt nem tekinthetjük „jellegzetesnek”, mivel eszközeink és módszereink a valóságban létező dolgoknak csupán egyoldalú és részleges kimutatására korlátozódnak.
Lehetséges, hogy sehol másutt nincs értelmes élet. De még ha így van is, létezhet olyan vízzel borított világ, ahol bölcselkedő szuperdelfinek élvezik az óceáni életet, és mit sem tesznek azért, hogy felfedjék magukat. Bár a kudarcnak komoly esélye van, a mesterséges jelek módszeres keresése mégis megéri a fáradozást, mivel bármilyen nyomnak fontos filozófiai hozadéka lehet. Egy nyilvánvalóan mesterséges eredetű jel – még ha oly untató lenne is, mint a prímszámok felsorolása, vagy a p számjegyei – arra utalna, hogy az „értelem” nem páratlan földi jelenség, az bárhol kifejlődhetett. Ám a legközelebbi lehetséges helyek is olyan távoliak, hogy a jelek átvitele évekbe telhet. Már csak ezért is az adások eleinte egyirányúak volnának. Lesz majd idő válasz küldésére, de gyors viszontválaszra nem számíthatnunk!
Minden távoli élőlénynek, akivel érintkezésbe léphetnénk, ismernie kellene néhány, a miénkhez hasonló matematikai és logikai fogalmat. Úgyszintén ismerniük kellene a világunkban uralkodó alapvető részecskéket és erőket. A mi földi otthonunktól meglehetősen különbözhet lakóhelyük (és bioszférájuk még inkább), de ők maguk és bolygójuk csakis a földiekkel teljesen megegyező atomokból épülhetnek fel. Számukra csakúgy, mint számunkra, a legfontosabb részecskék a protonok és az elektronok: egy proton a körülötte keringő elektronnal alkotja a hidrogénatomot, a villanyáram és a rádióadó működése elektronok áramlásával magyarázható. Egy proton 1836-szor nehezebb, mint egy elektron, és az 1836-os számnak csakis ugyanez a mellékértelme lehet bármely „értelem” számára, amely képes és akar is rádiójeleket küldeni. Valamennyi alapvető erőhatásnak és természeti törvénynek azonosnak kell lennie. Valóban, ez az egyöntetűség – amely nélkül univerzumunk sokkal zavarba ejtőbb hely lenne – láthatólag a csillagászok által tanulmányozható legtávolabbi galaxisokig terjed. (E könyv későbbi fejezeteiben mindazonáltal elmélkedünk majd olyan lehetséges más „univerzumokról”, amelyek mindörökre távcsöveink látóhatárán kívül maradnak, és ahol eltérő törvények uralkodhatnak.)
Nyilvánvaló, hogy az idegen lények nem használhatnak métert, kilogrammot és másodpercet. De kicserélhetjük ismereteinket két tömeg arányáról (például a proton és az elektron tömegének viszonyáról), vagy két távolságéról, amelyek a mértékegységek választásától független „tiszta számok”. Az az állítás, hogy egy rúd hossza tízszerese egy másikénak, egyformán igaz (vagy hamis) akkor is, ha a hosszat lábban, méterben vagy bármilyen idegen egységben mérjük. Mint Richárd Feynman mondta: ha a földönkívüliekkel azt közölné, hogy ő „tizenhétmilliárd hidrogénatom magas”, akkor azt ők pontosan megértenék.
Létezhetnek olyan „értelmek” is, amelyek semmiféle szellemi közösségben sem állnak velünk. De minden teremtménynek, aki jelet küld felénk, legalább olyan szinten kell birtokolnia fizikai környezetét, mint nekünk a magunkét. Ha gondolkodó lények, minden bizonnyal ők is kíváncsiak a kozmikus „teremtésre”, amelynek valamennyien a létünket köszönhetjük. Valószínűleg érdekli őket, hogyan szerveződött univerzumunk csillagokba és galaxisokba, mi van benne, hogyan tágul, és mi lesz a végső sorsa. Mindezek egy olyan közös kultúra részei, amelyen minden idegen teremtménnyel osztozunk. Hozzánk hasonlóan ők is felfedezhetik, hogy néhány szám kulcsfontosságú szerepet játszik közös kozmikus környezetünk kialakulásában.
Jelen könyv tárgya hat ilyen szám. Ezek univerzumunk alapvonásait határozzák meg: hogyan tágul, kialakulhatnak-e benne bolygók, csillagok és galaxisok, és vajon létezik-e benne az evolúciót jótékonyan elősegítő „kémia”? Ráadásul univerzumunk természete figyelemre méltóan érzékeny ezekre a számokra. Ha egy univerzum létrehozását úgy képzeljük el, hogy ehhez hat tárcsát kell beigazítani, akkor a behangolásnak nagyon pontosnak kell lennie ahhoz, hogy olyan világ jöjjön létre, amelyben élet lehetséges. Ez volna a gondviselés? Vagy csupán véletlen? Levezethetők-e ezek a számok a „minden létező dolgok elméletéből”, amely pontosan meghatározza őket? Egyik lehetőség sem tűnik túl meggyőzőnek. Én úgy vélem, hogy amit mi pontos „hangolásnak” látunk, valami sokkal jelentősebb dolgot sejtet: hogy megfigyelhető univerzumunk – mindaz, amit távcsöveinkkel láthatunk – csupán része egy nagyobb együttesnek, amelyben akár a fizikai törvények sokfélesége is létezhet. Ez csupán bölcselkedés, de összhangban a legjobb elméleteinkkel.
Tudjuk, hogy léteznek bolygók, amelyek ugyanúgy keringenek más csillagok körül, mint Földünk saját csillaga, a Nap körül. Eltöprenghetünk azon, vajon miféle lakóhelyet nyújtanának? Túl gyenge a tömegvonzásuk a légkör megtartásához? Túl forrók, vagy túlságosan hidegek, netán túl szárazak az élet befogadásához? Valószínűleg csak kevesük kínál az élet kifejlődését jótékonyan elősegítő környezetet. Egy nagyobb skálán megszámlálhatatlanul sok univerzum is létezhet, amelyeket nem figyelhetünk meg, mivel fényük sohasem juthat el hozzánk. Vajon alkalmasak-e ezek olyan evolúcióra, amilyen a nekünk „otthont” adó univerzumban legalább egy csillagnak legalább egy bolygóján megtörtént? A legtöbbjükben az itt vizsgált hat szám értéke különbözhet a mieinktől: ezért csupán néhány univerzum lehet „ráhangolva” az életre. Semmivel sem kellene jobban meglepődnünk azon, hogy a mi univerzumunkban e számok látszólag gondviselésszerűen vannak beállítva, mint azon, hogy egy meglehetősen különleges bolygón élünk, amelynek tömegvonzása képes a légkör megtartására, ahol a hőmérséklet lehetővé teszi a folyékony víz létezését, és amely egy hosszú életű, stabil csillag körül kering.

3. FEJEZET

A nagy N szám:
gravitáció az univerzumban

Ki hinne elméletileg egy hangyában?
Egy zsiráf tervrajzában?
Tízezer doktor – kutatván a lehetségest,
elvitatná az életet a dzsungel felétől.

John Ciardi

A newtoni „óramű”

Ha eszmecserét folytatnánk más bolygók értelmes lényeivel, természetes volna azt a tömegvonzással kezdeni. Ez az erő tartja pályájukon a bolygókat és tartja egyben a csillagokat. Még nagyobb léptékben egész galaxisokat – csillagok milliárdjainak raját – vezérli a gravitáció. Nincs olyan anyag, nem létezik olyan részecske, még maga a fény sem, amely szabadulni tudna a hatása alól. Gravitáció szabja meg az egész univerzum tágulásának menetét, és talán a végső sorsát is.
A gravitáció még mély titkokat rejteget. Sokkal zavarba ejtőbb, mint a természet bármely más alapvető erőhatása. Mégis ez volt az első olyan erő, amelyet matematikailag leírtak. Sir Isaac Newton a XVII. században arra tanított minket, hogy a bármely két test között fellépő vonzás „inverz négyzetes törvénynek” engedelmeskedik. Az erő a két tömeg közt lévő távolság négyzetével fordított arányban gyengül: ha egymástól kétszer olyan távolságra visszük őket, akkor a köztük fellépő vonzás negyedakkorára csökken. Newton ismerte fel, hogy az az erő, amelynek hatására az almák lehullanak, és amely az ágyúgolyó pályáját meghatározza, azonos azzal, amely a Holdat Föld körüli pályán tartja. Bebizonyította, hogy törvénye számot ad a bolygók ellipszispályáiról – ezzel meggyőző bizonyítékát adta annak, milyen hatékonyan használható a matematika a természet „óraművének” leírásában.
Newton nagy műve, az 1687-ben megjelent Principia, háromkötetes latin nyelvű szöveg, tele gondosan kidolgozott, főleg geometriai jellegű tételekkel. A tudományos gondolkodás terén az évezred egyik legkiemelkedőbb személyiségének emlékműve ez. Írásainak (és személyiségének) ijesztő szárazsága ellenére Newton óriási hatást gyakorolt bölcselőkre és költőkre egyaránt. De hatott a szélesebb közönségre is: 1737-ben például kiadtak egy Newtoniánizmus hölgyeknek című könyvet. Gravitációs elméletének lényege a sokkal közérthetőbb könyvében, A Világ szerkezetében is megjelent.
Ez utóbbi művében egy hegytetőről vízszintesen kilőtt ágyúgolyókkal szemlélteti alapelképzelését. Minél nagyobb sebességgel lövik ki a golyókat, annál messzebbre jutnak, mielőtt a földre hullanának. Ha a sebesség túlságosan nagy, a Föld „kiesik” a lövedék röppályája alól, és a golyó keringési pályára áll. Az ehhez szükséges sebesség (nagyjából 8 kilométer másodpercenként) természetesen jócskán meghaladta a newtoni idők ágyúgolyóiét, de ma már teljesen megszokottak a mesterséges holdak, amelyek éppen ez okból maradnak pályán. Newton azt is megmutatta, hogy a bolygókat ugyanez az erő tartja a Nap körüli ellipszispályákon. A tömegvonzás nagyobb léptékben is hat, csillaghalmazokban és galaxisokban, ahol milliárdnyi csillagot tart pályán a közös középpont körül.
A Napban és a hozzá hasonló csillagokban az őket összetartó tömegvonzás és a forró belsejükből származó nyomás, amely a gravitáció hiányában szétrepítené őket, egyensúlyban van egymással. Földünk légkörében a felszíni nyomás egyensúlyozza ki a fölötte levő levegőréteg súlyát.

Kis és nagy léptékű gravitáció

Földünk tömegvonzása sokkal erőteljesebb hatást gyakorol a nagyobb tárgyakra, mint a kisebbekre. Amikor a „katasztrófafilmek” gyártásvezetői egy híd vagy egy védőgát összeomlását akarják bemutatni, a makettet sohasem valódi acélból és betonból készíttetik el, hanem valamilyen nagyon gyenge anyagból, amely asztalmagasságból leejtve elgörbül vagy szétzúzódik. Hogy a mozgás valóságosnak tűnjön, a filmet gyorsítva kell felvenni, és lassítva lejátszani. És ha mindezt nagyon gondosan csinálják, még akkor is maradnak olyan jelek, amelyek elárulják, hogy amit látunk, az nem a valóság, csupán annak kicsinyített mása. Például a folyadéktartályban a kis hullámokat a felületi feszültség (az erő, amely az esőcseppeket egyben tartja) kisimítja, miközben ez a hatás a valóságos, turbulensen áramló folyóban vagy az óceán hullámainál elhanyagolható. A felületi feszültség teszi lehetővé, hogy a molnárkák sétáljanak a vízen, de ezt mi már nem tehetjük meg.
Az élővilágban kulcsfontosságú a megfelelő méret. A nagyméretű állatok nem csupán felfújt változatai a kisebbeknek, hanem másként is tagoltak: például a magasságukhoz képest vastagabbak a lábaik. Képzeljük el, hogy megduplázzuk egy állat méreteit, miközben az alakját változatlanul hagyjuk! Térfogata és súlya nem csupán kétszerese, hanem nyolcszorosa (2^3-szorosa) lesz az eredetinek, miközben lábainak keresztmetszete csak négyszeresre (2^2-szeresre) nő, ami túl gyenge lenne a súly megtartásához. Újra kell tervezni őket. Minél nagyobbak, annál nehézkesebben esnek: a „godzilláknak” testüknél szélesebb lábakra van szükségük, hogy túléljék a zuhanást, miközben az egerek a függőleges falon is fel tudnak mászni, és magasságuk sokszorosáról is sértetlenül érnek földet.
Galilei (aki ugyanabban az évben halt meg, amelyben Newton született) ismerte fel elsőként a méretekre vonatkozó megszorításokat, így írt erről:
„Mérhetetlen nagyságú fákat sem hozhat létre a Természet, mert az ágaik menthetetlenül leszakadnának saját súlyuk alatt... Amikor a testeket kicsinyítjük, a szilárdságuk nem arányosan csökken; sőt a nagyon kis testekben a szilárdság nagyobb arányban nő, és úgy vélem, egy pici kutya két-három hasonló méretű kutyát is elvihet a hátán, miközben nem gondolnám, hogy egy ló akár egyetlen hasonló méretű lovat is el tudna vinni.”
Hasonló érvelés korlátozza a madarak méretét. A megszorítások szigorúbbak a kolibriszerű madarakra, amelyek lebeghetnek, mint az albatroszokra, amelyek inkább siklanak. Enyhébb a korlátozás a vízben lebegő teremtményekre, ami hatalmas óceáni szörnyeket tesz lehetővé. Ezzel ellentétben a túl kis méret másfajta nehézségekhez vezet: a súlyhoz képest nagy bőrfelületen túlságosan nagy a hőveszteség, ezért a kisméretű emlősöknek és madaraknak testhőmérsékletük fenntartásához gyakori táplálkozásra és gyors emésztésre van szükségük.
Más világokban hasonló korlátozások lehetnek. Például a fizikus Edwin Salpeter olyan feltételezett ballonszerű élőlények életlehetőségeit vizsgálta Carl Sagannal, amelyek megélhetnének a Jupiter sűrű légkörében. Minden új nemzedéknek versenyt kellene futnia az idővel: nagyon gyorsan akkora méretre kellene fúvódnia, amellyel lebegni tud, még mielőtt a gravitáció lerántaná a mélyebben fekvő, sötét, nagynyomású rétegekbe.

Mi az N, és miért olyan nagy?

Annak ellenére, hogy számunkra és az egész bioszféra számára mennyire fontos, a gravitáció valójában meglepően gyenge az atomokat befolyásoló más erőkhöz viszonyítva. Az ellentétes „előjelű” elektromos töltések vonzzák egymást: a hidrogénatom egy pozitív töltésű protonból és egyetlen, körülötte keringő negatív elektronból áll. Két proton, Newton törvénye szerint gravitációsan vonzza egymást, miközben egy elektromos taszítóerő is fellép közöttük. Mindkét erőhatás ugyanúgy függ a távolságtól (mindkettő egy „inverz négyzetes” törvényt követ), ezért viszonylagos erősségüket egy fontos szám, az N adja meg, amely független attól, hogy a két proton milyen messze van egymástól. Amikor két hidrogénatom molekulává áll össze, a protonok közt ható elektromos taszítást semlegesíti a két elektron. A protonok közt ható gravitációs vonzás tíz harminchatodik hatványával arányosan gyengébb az elektromos taszításnál, és teljesen mérhetetlen. A vegyészek, miközben azt vizsgálják, hogyan kapcsolódnak az atomcsoportok molekulákká, nyugodtan figyelmen kívül hagyhatják a gravitációt.
Hogyan lehet mégis a gravitáció az az uralkodó erő, amely földhöz szögezve tart minket, és pályájukon tartja a bolygókat és a Holdat? Ennek az az oka, hogy a gravitáció mindig vonzóerő: ha megduplázzuk a tömeget, kétszeresére növekszik a rá ható tömegvonzás is. Ezzel szemben az elektromos töltések vonzzák és taszítják egymást; pozitívak vagy negatívak egyaránt lehetnek. Két töltés együtt ezért csak akkor fejt ki kétszeres erőhatást egy harmadikra, ha „előjelük” megegyezik. A mindennapi tárgyak azonban temérdek atomból épülnek fel (amelyek mindegyikében egy pozitív töltésű atommagot negatív töltésű elektronok vesznek körül), és a pozitív és a negatív töltések csaknem pontosan kiegyenlítik egymást. Még akkor is, amikor a mindennapos tárgyaink „fel vannak töltve”, amitől a hajunk égnek mered, az egyensúly megbomlása kisebb, mint egy töltés milliárdod részének milliárdod része. Ezzel szemben a „gravitációs töltés” mindig azonos előjelű, ezért nagyon nagy testekben a gravitáció „győz” az elektromos erőkkel szemben. Az elektromos erők egyensúlyát csak kevéssé bontja meg, ha egy szilárd testet megfeszítünk vagy összepréselünk. Egy alma csak akkor hullhat le, amikor a Föld valamennyi atomjának egyesített tömegvonzása legyőzi a fához kapcsolódó almaszárban ható elektromos erőket. A tömegvonzás azért olyan fontos a számunkra, mert a nagytömegű Földön élünk.
Mindezt számszerűsíthetjük is. Az 1. fejezetben elképzeltünk egy felvételsorozatot, amelyben minden kép az őt megelőzőnél tízszer messzebbről készült. Most képzeljünk el egy sorozat különféle méretű gömböt, amelyek rendre 10, 100, 1000 stb. atomot tartalmaznak, más szavakkal: mindegyik tízszer nehezebb, mint az előző. A tizennyolcadik akkora volna, mint egy homokszem, a huszonkilencedik emberméretű, és a negyvenedik akkora, mint egy kisbolygó. Minden ezerszeres tömegnövekedésnek ezerszeres térfogat-növekedés felel meg (ha a gömbök sűrűsége egyforma), de a sugár eközben csak tízszeresére nő. A gömb saját tömegvonzását jellemző energia – amely ahhoz szükséges, hogy egy atomot gravitációs vonzásköréből eltávolítsunk – a tömeg és a sugár hányadosától függ, azaz százszorosára nő.[4] Atomi léptékben a gravitáció harminchat nagyságrendnyi hátránnyal indul, de ebből minden három nagyságrendnyi (ezerszeres) tömegnövekedéssel két nagyságrendet (százszoros értéket) hoz be. Így az ötvennegyedik gömbnél (54 = 36 × 3/2), amelynek tömege nagyjából a Jupiterének felel meg, a gravitáció ledolgozza a hátrányt. A Jupiternél nagyobb tömegek esetében pedig a tömegvonzás ereje már minden más hatást túlszárnyal.
A homokszemcsék és a cukorszemcsék ugyanúgy a nagytömegű Föld tömegvonzásának hatása alatt állnak, mint mi. De a sajátgravitációjuk – a tömegvonzás, amelyet atomjaik inkább egymásra fejtenek ki, mint az egész Földre – elhanyagolható. A sajátgravitáció sem a kisbolygók, sem a Mars két kicsinyke, krumpli alakú holdja, a Phobos és a Deimos esetében nem számottevő. De a bolygóméretű testek (saját Holdunkat is ideértve) már nem elég kemények ahhoz, hogy szabálytalan alakúak legyenek: a tömegvonzás csaknem gömbölyűre formálja őket. A Jupiternél nagyobb tömegek viszont saját tömegvonzásuk hatására rendkívüli sűrűségre húzódnak össze. (Kivételt képez, ha a középpontjuk elég forró ahhoz, hogy egy ezt kiegyensúlyozó nyomást hozzon létre, miként az a Napban és a hozzá hasonló csillagokban történik.) A gravitáció gyengeségének tudható be, hogy a Naphoz hasonló csillagok olyan nagytömegűek. Ennél kisebb anyagcsomóban a gravitáció nem versenyezhetne a nyomással, és nem volna elég ereje ahhoz, hogy az anyagot olyan forróra és sűrűre préselje, hogy világítson.
A Nap tömege mintegy ezerszer nagyobb, mint a Jupiteré. Ha hideg lenne, a gravitáció a szilárdtesteknél ezerszer sűrűbbre rántaná össze: nagyjából Föld-méretű, de nála 330 ezerszer nagyobb tömegű „fehér törpévé” válna. De a Nap centrumának hőmérséklete ténylegesen 15 millió K – ezerszer forróbb, mint ragyogó felszíne. Ennek a forró gáznak a nyomása „felfújja” és egyensúlyban tartja a Napot.
Az angol asztrofizikus, Arthur Eddington az elsők között értette meg a csillagok fizikai természetét. Azon töprengett, mennyit tudhatnánk meg róluk pusztán elméleti úton, ha egy állandóan felhőkbe burkolt bolygón élnénk. Azt nem tudnánk kitalálni, hány csillag lehet, de az imént vázolt egyszerű gondolatmenettel megmondhatnánk, mekkorának kell lenniük. Nem túl nehéz az érvelést tovább terjeszteni, és kiszámítani, hogy egy-egy ilyen égitest milyen fényesen ragyoghat. Eddington következtetése szerint: „Amikor félrelibbentjük a felhőfüggönyt, amely alatt fizikusunk dolgozik, és ő felnézhet az égboltra, ezermillió, nagyjából egyforma tömegű gázgolyóbist lát majd ott.”
A tömegvonzás N-szer, azaz nagyjából 10^36-szor gyengébb a mikrovilágot uraló erőknél. Mi történne, ha nem volna ennyire gyenge? Képzeljünk el például egy univerzumot, amelyben a gravitáció nem 10^36-szor, „csupán” 10^30-szor volna gyengébb az elektromos erőknél. Az atomok és a molekulák ugyanúgy viselkednének, mint valóságos univerzumunkban, de a tárgyaknak nem kellene olyan nagyra nőniük, hogy a tömegvonzás versenyre kelhessen a többi erőhatással. Ebben az elképzelt univerzumban egy csillag (egy gravitációsan kötött fúziós atomreaktor) felépítéséhez milliárdszor kevesebb atomra volna szükség. A bolygók tömege szintén milliárdszor kisebb lenne. Tekintet nélkül arra, hogy vajon e bolygóknak lehetne-e állandó pályájuk, a tömegvonzás ereje erősen korlátozná rajtuk az evolúció lehetőségeit. Egy képzeletbeli erős gravitációjú világban még a rovarokat is csak vaskos lábak bírnák el, és semmilyen állat sem lehetne náluk sokkal nagyobb. A gravitáció összemorzsolna mindent, ami hozzánk hasonló méretű lenne.
Egy ilyen univerzumban sokkal gyorsabban alakulnának ki galaxisok, amelyeknek a mérete viszont kisebb lenne. A csillagok nem messze szétszórtan, hanem sűrűn összezsúfolva helyezkednének el bennük, ezért köztük gyakoriak volnának a közeli találkozások. Ez már önmagában is meggátolná stabil bolygórendszerek kialakulását, mivel a pályákat zavarnák a közelben elvonuló csillagok – ez saját Naprendszerünkben (Földünk szerencséjére) teljesen valószínűtlen.
Ám ami egy bonyolult ökológiai rendszer kialakulását még inkább meggátolná, az a fejlődés rendelkezésére álló, erősen behatárolt idő. A „mini-csillagok” hője sokkal hamarabb kifogyna: ebben a feltételezett „erős gravitációjú” világban a csillagok élettartama milliószor rövidebb volna. Tízmilliárd év helyett egy jellegzetes csillag mindössze 10 ezer évig élne. Egy mini-Nap gyorsabban égne, és már azelőtt kilehelné energiáját, mielőtt a szerves fejlődés megtenné első lépéseit. Az evolúció bonyolult feltételei kétségtelenül még kedvezőtlenebbé válnának, ha (minden mást változatlanul hagyva) a gravitáció felerősödne. Nem tátongana a mi valóságos világunkra jellemző óriási szakadék a csillagászati folyamatok hatalmas időtartama és a fizikai és kémiai folyamatokra jellemző mikrofizikai időlépték között. A fordított esetben azonban, egy gyengébb gravitáció még bonyolultabb és hosszabb életű szerkezetek kialakulását tenné lehetővé.
A gravitáció az univerzum rendező ereje. A 7. fejezetben látni fogjuk, milyen kulcsfontosságú szerepet játszott abban, hogy a kezdetben csaknem teljesen tagolatlan Nagy Bummból különféle alakzatok bomoltak ki. De nagy és hosszú életű alakzatok csak azért létezhetnek, mert a tömegvonzás a többi erőhatáshoz képest gyenge. Látszólagos ellentmondás, hogy minél gyengébb a gravitáció (feltéve, hogy nem zérus), annál nagyobbak és bonyolultabbak a kihatásai. Nincs olyan elméletünk, amely megadná az N értékét. Csupán azt tudjuk, hogy semmilyen, az emberiséghez foghatóan összetett dolog nem fejlődhetett volna ki, ha az N jóval kisebb lenne, mint

1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

Newtontól Einsteinig

Több mint két évszázaddal Newton után állt elő Einstein saját gravitációs elméletével, az általános relativitáselmélettel. Ennek értelmében a bolygók valójában a legegyenesebb pályákat követik a Nap által meggörbített „téridőben”. Elterjedt vélekedés szerint Einstein „megdöntötte” a newtoni fizikát, de ez az állítás félrevezető. Newton törvénye még most is nagyon pontosan írja le a mozgásokat a Naprendszerben (a legnevezetesebb eltérés a Merkúr keringésében mutatkozó parányi rendellenesség, amelyet Einstein elmélete oldott fel), és alkalmas a Holdra s a bolygókra indított űrszondák pályagörbéjének megtervezésére. Ugyanakkor Einstein elmélete (Newtonéval ellentétben) sikeresen birkózik meg a közel fénysebességgel mozgó tárgyakkal, az ultraerős gravitációval, amely ilyen nagy sebességeket hozhat létre, és a gravitációnak magára a fényre gyakorolt hatásával. Még fontosabb, hogy Einstein elmélyítette a gravitáció természetére vonatkozó ismereteinket. Newton számára rejtély maradt, miért mutat valamennyi részecske ugyanolyan mértékű gyorsulást, miért követ azonos pályát – a gravitációs erő és a tehetetlenség aránya miért pontosan ugyanaz minden anyagra (az elektromos erőkkel ellentétben, ahol a „töltés” és a „tömeg” nem arányosak) –, ám Einstein megmutatta, hogy ez természetes következménye annak, hogy minden test a legegyenesebb pályát követi a tömeg és energia által meggörbített téridőben. Az általános relativitáselmélet szemléletbeli áttörést hozott – ami különösen azért figyelemre méltó, mert nem valamiféle különleges kísérlet vagy megfigyelés hívta létre, sokkal inkább Einstein elmélyült gondolkodásából eredt.
Einstein nem bizonyította be, hogy „Newton tévedett”. Úgy lépett túl Newton elméletén, hogy azt közben belefoglalta egy átfogóbb és szélesebb körben alkalmazható elméletbe. Valójában szerencsésebb lett volna (és elkerülhette volna a széles körű félreértelmezést), ha elméletének más nevet ad: „a relativitás elmélete” helyett „az invariancia elméletét”. Einstein nagy eredménye annak az egyenletrendszernek a felfedezése, amelyet bármely megfigyelő alkalmazhat, és amely magába foglalja azt a fontos körülményt, hogy a fény sebességének mérése bármilyen „helyi” kísérletben a megfigyelő mozgásától függetlenül ugyanarra az eredményre vezet.
Minden tudomány fejlődését az egyre átfogóbb elméletek megjelenése jelzi, amelyek korábban egymástól függetlennek tekintett tényeket foglalnak egybe, és a megelőző elméletekhez képest kiterjesztik hatókörüket. Számomra nagyon igazul cseng a fizikus és történész Julian Barbournak a hegymászásból vett metaforája:
„Minél magasabbra mászunk, annál átfogóbb a látvány. Minden új kilátóhely a dolgok összefüggéseinek jobb megértéséhez vezet. Mi több, a megértés fokozatos kiteljesedését hangsúlyosabbá teszi a látóhatár hirtelen és meghökkentő kiszélesedése, amikor elérünk egy hegyfokra, és a mászás közben még csak nem is sejtett dolgok tárulnak elénk. Amikor megszokjuk az új tájképet, a legutóbb elért csúcshoz vezető utunk új távlatot kap, és elfoglalja tiszteletreméltó helyét az új világban.”[5]
A tapasztalat alakítja megérzéseinket és a józan észt: magunkévá tesszük azokat a fizikai törvényeket, amelyek közvetlenül érintenek minket. Newton törvényei bizonyos értelemben „be vannak építve” a majmokba, ezért lendülnek biztonságosan fáról fára. De messze kint a világűrben olyan környezetek is találhatók, amelyek nagyon-nagyon különböznek a miénktől. Nem lepődnénk meg, ha a józan észen alapuló elképzeléseink csődöt mondanának hatalmas kozmikus távolságokban, nagy sebességeken vagy ahol erős a gravitáció.
Egy értelem, amely elég gyorsan be tudná járni az univerzumot – csupán a fizika törvényei, de nem a pillanatnyilag elérhető technika által korlátozva –, a térrel és idővel kapcsolatos megérzéseit annyira kiterjeszthetné, hogy azok magukba foglalják a relativitás különleges, bizarrnak tűnő következményeit. A fény sebességéről kiderült különös jelentősége: megközelíthető, de sohasem léphető túl. Ez a „kozmikus sebességhatár” azonban nem korlátozza azt, milyen messzire juthatunk el életünk során, mert az órák lelassulnak (és a fedélzeti idő „megnyúlik”), miközben az űrhajó a fénysebesség felé gyorsul. Ha azonban elutaznánk egy száz fényévre levő csillaghoz, majd visszatérnénk, aközben itthon több mint kétszáz év telne el, bármennyire is fiatalnak érezzük magunkat. Az űrhajó nem haladhat nagyobb sebességgel, mint a fény (egy otthonmaradt megfigyelő mérése szerint), ám minél jobban megközelítené a fény sebességét, annál kevesebbet öregednénk.
Ezek a jelenségek nyilván azért mondanak ellent megérzéseinknek, mert tapasztalataink kis sebességekre korlátozódnak. Egy utasszállító repülőgép mindössze a fénysebesség milliomod részével repül, s ez messze nem elegendő az idődilatáció észleléséhez: még a legmegrögzöttebb utazó esetében sem haladhatja meg összességében az ezredmásodpercet egész élete során. Mindazonáltal ezt a parányi hatást nemrégiben milliárdod másodperc pontos atomi órákkal kísérletileg is megmérték, és azt találták, hogy megegyezik az Einstein által jósolt értékkel.
További „idődilatációt” okoz a gravitáció: egy nagy tömeg közelében az órák lassabban járnak. Ez szintén csaknem észrevehetetlen itt a Földön, mert ugyanúgy, ahogy „lassú” mozgásokhoz vagyunk szokva, gravitációt is csak „gyengét” tapasztalunk. Ezt az idődilatációt azonban, a körpályán való keringés egyéb hatásaival együtt, már számításba kellett venni a bámulatosan pontos Globális Helymeghatározó Rendszer (Global Positioning System, GPS) tervezésében.
Egy test gravitációs erejének egyik mértéke az a sebesség, amekkorával egy kilőtt lövedék kikerülhet a vonzáskörzetéből. A Föld elhagyásához 11,2 kilométeres másodpercenkénti sebesség szükséges. Ez a sebesség parányi a fény 300 000 kilométeres másodpercenkénti sebességéhez képest, mégis nagy kihívás a kémiai hajtóanyagok alkalmazására korlátozott rakétamernökök szamara, mivel ezek az üzemanyagok a „nyugalmi tömeg energiának” (Einstein mc^2-ének – lásd a 4. fejezetben) alig egymilliárdod részét alakítják át hasznos teljesítménnyé. A Nap felszínének elhagyásához szükséges szökési sebesség 800 kilométer másodpercenként – ez még mindig csak egyötöde a fénysebesség 1 százalékának.

Erős gravitáció és fekete lyukak

A newtoni elmélet – nagyon kis kiigazításokkal – Naprendszerünkben mindenhol jól működik. De meglepetésekre készülhetünk fel ott, ahol a gravitáció jóval erősebb. És a csillagászok fel is fedeztek ilyen helyeket: például neutroncsillagokat. A csillagból alakulnak ki ezek az ultrasűrű maradványok, miután szupernóvaként felrobbannak. (Erről bővebben a következő fejezetben szólunk.) A neutroncsillagok jellegzetesen 1,4 naptömegűek, de átmérőjük mindössze 20 kilométer; felszínükön a gravitációs erő milliószor milliószorosa a földinek. Egy neutroncsillag felszínén több energia kell egy test 1 milliméteres megemeléséhez, mint a Föld tömegvonzásából történő teljes kiszakításához. Egy 1 méter magasságból elejtett toll 1 tonna TNT robbanásának megfelelő energiával csapódna be (habár a neutroncsillag felszínén a gravitációs erő természetesen minden tárgyat azonnal összepréselne). Egy lövedéknek a fénysebesség felét kellene elérnie ahhoz, hogy megszabaduljon a tömegvonzástól; és fordítva, bármi, ami nagy magasságból szabadon esik a neutroncsillag felé, a fénysebességnek több mint a felével csapódna be.
Newton elmélete nem tud megbirkózni az olyan erős gravitációval, amilyen a neutroncsillagokban fellép; ehhez Einstein általános relativitáselméletére van szükség. A felszín közelében az órák 10-20 százalékkal lassabban járnának, mint nagy távolságokban. A felszínről induló fény erősen elgörbülne, annyira, hogy messziről nézve nem csupán a neutroncsillag egyik féltekéjét látnánk, hanem a túlsó oldalának egy részét is.
Egy neutroncsillagnál néhányszor kisebb vagy néhányszor nagyobb tömegű test csapdába ejtené a közelébe kerülő fényt, és fekete lyuk lenne belőle; körülötte önmagába záródna a tér. Ha a Napot 3 kilométer átmérőjűre préselnénk össze, fekete lyukká válna. Szerencsére, a Természet bemutatott számunkra ilyen kísérleteket, tudjuk, hogy a világmindenségben vannak ilyen összeomlott objektumok, amelyek „kilyukasztották” a téridőt, és elvágták magukat a külső univerzumtól.
A Galaktikában sokmillió, nagyjából tíz naptömegű fekete lyuk van, amelyek nagytömegű csillagok végállapotai, vagy esetleg csillagok ütközésének a termékei. Mivel a térben elszigeteltek, az ilyen testek szinte alig észrevehetők: csupán azon a gravitációs hatáson keresztül mutathatók ki, amelyet más testekre vagy a közelükben elhaladó fényre gyakorolnak. Könnyebb kimutatni azokat, amelyek körül egy közönséges csillag kering – ezzel kettős rendszert alkotnak. A módszer nagyon hasonlít ahhoz, amellyel bolygók jelenlétére következtetnek a szülőcsillagukra gyakorolt hatásuk következtében létrejövő mozgásból; csakhogy ebben az esetben a feladat könnyebb, mert a látható csillag kisebb tömegű, mint a sötét objektum (ahelyett hogy ezerszer vagy még többször nehezebb lenne), és emiatt nagyobb pályán és gyorsabban kering.
A csillagászokat mindig különösen vonzották az univerzum leginkább „szélsőséges” jelenségei, mert legnagyobb valószínűséggel ezek tanulmányozásán keresztül juthatunk alapvetően új ismeretekhez. Talán a legérdekesebbek közülük a bámulatba ejtően erőteljes felvillanások, az úgynevezett „gammasugár-kitörések”. Ezek az események olyan erőteljesek, hogy néhány másodpercre milliónyi galaxist túlragyognak, s valószínűleg éppen kialakuló fekete lyukaktól származnak.
A galaxisok középpontjában még jóval nagyobb fekete lyukak rejtőzködhetnek. Jelenlétükre a körülöttük csaknem fénysebességgel örvénylő gáz erőteljes sugárzásának megfigyeléséből, vagy a közelükben elvonuló csillagok igen sebes mozgásából következtethetünk. A saját Galaktikánk középpontjához közeli csillagok olyan gyorsan mozognak, mintha egy nagy tömeg: egy 2,5 millió naptömegű fekete lyuk hatását éreznék. A fekete lyuk mérete a tömegével arányos, ennek alapján a Tejútrendszer középpontjában levő fekete lyuk átmérője 6 millió kilométer lehet. Néhány, más galaxisok középpontjában levő igazi monstrum, amelynek a tömege több milliárd napnyi, olyan nagy kiterjedésű, mint az egész Naprendszer – jóllehet, még így is nagyon kicsik a galaxisokhoz képest, amelyeknek a magjában rejtőznek.
De bármennyire is különösek és a józan észnek ellentmondók, a fekete lyukakat valójában jóval egyszerűbb leírni, mint bármely más égitestet. A Föld szerkezete függ attól, hogy miből alakult ki, és miként alakult a története; a más csillagok körül keringő hasonló méretű bolygók bizonyára tőle nagyon különbözők lehetnek. És a Nap, amely alapvetően egy hatalmas gázgolyó, felszíni kitörésekkel és folyamatos turbulenciával, egészen másképpen festene, ha az atomok más összetételű „keverékéből” állna. De egy fekete lyuk minden „emlékét” elveszti annak, hogy miként jött létre, és gyorsan beilleszkedik egy sima, szabványos állapotba, amelyet mindössze két mennyiség ír le: mennyi tömeg gyűlt össze benne, és milyen gyorsan forog. 1963-ban, még jóval azelőtt, hogy a fekete lyukak létezésére bármiféle bizonyíték lett volna – igazából még azt megelőzően, hogy egy amerikai fizikus, John Archibald Wheeler a „fekete lyuk” elnevezést bevezette volna – egy új-zélandi elméleti fizikus, Roy Kerr megtalálta az Einstein-egyenletek megoldását egy forgó test esetében. Mások későbbi munkássága arra a figyelemreméltó eredményre vezetett, hogy bármely összeomló test olyan fekete lyukká válik, amilyet Kerr formulája pontosan leír. A fekete lyukak éppen olyan szabványosak, mint az elemi részecskék. Einstein elmélete pontosan megadja, hogyan torzítják el a teret és az időt, és milyen alakú a felszínük.
A fekete lyukak környezetében a térrel és az idővel kapcsolatos megérzéseink teljesen csődöt mondanak. A fény a „legegyenesebb” pályán halad, de egy erősen meggörbült térben ez egy bonyolult görbe. Közelükben nagyon lassan telik az idő (még annál is lassabban, mint egy neutroncsillag közelében). Megfordítva, ha valaki egy fekete lyuk körül keringene vagy fölötte lebegne, azt látná, hogy a külső univerzum felgyorsul. A fekete lyuk körül van egy jól meghatározott „felület”, ahol – egy biztonságos távolságban levő megfigyelő számára – az órák (vagy egy befelé zuhanó kísérletező) látszólag „megdermednek”, mert az idődilatáció (az időtartamok megnyúlása) csaknem végtelenné válik.
E felület belsejéből még a fény sem szabadulhat ki, mert a tér és az idő ennyire eltorzult. Szinte úgy fest, mintha magát a teret szippantaná oly gyorsan magába, hogy az még a kifelé indított fénysugarat is befelé vonszolja. Egy fekete lyukban ugyanúgy nem lehet többé a térben „kifelé” menni, mint ahogy az időben sem lehet visszafelé haladni.
Egy forgó fekete lyuk a teret és az időt még bonyolultabban görbíti meg. Ennek szemléltetésére képzeljünk el egy örvénylést, amelyben a víz csigavonalban áramlik egy központi örvény felé. Az örvénytől nagy távolságban egy csónak még tetszés szerint kormányozható akár az áramlással egy irányba, akár azzal szemben. Közelebb, a víz örvénylésének sebessége már meghaladja a csónakét, ezért az áramlás körpályára kényszeríti, jóllehet még ugyanúgy van esélye a kijutásra (egy kifelé tartó csigavonalú pályán), mint a befelé haladásra. De még közelebb már az áramlás befelé irányuló sebessége is meghaladja a csónakét. Egy bizonyos „kritikus sugáron” belül a csónak már nem kerülheti el sorsát, és a megsemmisülés felé sodródik.
A fekete lyukat egyirányú hártyaként viselkedő felület veszi körül. Ezen belülről semmiféle jel sem küldhető a biztonságos távolságból figyelő munkatársaknak. Bárki, aki áthalad ezen a „felületen”, csapdába kerül, és arra ítéltetik, hogy magába szívja az a tartomány, ahol Einstein egyenleteinek értelmében a saját órája által mért véges idő alatt a gravitáció „végtelenné válik”. Ez a „szingularitás” valójában olyan feltételeket jelent, amelyek éppen úgy meghaladják mai fizikai tudásunkat, mint azok, amelyek az univerzum egészen kezdeti időszakában uralkodtak. Bárki, aki befelé zuhan egy fekete lyukba, szembetalálja magát „az idők végezetével”, ízelítő ez a Nagy Zuttyból, amely univerzumunk végső sorsa lehet? Vagy az univerzum jövője örökké tart? Vagy valamilyen, ma még ismeretlen fizikai törvény megóvhat minket ettől a végzettől?
Mint ismeretes, Einstein elméletét az a „szerencsés gondolat” váltotta ki, hogy a tömegvonzás hatása megkülönböztethetetlen a gyorsuló mozgásétól, és kimutathatatlan lenne egy szabadon eső liftben. A gravitációban mutatkozó egyenetlenségek azonban nem hanyagolhatók el. Ha kamikáze űrhajósok hadoszlopa szabályos alakzatban szabadon zuhanna a Föld felé, akkor köztük a vízszintes távolság csökkenne, a függőleges viszont növekedne. Ez azért van így, mert röppályájuk összetart a Föld középpontja felé, és a tömegvonzás az alakzat alján – azaz a Földhöz közelebb – levőkre erősebben hat. Hasonló hatások lépnek fel valamennyi űrhajós testének egyes részei között is: lábbal lefelé esve az űrhajós függőleges irányú feszítést és oldalirányú összenyomódást érez. Ez az „árapályerő” a Föld gravitációs terében észrevehetetlen az űrhajósok számára, egy fekete lyukban viszont katasztrofálisan naggyá válik, foszlányokra szakadáshoz és „spagettivé nyúláshoz” vezet már a központi „szingularitás” elérése előtt. Egy csillagtömegű fekete lyukba zuhanó űrhajós komoly árapály erőket tapasztalna már a lyuk felületének elérése előtt; innen számítva csupán néhány ezredmásodperce maradna (saját órája szerint) a szingularitással való találkozásig. Az árapályerők azonban sokkal gyengédebbek a galaxisok középpontjában levő, szupernehéz fekete lyukak esetében: az űrhajósnak még a felület átlépése után is több órája maradna a kényelmes felderítésre, mielőtt a központi szingularitáshoz kényelmetlenül közel kerülne.[6]

Atomi méretű fekete lyukak

A fekete lyukak figyelemre méltó elméleti konstrukciók, de annál jóval többek is. Tényleges létezésükre ma már meggyőző bizonyítékok vannak. Az univerzumban megfigyelhető leglátványosabb jelenségekkel állnak kapcsolatban – a kvazárokkal és a robbanásszerű kitörésekkel. Kialakulásuk pontos részleteiről még ma is heves viták folynak, de nincs kétség afelől, hogy a gravitáció egy halott csillagban vagy egy galaxis középpontjában levő gázfelhőben minden más erőhatást felülmúlhat. A kialakulásukhoz szükséges folyamatokhoz az szükséges, hogy tömegük legalább egy csillag tömegét elérje, mert – mint láttuk – kisbolygók és bolygók esetében a tömegvonzás nem kelhet versenyre a többi erővel. Csakugyan, egy felhőkbe burkolt bolygón élő fizikus megjósolhatná, hogy ha csillagok léteznek, akkor valószínűleg léteznek csillagnyi tömegű fekete lyukak is.
A csillagok méretét, amely a ténylegesen keletkező fekete lyukak tömegét meghatározza, mint láttuk, a gravitációs és az atomi erők egyensúlya szabja meg. De Einstein elméletében semmi sem választ ki valamiféle különleges tömegértéket. A fekete lyukak magának a térnek az anyagából épülnek fel. Mindaddig, amíg a tér sima, egybefüggő egész, a léptéktől eltekintve semmi sem tesz különbséget aközött, hogy vajon egy lyuk (ha már egyszer kialakult) akkora-e mint egy atom, vagy akkora, mint egy csillag, vagy éppenséggel akkora, mint az egész megfigyelhető univerzum.
Még egy atomnyi méretű lyuk tömege is akkora volna, mint egy hegyé. A fekete lyukak – meghatározásuk szerint – olyan objektumok, amelyekben a gravitáció minden más erőhatást felülmúl. Egy atomnyi méretű fekete lyuk kialakulásához 10^36 atomot kellene egyetlen atom térfogatába összepréselni. Ez a megszorítás egy további következménye annak, hogy kozmikus számunk, az N – amely a gravitációnak atomi méretekben mutatkozó gyengeségét méri – annyira hatalmas. Mit mondhatunk az atomnál is kisebb fekete lyukakról? Ezek létrejöttét megakadályozza egy végső megszorítás (a 10. fejezetben ismét szó esik majd erről), amely a tér szerkezetében rejlő, a legkisebb méretekben mutatkozó szemcsésségből fakad.
Atomi méretű fekete lyukak, ha egyáltalán kialakultak, csakis az univerzum legkorábbi szakaszában uralkodó óriási nyomás hatására jöhettek létre. Ha valóban léteznek, az ilyen mini-lyukak sajátságos „hiányzó láncszemek” lehetnek a világmindenség és a mikrovilág között.

4. FEJEZET

Csillagok, a periódusos rendszer és az ε

Azt hiszem, egy fűszál semmivel sem ér kevesebbet, mint a csillagok iparosmunkája.

Walt Whitman

A csillagok mint „magfúziós reaktorok”

Milyen öreg a Föld? A radioaktív atomokra vonatkozó mérések tanúsága szerint 4,55 milliárd éves. Ősrégiségére már a XIX. században is meggyőző bizonyítékok sorakoztak fel. A geológusok, felmérve a felszínt alakító eróziónak és a rétegek lerakódásának ütemét, a Föld korát legalább 1 milliárd évre becsülték. Ezzel egyetértettek a darwinizmus hívei is, akik számításaikat arra alapozták, hogy a fokozatosan fejlődő fajok hány nemzedékének kellett előttünk élnie. Másrészt Lord Kelvin, a kiváló fizikus kiszámította, hogy ennek az időtartamnak már 1 százaléka alatt a Nap összes belső hőjének ki kellett volna sugárzódnia, el kellett volna fogynia. Baljósan állította: „A Föld lakói nem élvezhetnék néhány millió évnél hosszabb ideig az életükhöz szükséges fényt és meleget, hacsak a teremtés nagy tárházában nem készítettek elő valamilyen, számunkra ismeretlen forrást.” A XX. századi tudomány megtanított bennünket arra, hogy ilyen forrás valóban létezik, az energiát atommagok tárolják. A hidrogénbomba elrettentő tanúbizonysága az atommagban szunnyadó energiának.
A Napot a hidrogénnek (a legegyszerűbb, egy protonos atommagú atomnak) héliummá (a második legegyszerűbb, két protont és két neutront tartalmazó atommagú atommá) történő átalakulása táplálja. A fúzió energiaforrásként való felhasználására irányuló kísérleteket (a „szabályozott fúziót”) mind ez ideig holtpontra juttatták a magfolyamat beindításához szükséges több millió fokos hőmérséklet elérésének nehézségei. Nagyobb gondot jelent ennek az ultraforró gáznak az együtt tartása, megfelelő fizikai korlátok közé szorítása a laboratóriumban. Nyilvánvaló, hogy millió fokos gáz bármilyen szilárd tartályt megolvasztana, ezért mágneses térrel kell csapdában tartani. Ám a Nap tömege olyan nagy, hogy tömegvonzása megtartja a külső, hűvösebb rétegeket, és ezáltal „fedő alatt tartja” a nagy nyomású centrumot. A Nap szerkezete ahhoz igazodott, hogy a középső részein termelődő nukleáris energia éppen olyan ütemben terjedjen kifelé, hogy pótolja a felszín sugárzási hőveszteségét – azt a hőt, amely az élet alapja a Földön.
Ez az üzemanyag tartja fenn a Nap ragyogását csaknem 5 milliárd éve. De amikor majd mintegy további 5 milliárd év múlva kezd kifogyni, a Nap magja összehúzódásnak indul, a külső rétegek pedig tágulni kezdenek. Az ezt követő 100 millió év alatt – ami rövidke időtartam a teljes élettartamához viszonyítva – a Nap kifényesedik, úgynevezett „vörös óriássá” fúvódik fel, elnyelve a belső bolygókat és elgőzölögtetve az élet mindennemű maradékát a Földön. Külső rétegeinek egy részét ledobja magáról, míg végezetül fehér törpeként megállapodik, bágyadt kék fényt sugározva a felperzselt Naprendszer maradékára, nem fényesebben, mint most a telihold.
Asztrofizikusok kiszámították, milyen lehet Napunk belseje. Eredményeik kielégítően megegyeztek a Nap megfigyelt átmérőjével, fényességével, hőmérsékletével, és így tovább. Biztonsággal meg tudják mondani, milyen feltételek uralkodnak mélyen a belsejében; azt is ki tudják számítani, hogyan fog ez alakulni a következő néhány milliárd év során. Nyilvánvaló, hogy ezek a számítások közvetlenül nem ellenőrizhetők. Meg tudunk figyelni viszont a Naphoz hasonló más csillagokat, fejlődésük különféle lépcsőfokain. Az, hogy az egyes csillagok életéről csupán „pillanatfelvételt” készíthetünk, nem végzetes hátrány, ha a vizsgálatok elvégzéséhez ilyen nagy választék áll rendelkezésünkre a különböző időpontokban született csillagokból, mint ahogy egy frissen földet ért marslakónak sem okozna nehézséget az ember (vagy a fák) életciklusára következtetni nagy számú, különböző korú példány megfigyeléséből. A közeli csillagok között is megkülönböztethetünk néhányat, amelyek még nagyon fiatalok, alig több mint millió évesek, és másokat, amelyek életük vége felé járnak, és már az összes valaha volt bolygókísérőjüket elnyelték.
Az efféle következtetések azon a feltételezésen alapulnak, hogy az atomok és atommagjaik mindenütt egyformák. Newton kivételes éleselméjűségét bizonyítja, hogy a gravitációnak a Földön és az égi pályákon uralkodó törvényeit kapcsolatba hozta egymással. Még akkor is, ha őt csupán a Naprendszeren belüli mozgások foglalkoztatták. Hosszabb idő kellett annak a felismeréséhez, hogy a gravitáció más csillagokban, sőt más galaxisokban is hat. Az ókorban azt hitték, hogy az éggömb egy különleges anyagból, „a dolgok velejéből” áll, amely tisztább, mint földi birodalmunkban a föld, a levegő, a tűz vagy a víz. Egészen a XIX. század közepéig nem volt semmilyen nyomravezető jel, amely megmutatta volna, miből is épülnek fel a csillagok. A prizma használata, amely a fényt a különféle színek szivárványává bontja szét, feltárta, hogy a Nap és más csillagok fénye a Földön jól ismert atomok jellegzetes színárnyalatait tartalmazza. A csillaganyag összetevői semmiben sem különböztek a „Hold alatti gömb” itteni atomjaitól.
Az asztrofizikusok éppen olyan könnyen ki tudják számítani egy olyan csillag életciklusát, amelynek a tömege (mondjuk) fele, kétszerese vagy tízszerese a Napénak, mint magának a Napnak a fejlődését. A kisebb csillagok lassabban fogyasztják tüzelőanyagukat. Ezzel szemben a Napnál tízszer nehezebb csillagok – például az Orion csillagképben levő Trapezium négy kék csillaga – több ezerszer fényesebben ragyognak, és gyorsabban fogyasztják tüzelőanyagukat. Életük jóval rövidebb, mint a Napé, és sokkal viharosabb véget ér: szupernóvaként robbannak szét. Néhány hétre olyan fénylők lesznek, mint többmilliárd csillag. Ledobott, 20 ezer kilométeres másodpercenkénti sebességű külső rétegeik lökéshullámot alkotnak, amely beleszánt a környező csillagközi gázba.
1987. február 24-én egy kanadai csillagász, Ian Shelton, chilei segítőtársával rutinmegfigyeléseket végzett az észak-chilei Las Campanas Obszervatóriumban. A déli égbolton szokatlan csillogást vettek észre, amely olyan fényes volt, hogy szabad szemmel is láthatták, viszont nem volt ott az előző éjszakán. Ez utóbb a modern idők legközelebbi megfigyelt szupernóvájának bizonyult. Csúcsfényességének néhány hete alatt és a rákövetkező évek fokozatos halványodása során megfigyelték a modern csillagászat valamennyi létező technikájával, ezáltal ellenőrizhették ezeknek a hatalmas robbanásoknak az elméletét. Ez az egyetlen olyan szupernóva, amelynek az előfutárát ismerték: régi fényképfelvételeken, a szupernóva helyén látható egy húsz naptömegű kék csillag.
A szupernóva-robbanások a csillagok életének pusztító hatású, szélsőséges fizikai folyamatokkal kísért eseményei, ezért a csillagászokat nyilvánvaló módon lebilincselik. De minden tízezer ember közül csak egy csillagász. Miért lehetnek fontosak ezek a több ezer fényév távolságban végbemenő csillagrobbanások a többieknek, akiket a munkájuk teljesen a Föld felszínéhez vagy annak közeléhez köt? A meglepő válasz az, hogy a szupernóvák alapvető szerepet játszanak valamennyiünk környezetében. Nélkülük sohasem alakulhattunk volna ki. Szupernóvák hozták létre az atomoknak azt a „keverékét”, amelyből a Föld van, és amelyek az élet bonyolult kémiájának építőkövei. Darwin óta tudatában vagyunk a felemelkedésünket megelőző evolúciónak és kiválasztódásnak, és a bioszféra többi láncszeméhez való kapcsolódásunknak. A csillagászok a Föld eredetét még a Naprendszer kialakulása előtt elpusztult csillagokig vezetik vissza. Ezek a hajdanvolt csillagok gyártották le azokat az atomokat, amelyekből bolygónk és mi magunk is felépülünk.

Alkímia a csillagokban

A természetben az atomoknak kilencvenkétféle változata fordul elő, miként az a periódusos rendszerben látható. Az elemek táblázatban elfoglalt helyét az atommagjukban levő protonok száma szabja meg. A táblázat az 1-es rendszámú hidrogénnel indul, és a 92-es uránnal fejeződik be. Az atomok magja nem csupán protonokat, hanem másfajta részecskéket, nevezetesen neutronokat is tartalmaz. A neutron kicsit nehezebb a pozitív töltésű protonnál, de nincs elektromos töltése. Egy elem atomjai többféle változatban létezhetnek, ezek az „izotópok”, bennük egyenlő a protonok száma, egymástól a neutronok számában különböznek. Például a szén a periódusos rendszer hatodik eleme: atommagjában hat proton van. Leggyakoribb formája (a 12C) neutronból szintén hatot tartalmaz; de léteznek hét- és nyolcneutronos izotópjai is (a 13C, illetőleg a 14C). Az urán a természetben előforduló legnehezebb elem. Laboratóriumban még nehezebbeket is előállítottak, egészen a 114-es rendszámúig. Ezek a szupernehéz elemek maghasadással elbomlanak. Egyeseknek, például a plutóniumnak (ami a periódusos rendszer 94-es eleme) több millió év az élettartama, míg a 100-on felüliek, amelyek atommagok ütköztetésével mesterségesen állíthatók elő, röpke lét után elbomlanak.
Amikor egy óriáscsillag belső hidrogéntartalma teljes egészében héliummá (a periódusos rendszer második elemévé) alakult, a csillagbelső összehúzódásba kezd, és addig préseli a héliumot, amíg az olyan forró nem lesz, hogy reakcióba léphet önmagával. De a hélium atommagok elektromos töltése kétszerese a hidrogénének, ezért nagyobb sebességgel kell ütközniük, hogy legyőzhessék egymás erőteljesebb elektromos taszítását, ehhez pedig magasabb hőmérséklet szükséges. Amikor a hélium maga is elfogyott, a csillag még jobban összehúzódik és felforrósodik. A Naphoz hasonló csillagok centruma sohasem válik elég forróvá ahhoz, hogy ezek az átalakulások túl messzire menjenek, de a nehezebb csillagokban, amelyekben a gravitáció sokkal erőteljesebb, a központi hőmérséklet milliárd fokot is elérhet. Az ilyen csillagok további energia kibocsátására képesek a szén (hat proton), majd átalakulások láncolatán keresztül egyre nehezebb atommagok: oxigén, neon, magnézium, szilícium stb. előállításával. Az egyes atommagok kialakulásakor felszabaduló energia mennyiségét a protonokat és a neutronokat az atommagokban „összeragasztó” magerők, és a protonokat szétszórni igyekvő elektromos erők versengése szabja meg. A vas atommagja (huszonhat protonnal) az összes többinél erősebben kötött; a még nehezebb atommagok felépítéséhez már energia befektetése szükséges (ahelyett, hogy energia szabadulna fel). A csillag ezért, amikor a központi tartománya már teljesen vassá alakult, energiaválságba kerül.
A következmények drámaiak. Ha a vastömb túllép egy kritikus méretet (nagyjából 1,4 naptömeget), a gravitáció felülkerekedik, és a központi rész egy neutroncsillag méretére zsugorodik össze. Ez a gravitációs összeroskadás elegendő energiát szabadít fel ahhoz, hogy a felette fekvő rétegeket egy elképesztő erejű robbanásban szerteszét fújja – egy szupernóvát hozzon létre. Ráadásul ebben az anyagban addigra hagymahéj szerű szerkezet alakul ki: a külső rétegekben még ég a hidrogén és a hélium, de a beljebb fekvő, még forróbb rétegek már a periódusos rendszer további elemeit is legyártották. A térbe kidobott törmelékek a kémiai elemek keverékét tartalmazzák. Leggyakoribb az oxigén, őt követi a szén, a nitrogén, a szilícium és a vas. Gyakoriságuk kiszámítható, és ha a csillagok minden lehetséges változatát és eltérő fejlődési pályáját figyelembe vesszük, a számított elemgyakoriság megegyezik a Földön megfigyelttel.
A vas csupán a huszonhatodik elem a periódusos rendszerben, ezért a nehezebb atomok kialakulása első ránézésre kérdésesnek tűnhet, hiszen szintetizálásukhoz energiát kell befektetni. De az összeroskadásban felszabaduló nagy mennyiségű hő és a külső rétegeket ledobó lökéshullám együttes hatására nyomokban a periódusos rendszer még hátralévő elemei is kialakulnak, egészen a 92-es uránig.

A galaktikus ökológiai rendszer

Az első csillagok mintegy 10 milliárd éve alakultak ki az ősanyagból, amely csupán a legegyszerűbb atomokat tartalmazta – nem volt még benne se szén, sem oxigén, sem vas. A kémia akkoriban igen unalmas tárgy lehetett. Bizonyosra vehető, hogy az első csillagok körül nem voltak bolygók. Még mielőtt a Nap egyáltalán kialakult volna, nehéz csillagok több nemzedékének kellett leélnie teljes életciklusát, hogy az ősi hidrogénből előállítsák az élet építőelemeit, majd erős csillagszelekkel vagy csillagrobbanásokkal kiszórják őket a világűrbe. Ezeknek az atomoknak némelyike egy az Orion-ködhöz hasonló csillagközi felhőbe került, ahol mintegy 4,5 milliárd éve egy porral teli gázkoronggal övezett csillaggá sűrűsödött össze, kialakítván Naprendszerünket. Miért van az, hogy itt a Földön a szén és az oxigén annyira gyakori, az arany és az urán viszont oly ritka? A válasz azokban a csillagokban rejlik, amelyek még a Nap kialakulása előtt felrobbantak. A Föld, és mi magunk is ezeknek a régvolt csillagoknak a hamujából vagyunk. Galaktikánk egy olyan ökológiai rendszer, amely a csillagok nemzedékein keresztül újra és újra feldolgozza az atomokat.
A Naprendszer szén-, oxigén- és vasatomjai annak a porfelhőnek az ősmaradványai, amelyekből bolygórendszerünk 4,5 milliárd éve kiformálódott; olyan nehéz csillagok állították elő őket, amelyek akkorra már törmelékként szétszórták, amit megtermeltek. Ezek a „szennyeződések” a felhő tömegének csupán 2 százalékát tették ki: a hidrogén- és a héliumatomok még elsöprő többségben voltak a csillagközi térségekben. A Földön viszont a nehéz atomok túlzott irányban képviseltetik magukat, mivel a hidrogén és a hélium illékony gázok, amelyek valamennyi belső bolygóról elszöktek. Ezzel szemben a Jupiter óriásbolygó a Naphoz hasonlóan főként hidrogénből és héliumból tevődik össze. A Jupiter az éppen megszületett Napot övező porkorong külső, hűvösebb részén alakult ki, saját tömegvonzása elegendő volt a könnyű atomok megtartásához.
A Napnál idősebb csillagok még azt megelőzően születtek, hogy Galaktikánkat ilyen sok „szennyezés” érte volna: ezért felszínükön a Naphoz képest kevesebb a nehéz elem. A csillagfény bonyolult színképére az atomok minden fajtája jól megkülönböztethető színsorozattal nyomja rá bélyegét. (Utcai lámpáknál például hozzászoktunk a nátrium sárga fényéhez és a higanygőz jellegzetes kékjéhez.) Valóban, valamennyi nehezebb elem gyérebb a korábban kialakult csillagokban, megerősítvén ezzel a galaktikus történelem általános vázlatát. Ezzel szemben héliumban még a legöregebb csillagok is bővelkednek, s ennek oka – amelyet majd a következő fejezetben tárgyalunk – visszavezet a Nagy Bumm utáni első néhány perchez.

Nukleáris hatásfok: ε = 0,007

Az asztrofizika egyik diadala, hogy számot tud adni a különféle atomok részarányáról, továbbá az a felismerés, hogy a Teremtőnek nem kellett ehhez kilencvenkét különböző fogantyút beállítania. Néhány részlet még bizonytalan, de a lényeg csupán egyetlen számon múlik: az atommagot alkotó részecskéket (protonokat és neutronokat) összetartó kölcsönhatás erősségén.
Einstein híres E = mc^2 egyenlete azt mondja ki, hogy a tömeg (m) és az energia (E) a fénysebességen (c) keresztül kapcsolódik egymáshoz. A fény sebessége ezért alapvetően fontos. Az szolgáltatja az „átváltási tényezőt”: megmondja, hogy az anyag minden egyes kilogrammja mennyi energiát „ér”. A tömeg csupán egyetlen módon alakítható át 100 százalékosan energiává: ha vele azonos tömegű antianyaggal kerül össze – amely (életben maradásunk szempontjából szerencsésen) a Galaktikában sehol sem fordul elő nagyobb mennyiségben. Csupán egyetlen kilogramm antianyag annyi energiát tudna termelni, amennyit egy nagy elektromos erőmű tíz év alatt állít elő. De a benzinhez hasonló megszokott üzemanyagok, sőt még a TNT-hez hasonló robbanóanyagok is az anyag „nyugalmi tömegében rejlő energiának” alig milliárdod részét hasznosítják. Az ilyen anyagokban kémiai reakciók mennek végbe, amelyek az atommagokat változatlanul hagyják, és csupán az atomok összekapcsolódását és az elektronok pályáit rendezik át. De a magfúziónak már félelmetes energiája van, bármely kémiai robbantásnál több milliószor hatékonyabb. A hélium atommagjának tömege 99,3 százaléka az őt alkotó két proton és két neutron együttes tömegének. A maradék 7 ezrelék főként hő formájában szabadul fel. Így amikor a Napot tápláló üzemanyag – a centrumában levő hidrogéngáz – héliummá egyesül, tömegének 7 ezrelékét alakítja energiává. Lényegében ez a szám, ε = 0,007 határozza meg, hogy meddig élhetnek a csillagok. A hélium további átalakulásai, egészen a vasig, csupán egy további 0,001 résznyi energiát szabadítanak fel. Ezért viszonylag rövidek egy csillag életének későbbi szakaszai. (Még ennél is rövidebbek, mivel a forróbb csillagok belsejéből láthatatlanul további energia szivárog el a neutrínókkal.)
Az egyszerű atommagok fúziójában felszabaduló energia mennyisége az atommag alkotóelemeit „összeragasztó” kölcsönhatás erősségétől függ. Ez a magerő, eltérően az eddig tárgyalt két kölcsönhatástól, azaz a gravitációtól és az elektromosságtól, csak nagyon rövid távolságon belül hat, és csupán atommagnyi méretekben hatékony. Ezért nincs róla közvetlen tapasztalatunk, szemben azzal, ahogy „érezni” tudjuk az elektromos vagy gravitációs erőket. Ez az erő azonban a protonokat és a neutronokat olyan erővel tartja össze egy atommagban, hogy az elegendő az elektromos taszítás legyőzéséhez, amely egyébként a (pozitív töltésű) protonokat szétrepítené. A fizikusok a magerőt „erős kölcsönhatásnak” nevezik.
Ez az „erős” erő a mikrovilág uralkodó kölcsönhatása: olyan szilárdan tartja együtt a héliumban és a nehezebb elemekben a protonokat, hogy a fúzió elegendően hatékony energiaforrás ahhoz, hogy tartósan biztosítsa a Nap melegét, kialakulásunk előfeltételét. Nukleáris energia nélkül a Nap 10 millió év alatt kihűlt volna, miként azt Kelvin egy évszázaddal ezelőtt már kiszámította. Ez a magerő csak rövid távolságon belül hat, ezért a nagyobb kiterjedésű, nehéz atommagokban kevésbé hatékony. Ez az oka annak, hogy a vasnál nehezebb elemek nem szorosabban, hanem gyengébben kötöttek.

Az ε behangolása

A magerők kulcsfontosságúak, de mit számít az, hogy pontosan mennyire erősek? Mi változna meg, ha ε értéke 0,007 helyett mondjuk 0,006 vagy 0,008 lenne? Első ránézésre azt gyaníthatnánk, hogy ez nem okozna nagyobb változást. Ha ε kisebb volna, a hidrogén kevésbé hatékony üzemanyag lenne, a Nap és a csillagok nem élnének olyan sokáig, de ez önmagában nem volna döntő fontosságú – végül is mi már itt vagyunk, és a Nap életének még alig a fele útján tart. Ám kiderült, hogy a hidrogént a periódusos rendszer többi elemévé átalakító fúziós folyamatban olyan finom hatások is közrejátszanak, amelyek érzékenyen függenek ettől a számtól.
A folyamatlánc első, döntő láncszeme – a hélium felépülése hidrogénből – meglehetősen érzékenyen függ a nukleáris „erős kölcsönhatás” erősségétől. A hélium atommagja két protont, de emellett két neutront is tartalmaz. Ahelyett, hogy a négy részecske egyetlen lépésben összeállna, a hélium atommag az egy protont és egy neutront tartalmazó deutériumon (nehéz hidrogénen) keresztül, lépcsőzetesen épül fel. Ha a nukleáris „ragasztó” gyengébb volna, ε például 0,007 helyett 0,006 lenne, egy proton nem kötődhetne egy neutronhoz, és a deutérium nem volna stabil. Ekkor elzárulna a hélium kialakulásának útja. Univerzumunk egyszerűen hidrogénből állna, amelynek az atomja egy protont és egyetlen, körülötte keringő elektront tartalmaz, tehát nem volna kémia. Egy ilyen univerzumban még kialakulhatnának csillagok (ha egyébként minden változatlan maradna), de nem lenne nukleáris tüzelőanyaguk. Hamar lelohadnának és kihűlnének, és csak holt maradványaik maradnának. Nem volnának robbanások, amelyek a világűrbe visszaszórnák azt a törmeléket, amelyből új csillagok születhetnének, és elemek sem léteznének, amelyekből valaha is sziklás bolygók alakulhatnának ki.
Ebből az érvelésből, első pillantásra, arra következtethetnénk, hogy erősebb magerő viszont előnyös lehetne az élet számára, mivel a magfúziót még hatékonyabbá tenné. De mi nem lehetnénk itt, ha ε 0,008-nál nagyobb lenne, mert akkor a Nagy Bummból semennyi hidrogén sem maradhatott volna fenn. A mi univerzumunkban két proton olyan erősen taszítja egymást, hogy a nukleáris „erős kölcsönhatás” csakis egy vagy két neutron segédletével képes együtt tartani őket (ezek ugyanis hozzáadódnak a nukleáris „ragasztóhoz”, viszont, mivel töltésük nincs, nem hoznak létre többlet elektromos taszítást). Ha ε 0,008 volna, akkor két proton közvetlenül is össze tudna kapcsolódni. Ez könnyedén megtörténhetett volna az univerzum kezdeti időszakában, nem maradt volna semmi hidrogén, hogy a közönséges csillagok tüzelőanyagául szolgáljon, és víz sem keletkezhetett volna sohasem.
Így minden bonyolult kémiájú univerzum kialakulása megköveteli, hogy ε a 0,006-0,008 közötti tartományba essen. Néhány sajátos részlet még ennél is érzékenyebb. A „finomhangolás” legnevezetesebb példájába az angol elméleti fizikus, Fred Hoyle botlott bele, amikor pontosan ki akarta számítani, hogyan alakult ki a szén és az oxigén a csillagokban. A szén (atommagjában hat protonnal és hat neutronnal) három hélium atommagból áll össze. Elhanyagolható annak az esélye, hogy mindhárom egyidejűleg találkozzon, ezért a folyamat egy közbenső állapoton keresztül megy végbe, amelyben két hélium atommag berilliummá egyesül (amely négy protont és négy neutront tartalmaz), majd egy további hélium atommaggal találkozva létrehozza a szenet. Hoyle azzal a problémával szembesült, hogy ez a berillium atommag nagyon instabil: mivel rendkívül gyorsan elbomlik, igen kevés esély látszott arra, hogy egy harmadik hélium atommag odaérkezzen és hozzátapadjon a berillium elbomlása előtt. De akkor hogyan keletkezhet egyáltalán szén? Kiderült, hogy a szén atommagjának egy különleges tulajdonsága, nevezetesen egy szokatlan energiájú „rezonancia” léte megnöveli annak esélyét, hogy egy berillium atommag az elbomlása előtti rövid időszakban elkapjon egy másik hé-lium atommagot. Hoyle előre megjósolta, hogy léteznie kell egy ilyen rezonanciának; kísérleti fizikus kollégáit arra buzdította, hogy mérjék ezt meg: és ők igazolták is. Ez a látszólagos magfizikai „véletlen” teszi egyáltalán lehetővé a szén kialakulását. A folyamat következő szakaszában, amelyben a szén egy másik hélium atommagot elkapva oxigénné alakul, már nincs semmi ehhez hasonló esélynövelő hatás. A döntő fontosságú „rezonancia” nagyon érzékeny a magerő intenzitására. Már egy 4 százalékos elcsúszás is komolyan csökkentené a keletkező szén mennyiségét. Hoyle ezért úgy okoskodott, hogy létezésünket már ε néhány százalékos változása is veszélybe sodorhatta volna.[7]
Függetlenül attól, hogy az elemek miként alakultak ki, ε változása hatással volna a periódusos rendszer hosszúságára. Gyengébb magerő a legszorosabban kötött atommagot (amely most a 26-os rendszámú vas) a periódusos rendszerben lejjebb tolná, a stabil atomok számát kilencvenkettőnél kevesebbre csökkentené. Ez elszegényítené a kémiát. Fordított esetben a nagyobb ε a nehéz atomok stabilitását növelné.
A különféle gyakori atomok nagyobb „választéka” első pillantásra érdekesebb és változatosabb kémiának nyithatna utat. Ez azért persze nem teljesen nyilvánvaló – például az angol nyelv nem válna lényegesen gazdagabbá attól, ha több betű volna benne. Hasonlóképpen, bonyolult molekulák végtelen változatosságban létezhetnek akkor is, ha viszonylag kevés fajta elem gyakori. A kémia unalmasabb lenne (és az élethez nélkülözhetetlen bonyolult molekulák nem létezhetnének), ha nem volna oxigén és vas (a 8. illetőleg a 26. elem), de főleg, ha a szén (6. elem) nem volna gyakori. Csupán kevés többletet adna, ha növelnénk a gyakori elemek számát, vagy ha a természetes kilencvenkettőn túl is létezne még néhány további stabil elem. Az elemek jelenlegi keverékarányát ε értéke határozza meg, de ami figyelemre méltó, nem létezhetne szénalapú bioszféra, ha ez a szám 0,007 helyett 0,006 vagy 0,008 lenne.

5. FEJEZET

Kozmikus lakóhelyünk II:
Galaktikánkon túl

Távcső: Eszköz, amely hasonló kapcsolatban áll a szemmel, mint a telefon a füllel, segítségével a távoli objektumok fölösleges részletek sokaságával gyötörhetnek minket.

Ambrose Bierce

Galaxisok univerzuma

Leírtam, hogyan alakultak ki a periódusos rendszer atomjai; hogy mi magunk a csillagok fényét tápláló üzemanyagnak a csillagporából – vagy kevésbé regényesen szólva, „nukleáris hulladékából” – lettünk. Ezek a folyamatok az atommagokban a protonokat és a neutronokat összeragasztó „magerő” erősségétől függnek – ennek mértékét az ε = 0,007 kozmikus szám jellemzi, amely a hidrogénnek héliummá való összeolvadásakor felszabaduló energiára utal. De honnan származnak az eredeti protonok és hidrogénatomok, és hogyan tömörült össze az ősanyag csillagokká és galaxisokká? Hogy e kérdésekre választ kaphassunk, ki kell terjesztenünk látóhatárunkat térben és időben – az extragalaktikus birodalmon túlra, és az első csillagok születése előtti időre. További, egész univerzumunkat leíró számokkal fogunk megismerkedni, és felfedezzük, hogy kialakulásunk ezeknek a pontos beállításától függ.
A csillagok galaxisokba halmozódtak, ezek az univerzum alapelemei. Egy jellegzetes példájuk saját Galaktikánk. Százmilliárdnyi csillaga túlnyomórészt egy korongba tömörül, és egy fényes belső „kihasasodás” körül kering, amelyben a csillagok az átlagosnál közelebb vannak egymáshoz. Pontosan a középpontban egy fekete lyuk rejtőzködik, amelynek tömege 2,5 millió Nap tömegének felel meg. Egy, a középpontból induló fényjel 25 000 év alatt érne el hozzánk, s mi, itt a Földön, valamivel túlesünk a korong pereméhez vezető út felén. Napunk úgy helyezkedik el, hogy innen nézve a korong többi csillaga az égboltot átszelő sávba látszik sűrűsödni, amelyet Tejút néven ismerünk. Egy átlagos csillag több mint százmillió év alatt járja körbe a Galaktika középpontját (ezt néha „galaktikus év”-nek nevezik).
Legközelebbi nagyobb szomszédunk a térben az Androméda galaxis, mintegy 2 millió fényévnyire tőlünk. Egy csillagász az Androméda valamelyik csillaga körül keringő bolygóról a mi galaxisunkat csaknem ugyanolyannak látná, mint mi az Andromédát: egy korong, amelyre rézsútosan látunk rá, egy központi „mag” körül keringő csillagokkal és gázzal. Nagy távcsövekkel több millió más galaxis is látható. Nem mindegyik korongszerű: egy másik fontos osztályukat az úgynevezett „elliptikus galaxisok” alkotják, amelyekben a csillagok nem rendeződnek korongba, hanem sokkal szabálytalanabb pályákon nyüzsögve érzik az összes többinek a tömegvonzását.
A galaxisok nem véletlenszerűen elszórva helyezkednek el a térben: a legtöbben csoportokban vagy halmazokban vannak, amelyeket a tömegvonzás tart együtt. Saját Lokális Csoportunk néhány millió fényév kiterjedésű, a Tejútrendszer és az Androméda mellett harmincnégy kisebb galaxis tartozik hozzá (legalábbis ez volt a legutóbbi szám – a Lokális Csoport nagyon halvány és kicsiny tagjaiból még mostanában is újabbakat fedeznek fel). A tömegvonzás hatására az Androméda mintegy 100 kilométeres másodpercenkénti sebességgel közeledik felénk. Úgy 5 milliárd év múlva a két galaxiskorong össze fog ütközni. Az ilyen ütközések „megszokott” kozmikus események: a távolabbi világűrben sok másik galaxist látunk, amelyek láthatóan épp hasonló ütközésen mennek keresztül.
A galaxisok olyan hatalmasak és nagykiterjedésűek, és a csillagok olyan gyéren szóródnak szét bennük, hogy az egyes csillagok között rendkívül ritkák a tényleges ütközések. (Ez nyilvánvalóan igaz a Nap környezetében, hiszen még a legközelebbi csillag is csupán halvány fénypontként látszik.) Még amikor két galaxis ütközik és olvad össze, akkor is csak nagyon kevés csillag ütközik egymásnak. Mindössze annyi történik, hogy minden csillag megérzi a másik galaxisban levő valamennyi csillag együttes tömegvonzását. Pályáik annyira eltorzulnak, hogy a csillagok már nem különálló korongokban, hanem összevissza nyüzsögnek. Ez, természetesen, nagyon hasonlít egy elliptikus galaxishoz, és gyanítom (bár ez az elképzelés még vitatott), hogy a nagy elliptikus galaxisok így alakulhattak ki.

Univerzumunk szövete: a kozmikus háló

Lokális Csoportunk a Virgo galaxishalmaznak, egy több száz galaxisból álló szigetvilágnak csaknem a szélén helyezkedik el, mintegy 50 millió fényévre a halmaz magjától. A galaxishalmazok és galaxiscsoportok maguk is még nagyobb csoportosulásokká szerveződtek. Közülük az egyik legközelebbi és legfeltűnőbb az úgynevezett „Nagy Fal”, amely a galaxisok táblaszerű elrendeződése tőlünk mintegy 200 millió fényévre. Egy másik nagy sűrűsödés a „Nagy Attraktor”, amelynek tömegvonzása minket csakúgy, mint az egész Virgo halmazt, több száz kilométeres másodpercenkénti sebességgel húz maga felé.
A természetben sok jelenség – festői hegyvonulatok, partvonalak, fák, véredények stb. – „fraktál”. A fraktál egy különleges matematikai tulajdonsággal bíró geometriai alakzat: ha bármilyen kis darabkáját felnagyítjuk, az hasonló lesz az egészhez. Ha univerzumunk ilyen volna – ha a végtelenségig folytatódva halmazok halmazainak halmazaiból állna, akkor akármilyen mélyen hatolnánk a térbe, és akármilyen nagy térfogatot vizsgálnánk, a galaxisok eloszlása még mindig egyenetlen volna: egyszerűen egyre nagyobb és nagyobb léptékben vennénk mintát a csoportosulások egymásra épülő rétegeiből. De a mi univerzumunk nem ilyen. Az óriástávcsövekkel több milliárd fényévnyire is galaxisokat fedezhetünk fel. Ebben a jóval nagyobb térfogatban a csillagászok további, a Virgóhoz hasonló galaxishalmazokat és a „Nagy Fal”-hoz hasonló szerkezeteket térképeztek fel. De még nagyobb léptékekben az egyre alaposabb vizsgálatok sem tártak fel semmiféle feltűnő jellegzetességet; a Harvard csillagásza, Robert Kirshner szavaival élve, elértük „a nagyság végét”. Egy doboz, amelynek élei 200 millió fényévnyiek (ez kis távolság megfigyeléseink látóhatárához Képest, amely mintegy 10 milliárd fényévre van), elég tágas volna ahhoz, hogy befogadja a legnagyobb szerkezeteket, és univerzumunk „próbamintája” legyen. Akárhová helyeznénk ezt a dobozt, nagyjából ugyanannyi galaxist tartalmazna, átlagosan hasonló módon halmazokba, szálas szerkezetekbe csoportosulva stb. A csoportosulások egymásra épülő rétegei nem folytatódnak a végtelen nagy méretek felé haladva.
Univerzumunk nem egyszerű fraktál, ráadásul „kisimulási mérete” kicsi a távcsöveinkkel belátható legnagyobb távolságokhoz viszonyítva. Hasonlatként képzeljük el, hogy az óceán közepén hajózunk. A hullámok bonyolult mintázata vesz körül, amely egészen a látóhatárig nyúlik. De tanulmányozhatnánk a hullámok statisztikáját, mivel látóterünk elég messzire nyúlik ahhoz, hogy sokat magába foglaljon. Még az óceán legnagyobb hullámai is jócskán kisebbek, mint a látóhatár távolsága, és amit látunk, képzeletben különálló parcellákra osztható, amelyek mindegyike elég nagy ahhoz, hogy próbaminta legyen. A tenger és egy szárazföldi hegyvidék látképe azonban különbözik egymástól, mert egy magas hegycsúcs gyakran az egész látóhatáron uralkodik, és nem lehet olyan értelmes átlagot képezni, mint a tenger esetében. (Hegyvidéki tájképek valóban lehetnek fraktálszerűek. A mozifilmekben látható, képzeletbeli tájakat megfestő számítógépes grafikai programok a fraktálok matematikáját alkalmazzák.)
A kozmikus szerkezetek a méretek széles tartományát fogják át: csillagok, galaxisok, galaxishalmazok és szuperhalmazok. A látóhatár mintegy 1/300 részénél kisebb léptékben a galaxisok sűrűsége helyről helyre több mint kétszeres faktorral változik, nagyobb méretekben azonban a változások enyhülnek (bár akad néhány feltűnő jellegzetesség, mint például a Nagy Attraktor). Galaxisok szuperhalmazai – az óceános hasonlathoz visszatérve – olyanok, mint a legfeltűnőbb hullámok. A 8. fejezetben látni fogjuk, hogy ez a méret egyetlen kozmikus számtól, Q-tól függ, amely már a nagyon korai univerzumba be volt vésve, továbbá hogy a halmazok és a szuperhalmazok – az égbolton milliónyi fényéveken áthúzódó szerkezetek – „embriói” azokra az időkre vezethetők vissza, amikor az univerzum még mikroszkopikus méretű volt. Ez talán a leginkább bámulatba ejtő kapcsolat a világmindenség külső és a mikrovilág belső tere között.
Első gyanúnk az lehetne, hogy univerzumunk szövetének ilyen nagyléptékű szerkezete nincs kihatással közvetlen lakókörnyezetünkre a Naprendszerben: látszólag nem számít, hogy Galaktikánk milliószor milliárd vagy „csupán” millió csillagot tartalmaz a megfigyelt százmilliárddal szemben, miként az sem, hogy a galaxishalmaz, amelyhez tartozik, milliónyi galaxist tartalmaz-e vagy csupán néhányat. De egy sokkal egyenetlenebb univerzum nem volna vendégszerető hely a bolygók és csillagok számára. Másfelől viszont, egy olyan univerzum, amely túlságosan sima, enyhén szólva unalmas volna: sem galaxisok, sem csillagok nem alakulnának ki, és az összes anyag gyéren és alaktalanul oszlana szét benne.
Ez lesz a témája a 8. fejezetnek. De pillanatnyilag a nagyléptékű simaságnak egy másik döntő következményét jegyezzük meg: ez teszi lehetővé a kozmológiának, mint tudománynak a létezését, mert lehetőséget teremt univerzumunk átlagos tulajdonságainak – a galaxisok népességeloszlásának, a halmazok statisztikájának, és így tovább – a meghatározására. A galaxisok és galaxishalmazok létezése ellenére is hasznos az univerzum kisimult tulajdonságaiban gondolkodni, éppen úgy, ahogy a Földet gömbölyűnek („kerek”-nek) írhatjuk le, figyelmen kívül hagyva a hegyek és óceáni mélységek bonyolult topográfiáját. Nem volna azonban hasznos a Földet „alapvetően kerek”-nek leírni akkor, ha hegységei nem csupán néhány, hanem több ezer kilométer magasak lennének.
Még fontosabb, hogy van értelme megkérdezni: vajon teljes univerzumunk állandó, vagy tágul, vagy esetleg összehúzódik-e.

A tágulás

A galaxisok univerzumunk „építőelemei”, a belőlük érkező fény tanulmányozásából következtethetünk arra, hogyan mozognak. Egy jellegzetes galaxis százmilliárdnyi csillaga túl halvány ahhoz, hogy egyenként lássuk őket: a távcsövek egybemosva érzékelik a belőlük érkező összes fényt. Ez a fény színképként elemezhető. Már említettük, hogyan árulja el egyetlen csillag fénye, vajon a csillag közeledik hozzánk (vagy távolodik tőlünk), és hogy az ismételt mérésekkel hogyan érhető tetten a mozgásban akár egyetlen bolygó által okozott parányi imbolygás is. Ehhez hasonlóan, egy teljes galaxis fénye elárulja, milyen gyorsan mozog, akár a mi irányunkba (a színkép kék széle felé való eltolódás), akár tőlünk távolodva (a vörös felé való eltolódás).
Talán a legfontosabb tény, amit univerzumunkról tudunk, hogy valamennyi távoli galaxis fénye a vörös felé tolódik el: valamennyien (kivéve a saját halmazunk néhány közel eső galaxisát) távolodnak tőlünk. Ráadásul a vöröseltolódás (a távolodási sebesség mértéke) a távolabbi galaxisoknál nagyobb. Úgy tűnik, egy táguló univerzumban vagyunk, ahol a galaxishalmazok az idő előrehaladtával egyre inkább eltávolodnak egymástól – egyre gyérebben töltik ki a teret.
A vöröseltolódás és a távolság egyszerű arányosságát Edwin Hubble-ről nevezték el, aki elsőként fogalmazott meg ilyen törvényt 1929-ben. Más galaxisok megfigyelői a tőlük távol eső tartományok hasonló távolodásának szemtanúi lennének. A tágulás csak nagy léptékben érvényesülő hatás: az egyes galaxisok (ugyanígy a galaxishalmazok) maguk nem tágulnak; még kevésbé érint a tágulás még kisebb tartományokat, amilyen például saját Naprendszerünk.

5.1. ábra
Escher köbös térrácsa. Ha ennek a rácsnak a rúdjai azonos mértékben nyúlnak meg, a csomópontok Hubble törvényének megfelelően távolodnak egymástól, de egyik csomópont sem „kitüntetett”, és a tágulásnak nincsen középpontja

Képzeljük el, hogy az 5.1. ábrán látható M. C. Escher-vázlaton a rudak azonos mértékben megnyúlnak. Bármely csúcspontban levő megfigyelő a többieket olyan sebességgel látná távolodni, amely attól függ, hány rúd van közöttük. Más szavakkal, a többi csúcspont távolodási sebessége a távolságukkal volna arányos. A galaxisok nem alkotnak szabályos rácsot – mint már említettük, csoportokba vagy halmazokba verődtek –, de ettől függetlenül a tágulást úgy képzelhetjük el, mintha a galaxisokat olyan rudak kötnék össze, amelyek azonos ütemben hosszabbodnak. A képen egyik csúcspont sem különleges; ehhez hasonlóan a mi galaxisunk sem foglal el kitüntetett helyet az univerzumban. (Jóllehet a Galaktika helye véletlenszerű, a megfigyelés ideje azonban már nem az, ennek okai a továbbiakban kiderülnek.) A kozmológia csakis azért fejlődhetett ki, mert univerzumunk nagyléptékű szerkezete elég egyenletes ahhoz, hogy egy egyszerű „Hubble-tágulás” írja le, amelyben valamennyi parcella láthatóan hasonló ütemben tágul.
A tágulás helyi léptékben Doppler-eltolódásként mutatkozik meg, nagyobb méretekben azonban, amikor a távolodási sebesség már a fénysebesség számottevő hányadát teszi ki, a vöröseltolódást szerencsésebb annak tulajdonítani, hogy a fény egy „megnyúló” téren halad keresztül. A vörösödés mértéke – más szavakkal a hullámhossz megnyúlásának mértéke – egyenlő annak mértékével, mennyit tágult a tér (Escher-féle példánkban, mennyire hosszabbodtak meg a „rudak”), amíg a fény eljutott hozzánk.
Természetesen töprenghetünk azon, hogy a vöröseltolódás valóban tágulást jelez-e, s nem inkább új fizikai jelenségekre utal, amelyek nagy távolságokon jutnak szerephez. Ilyen magyarázat, az „elfáradó fény” lehetősége még időnként felvetődik, jóllehet senki sem állt még elő olyan életképes elmélettel, amely minden tapasztalattal összeférne (például a fény valamennyi színére a hullámhossznak ugyanolyan arányban kell változnia, és a távoli objektumok képe nem mosódhat össze). Egy nem táguló univerzum valójában sokkal kellemetlenebb paradoxonokra vezetne, mint bármely Nagy Bumm-elmélet. A csillagoknak nincs végtelen energiatartaléka; fejlődnek és végül elfogyasztják üzemanyagukat. Ez történik a galaxisokkal is, amelyek lényegében csillagcsoportosulások. A Tejútrendszerben vagy a más galaxisokban levő legöregebb csillagok kora meghatározható, ha tulajdonságaikat összevetjük a csillagok fejlődésére vonatkozó számítások eredményeivel. A legöregebb csillagok mintegy 10 milliárd évesek – teljes összhangban azzal az elképzeléssel, miszerint univerzumunk ennél alig valamivel hosszabb ideje tágul. Ha univerzumunk statikus volna, valamennyi galaxist, rejtélyes módon, a mostani helyén, mintegy 10 milliárd évvel ezelőtt (időben összehangoltan) „kellett volna bekapcsolni”. Egy nem táguló univerzum nagyon komoly fogalmi nehézségeket vetne fel.
A tágulás csaknem bizonyosan 10-15 milliárd éve kezdődött, a legjobb becslés 12-13 milliárd év. Az univerzum korát illető folyamatos bizonytalanságnak két oka van. A galaxisok távolságának meghatározása (ellentétben távolodásuk sebességével) még kissé pontatlan. A becslés még attól is függ, mennyivel gyorsabb (vagy lassúbb) volt ez a tágulás a múltban.

A múltba visszanézve

A fény véges sebességgel terjed, ezért a távoli tartományokat nem mostani állapotukban látjuk, hanem olyanban, amilyenek hosszú idővel ezelőtt voltak. Korábbi időszakokban az univerzum sokkal jobban össze lehetett préselve – rácsunk rúdjai rövidebbek lehettek, így Escher második képe, az Angyalok és ördögök az 5.2. ábrán sokkal hívebben ábrázolja, amit valójában látunk.

5.2. ábra
Escher Angyalok és ördögök című képe. A véges fénysebesség következtében a távoli tartományokat olyannak látjuk, amilyenek a távoli múltban voltak. A látóhatárhoz közeledve minden összepréseltebbnek tűnik

Arra számítottunk, hogy a nagyon távoli galaxisok másnak látszanak, mint a közeliek. A fény utazása közben hosszú idő telt el, ezért a galaxisok sokkal fiatalabbak és fejletlenebbek voltak akkor, amikor kibocsátották azt a fényt, amely mostanra ért el hozzánk. Akkoriban az ősi gáz még csak részben sűrűsödött csillagokba. Ezek a fejlődésből adódó változások olyan lassúak lehettek, hogy csak évmilliárdok során váltak szemmel láthatóvá. A fejlődés irányvonalának kimutatásához azokat a távoli galaxisokat kell megvizsgálnunk, amelyeknek a fénye többmilliárd éve indult el hozzánk.
A Hubble-űrtávcső (Hubble Space Telescope, HST) – amelyet a kozmikus tágulás felfedezőjének tiszteletére neveztek így el – magasan a légkör zavaró hatásai fölött kering, és az eddigi legélesebb képeket készítette a nagyon távoli tartományokról. A Hubble-távcső annyira érzékeny, hogy hosszú expozíciós idővel még olyan kis látóterületen is, amely a telihold felületének alig századrészét fedné le, és amely közönséges távcsővel az égbolt teljesen üres parcellájának látszana, szó szerint több száz, szorosan egymás mellé zsúfolt halvány pacnit tár fel. (Azt hiszem, hogy a bámulatos felvételei ugyanolyan erős hatást gyakorolnak majd a nagyközönségre, mint az 1960-as években a világűrből készült első képek, amelyek az egész Földet a meglehetősen törékenynek látszó bioszférával együtt mutatták.) Az ezeken a képeken látható, különféle alakú halovány foltok milliárdszor távolabb vannak, mint bármely, szabad szemmel látható csillag. De mindegyikük egy több ezer fényév kiterjedésű teljes galaxis, amely csak a tőlünk való hatalmas távolsága miatt látszik ennyire kicsinek és haloványnak. Ezek a galaxisok másmilyennek tűnnek, mint hozzánk közeli társaik, mert őket abban az időszakban látjuk, amikor még éppen csak kialakultak, és még nem fejlődtek folyamatosan körbeforgó korongokká, mint a legtöbb csillagászati könyvben bemutatott közeli, látványos spirálgalaxisok. Némelyikük túlnyomórészt ragyogó, ritkás gázból áll, amely még nem szakadozott szét csillagokká. Legtöbbjük lényegesen kékebbnek látszik (természetesen a vöröseltolódás figyelembevételével), mint a mostani galaxisok, mivel a nagy tömegű, mára már kiégett kék csillagok még ott ragyogtak ezekben a távoli galaxisokban, amikor a fény elhagyta őket.
Ezek a nagyon mélyre hatoló képek megmutatják, milyen lehetett egy saját Tejútrendszerünkhöz hasonló galaxis akkor, amikor első csillagai még fényesen ragyogtak. Amikor az Andromédát, saját galaxisunk közeli „ikerszomszédját” vizsgáljuk, eltöprenghetünk azon, vajon az Androméda-ködbeliek nem néznek-e vissza ránk még a miénknél is nagyobb távcsövekkel. Lehet, hogy igen. A nagyon távoli galaxisokon azonban még semmi sem lehet ilyen „fejlett”: fejlődésük nagyon kezdetleges szakaszában látjuk őket, még mielőtt elég idő telt volna el, hogy számos csillag életútja végére érjen. Még nincs bennük bonyolult kémia: még ahhoz is nagyon kevés oxigén, szén stb. van, hogy bolygók alakuljanak ki, ezért az élet keletkezésének is elenyésző az esélye. Ezeket a galaxisokat olyan időszakban látjuk, amikor még csak készítik leendő bolygórendszereik alapvető építőelemeit. (A fény, amelyet észlelünk, eredetileg távoli ultraibolya sugárzásként indult útnak. Az ilyen sugárzás szemmel nem látható, a Föld légkörén sem hatolhat át. Mire a távoli galaxisokból érkező ultraibolya sugárzás hozzánk ért, a látható vörös tartományba tolódott el.)
A legtávolabbi galaxisok vöröseltolódása olyan nagy, hogy a fény hullámhossza több mint hatszorosára nyúlik: ennyiszeresére tágult az univerzum, mióta a fény onnan elindult. Ha a tágulás egyenletes volt, azaz a galaxisok közben nem gyorsultak és nem lassultak, amikor az univerzum mérete a mostaninak egyhatoda volt (abban az értelemben, hogy a távolságok – az Escher-rács rúdjai – hatszor rövidebbek voltak), akkor az életkora is hatoda volt a mostaninak. Ez az állítás első pillantásra zavarónak tűnhet: nem jelenti ez vajon azt, hogy egy galaxisnak a fénysebesség ötszörösével kellett távolodnia tőlünk, ha fénye az univerzum mostani életkorának öthatoda alatt jutott el hozzánk? De ez nem paradoxon. Einstein speciális relativitáselmélete szerint semmi sem mozoghat hozzánk képest a fénynél sebesebben, amikor az időt a mi óránkon mérjük. De az elmélet azt is elmondja, hogy a gyorsan mozgó óra lelassul. Egy gyorsan mozgó óra a saját ideje szerint valóban megtehet évente öt fényévet, ha a fénysebesség 98 százalékával halad.
A helyzet a valóságban ennél még bonyolultabb is lehet, mert megtörténhet, hogy a távolodási sebesség nem állandó. Az univerzumban minden hat minden másra, ezért a tömegvonzás lassulást okozhat, amely miatt a kozmikus tágulás korábbi szakaszai viszonylag megrövidülhetnek. De (mint azt a 7. fejezetben tárgyaljuk) egy másik erő is dolgozhat, amely felgyorsítja a tágulást. Mindezért némi bizonytalanság van abban, hogy ezek a galaxisok valójában milyen messze vannak időben (és térben): a legjobb becslés szerint fényük akkor indult útnak, amikor az univerzum életkora a mostaninak tizede volt.
A kozmológusok a múlt „ősmaradványait” tanulmányozzák: öreg csillagokat, Galaktikánk fiatalabb korában szintetizálódott kémiai elemeket stb. E tekintetben hasonlítanak a geológusokhoz vagy a paleontológusokhoz, akik azt próbálják kikövetkeztetni, hogyan fejlődött a Föld és az állatvilág a múltban. De a kozmológusok előnyben vannak azokkal a tudósokkal szemben, akik nem végezhetnek kísérleteket és „történeti” bizonyítékokra kell támaszkodniuk. Távcsöveiket távoli objektumok felé fordítva a kozmológusok láthatják azt a fejlődést, amelyről beszélnek: a távoli galaxisok népessége, amelyeknek a fénye milliárd évekkel ezelőtt indult el, különbözik azokétól, amelyeket közelünkben látunk. Ezek a távoli galaxisok – legalábbis statisztikai értelemben – olyanfélének látszanak, amilyenek a Tejútrendszer, az Androméda galaxis, vagy más közeli rendszerek lehettek évmilliárdokkal ezelőtt.
A távcsövek látótere hosszú, keskeny kúp, amely kiszélesíti a látás határait. Adott távolságban levő objektumok a múlt egy meghatározott szakaszáról tanúskodnak. Nagyobb távolságokban kutatva, időben messzebbre megyünk vissza, ugyanúgy, ahogy az Antarktisz egymást követő rétegeit átszelő fúrólyuk felfedheti a Föld múltbeli éghajlatváltozásainak történetét.
A Hubble-űrtávcső történetének kezdetét késedelmek, hibák, és költségtúllépések kísérték, de mostanra, ha elkésve is, túlszárnyalta a csillagászok minden hozzáfűzött reményét. Életlenül beállított tükrét 1994-ben az első emberes hibajavító misszió pontosra igazította; feljavította a fedélzeti fénydetektorokat is. Később majd még nagyobb űrtávcsövek is munkába állhatnak. De ugyanilyen fontos a földi telepítésű nagy távcsövek újabb nemzedékének megjelenése is. 8-10 méteres tükreik gyűjtőfelülete tizenhatszor akkora, mint a Hubble-űrtávcsőé, ezért sokkal több fényt gyűjthetnek össze a nagyon halvány és távoli galaxisokról. Ezekből az új nemzedékhez tartozó távcsövekből elsőként a hawaii Mauna Kea két Keck-távcsöve állt szolgálatba, de mostanra már több is van. Valamennyiük közül a leghatékonyabb a chilei Andokban európai nemzetek összefogásával megépült Nagyon Nagy Távcső (Very Large Telescope, VLT), amelyben négy, egyenként 8 méteres tükröt kapcsoltak össze.
A földi telepítésű távcsövek képeinek élességét a légköri turbulencia miatt fellépő elmosódottság korlátozza. (Ez a jelenség okozza a csillagok pislákolását is). Ez leküzdhető akár azzal, hogy két vagy több távcsövet összekapcsolnak, és képeiket egyeztetik, vagy az úgynevezett „adaptív optikával”, amikor a csillagászok egy tükör folyamatos forgatásával és igazításával egyenlítik ki a légköri ingadozásokat. Ezek a nagyszerű berendezések az univerzumnak abba a régmúlt időszakába kínálnak bepillantást, amikor az első galaxisok kialakultak. Az első csillagok valójában már ennél korábban is kialakulhattak a mai galaxisoknál kisebb csoportosulásokban, amelyek azonban túl halványak ahhoz, hogy láthassuk őket. Ezek később nagyobb szerkezetekbe gyűltek össze. Hogy a gáz milyen gyorsan sűrűsödik csillagokká, azt a galaxis „anyagcseréjének üteme” szabja meg. Úgy tűnik, ez akkor érte el csúcsértékét, amikor az univerzum nagyjából negyedannyi idős volt, mint jelenleg (jóllehet az első csillagok fénye ennél jóval korábban gyúlt ki). Mostanában kevesebb fényes csillag születik, mivel az „érett” galaxisok gázanyagának túlnyomó része már beépült az öregebb csillagokba.
Legalábbis ez az a forgatókönyv, amelyet a legtöbb kozmológus elfogad. A részletek kihámozása további megfigyeléseket és a csillagok kialakulásának alaposabb ismeretét igényli. A cél, hogy olyan összhangban álló forgatókönyvet kapjunk, amely nemcsak annak felel meg, amit a mai galaxisokról tudunk, hanem számításba veszi azokat az egyre részletesebb pillanatképeket is, amelyek az mutatják, milyenek voltak és hogyan csoportosultak a megelőző időszakokban. Amikor csak szórványos adataink vannak, azok több teljesen rossz elmélettel is összeférhetnek, de ahogy a bizonyítékok száma nő, „hazatalálunk”, s a dolgok működése egyetlen képpé áll össze.
„A távolság növekedésével tudásunk gyorsan fakul és halványodik. Végül elérjük a homályba vesző határvonalat, távcsöveink teljesítményének legvégső határát. Ott árnyakat látunk, és a mérés kísérteties hibái közt keresünk határköveket, amelyek alig kézzelfoghatóbbak. A kutatás folytatódik. Mindaddig, amíg tapasztalati forrásaink ki nem merülnek, nem kell átlépnünk a bölcselkedések álomvilágába.”
Ezek Edwin Hubble klasszikus könyvének, A ködök birodalmának (The Realm ofthe Nebulae, 1936) zárószavai. A közelmúltbeli fejlődés bizonyára gyönyörködtette és talán ámulatba ejtette volna Hubble-t. Ez a fejlődés az ő nevét viselő űrtávcsőnek és a hatalmas új földi távcsöveknek köszönhető.

A galaxisok előtt

Mit mondhatunk a még korábbi időszakokról, amikor még egyetlen galaxis sem alakult ki? A legfőbb bizonyítéka annak, hogy valóban minden egy sűrű „kezdetből” jött létre az, hogy a tér nem teljesen hideg a galaxisok közt. Ez a hő „a teremtés utófénye”. Mikrohullámok formájában nyilvánul meg, ahhoz hasonló, de sokkal kevésbé erőteljes sugárzásban, amelyik a mikrohullámú sütőben termeli a hőt. A „kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás” első kimutatása 1965-ben az univerzum tágulásának felfedezése óta a kozmológia legfontosabb előrelépése volt. Későbbi mérések igazolták, hogy ezeknek a mikrohullámoknak van egy nagyon jellegzetes tulajdonságuk: a különböző hullámhosszokon mért intenzitásuk grafikusan ábrázolva egy jól ismert görbét rajzol ki, amelyet a fizikusok a „feketetest-sugárzás” vagy „hőmérsékleti sugárzás” görbéjeként ismernek. Ennek a különleges görbének a megjelenése akkor várható, amikor a sugárzás egyensúlyba jut környezetével. (Ez történik mélyen a csillagok belsejében, vagy egy hosszú ideje égő kazánban.) Pontosan erre kellene számítanunk, ha a mikrohullámok valóban egy „tűzgolyó”-állapot maradványai, ha valamikor egész univerzumunk valóban egy forró, sűrű és átlátszatlan állapotba volt összepréselve.
A mikrohullámú háttérsugárzásról eddig a kiemelkedően legpontosabb méréseket a NASA kozmikus háttérsugárzást kutató műholdja (Cosmic Background Explorer Satellit, COBE) végezte. Amikor a kísérleti szakemberek beszámolnak eredményeikről, szokás szerint berajzolják a bizonytalanság mértékét jelző „hibakorlátokat” is, de a COBE adataira a „korlátokat” nem mutathatták be, mivel azok rövidebbek voltak, mint a görbe vastagsága. Ez a valóban figyelemre méltó, tízezred rész pontosságú mérés kétségkívül bizonyítja, hogy univerzumunkban minden – az összes anyag, amely ma a galaxisokban van – valaha a Nap középpontjánál is forróbb, összepréselt gáz volt.
Az univerzum átlaghőmérséklete ma 2,728 K-nel van az abszolút zérus fok fölött. Ez természetesen kirívóan hideg (mintegy mínusz 270 °C), de a galaxisok közti tér egy jól megfogható értelemben mégis sok hőt tartalmaz. Minden köbméterben 412 millió sugárzáskvantum vagy foton van: ehhez képest az atomok átlagos sűrűsége az univerzumban mindössze 0,2 köbméterenként. Ez utóbbi számot kevésbé pontosan ismerjük, mivel nem tudjuk, mennyi atom lehet még diffúz gázban vagy „sötét” anyagban, de úgy tűnik, hogy az univerzumban minden atomra kétmilliárd foton jut. Az univerzum tágulása során mind az atomok, mind a fotonok sűrűsége csökken. De a csökkenés mértéke mindkettőre ugyanakkora, ezért a fotonok és az atomok számának aránya nem változik. Mivel a „hő” és az „anyag” aránya ennyire nagy, az univerzum kezdeti időszakát gyakran „forró” Nagy Bummként említik.
A kezdeti forró szakaszok nem tarthattak túlságosan hosszú ideig. A hőmérséklet mindössze néhány percig haladhatta meg a milliárd fokot. Mintegy félmillió év múltán az univerzum 3000 K-re hűlt – kicsit hűvösebbre, mint a Nap felszíne. Ez egy fontos pontot jelöl a tágulási folyamatban. A megelőző időkben minden olyan forró volt, hogy az elektronok nem kötődtek atommagokhoz, és szabadon mozogtak. Ám ezt követően az elektronok annyira lelassultak, hogy hozzákapcsolódhattak az atommagokhoz, és semleges atomokat hozhattak létre. Ezek az atomok már nem tudták olyan hatékonyan szétszórni a sugárzást, mint az elektronok tették a megelőző, forróbb szakaszokban. Az ősanyag átlátszóvá vált; a „köd” eloszlott. A tágulás során a hőmérséklet az univerzum méretével (az Escher-rács rúdjainak hosszával) fordított arányban csökkent. A COBE által észlelt mikrohullámok annak az időszaknak maradványai, amikor az univerzum a mainál ezerszer sűrűbb volt – nem 2,72, hanem 3000 K-en –, és az első galaxisok kialakulását jóval megelőző szakaszból származnak. Az eredeti tűzgolyó erőteljes sugárzása, jóllehet a tágulás során lehűlt és felhígult, még ma is átjárja egész univerzumunkat.
A robbanás gyakran használt hasonlata annyiban félrevezető, hogy azt a képet sugallja, mintha a Nagy Bumm egy kitüntetett középpontból indult volna ki. De amennyire meg tudjuk mondani, bármely megfigyelő – akár a Földön, akár az Andromédában, de még a legtávolabbi galaxisban is – ugyanolyannak látja a tágulás lefolyását. Az univerzum valaha egyetlen pontba volt összezsúfolva, de mindenki egyformán jogot formálhat az onnan való indulásra, a mai univerzumban a tágulás kezdőpontja semmilyen kitüntetett hellyel nem azonosítható.
Az is tévedés, hogy a korai univerzumban a nagy nyomás lett volna a tágulás „hajtóereje”. A robbanásokat kiegyensúlyozatlan nyomásviszonyok okozzák: a bombák a Földön vagy a szupernóvák a világűrben azért robbannak, mert a belső nyomás hirtelen megugrása a törmelékeket kiveti az alacsony nyomású környezetbe. De a korai univerzumban a nyomás mindenütt ugyanakkora volt: nem volt sem széle, sem „üres” térfogat körülötte. Az ősi gáz ugyanúgy hűlt és hígult, mint egy táguló doboz tartalma. A nyomás és a hő okozta többletgravitáció valójában lassítja a tágulást.[8]
Ez ellentmondásmentes kép, bár marad még benne némi titokzatosság. Mindenekelőtt (miután a robbanásos hasonlatot elvetettük), nem kínál semmiféle magyarázatot arra, hogy egyáltalán miért következik be a tágulás. A standard Nagy Bumm-elmélet egyszerűen alapkövetelményként köti ki, hogy minden eleve úgy volt elrendezve, hogy elegendő energia legyen a tágulás megindulásához. A tágulás magyarázatát olyan, még korábbi szakaszokban kell keresni, amelyekről sem közvetlen tapasztalatunk, sem megbízható fizikai tudásunk nincs.
A „Nagy Bumm” elnevezés az 1950-es évekből, a neves Cambridge-i elméleti tudóstól, Fred Hoyle-tól származik (nevét a 4. fejezetben már említettük a szén eredetével kapcsolatban), aki az általa csöppet sem kedvelt elméletet ezzel a címkével látta el. Hoyle maga inkább az „állandósult állapotú” univerzumot részesítette volna előnyben, amelyben elképzelése szerint a tágulás során folyamatosan új atomok és új galaxisok keletkeznek, éppen annyi, hogy az átlagos tulajdonságok ne változzanak az idők folyamán. Akkoriban még egyik változatra sem volt bizonyíték – a kozmológia a karosszékükben üldögélő bölcselkedők birodalma volt –, mivel a megfigyelések még nem értek el elég messzire ahhoz, hogy a fejlődés (ha egyáltalán létezik) megnyilvánuljon. De az állandósult állapotú elmélet rögvest kegyvesztetté vált, amint megjelentek annak bizonyítékai, hogy az univerzum régebben másmilyen volt. Ámbár hibásnak bizonyult, az állandósult állapotú elmélet „jó elmélet” volt abban az értelemben, hogy jóslatai nagyon félreérthetetlenek és ellenőrizhetőek voltak; ezért valódi mozgatórugóvá vált, ami arra ösztönözte a megfigyelőket, hogy technikájukat a lehetséges határokig kiterjesszék. (Ebben az értelemben az az elmélet viszont „rossz”, amely annyira”rugalmas”, hogy bármilyen adathoz hozzáilleszthető. A kitűnő – és nyegle – fizikus, Wolfgang Pauli az ilyen határozatlan elméleteket „nem is olyan rossz”-nak gúnyolta volna.) Hoyle maga sohasem békült meg teljesen a Nagy Bumm gondolatával, jóllehet elfogadott egy kompromisszumos képet, amelyet a kétkedő kollégák „Állandó Bumm”-nak neveztek.

Magreakciók a Nagy Bummban

A Nagy Bumm elméletének megfelelően univerzumunk kezdetben forróbb volt, mint egy csillag középpontja. Akkor vajon az ősi hidrogén atommagok miért nem alakulták át vassá a Nagy Bummban? (Emlékezzünk rá, hogy a vas atommagja sokkal „szorosabban kötött”, mint bármely más elemé, és a legnagyobb és legforróbb csillagok centrumában keletkezik.) Ha így történt volna, jelenlegi univerzumunkban nem létezhetnének hosszú életű csillagok, mivel a kezdeti tűzgolyóban elhasználódott volna az összes lehetséges nukleáris üzemanyag: vasgőzből álló csillagok ugyan kialakulhattak volna, ám azok milliárd évek helyett már évmilliók alatt kimerültek volna, miként azt Kelvin a Napról gondolta egykoron. Szerencsére a tágulás első néhány perce nem volt elegendő hosszú idő ahhoz, hogy a magreakciók az ősanyagnak akár csak a töredékéből is vasat – vagy netán szenet, oxigént stb. – „gyártsanak”. A reakciók a hidrogénnek mintegy 23 százalékát héliummá alakították, de (a nyomokban megjelenő lítiumtól eltekintve) a periódusos rendszer nagyobb rendszámú elemei nem alakultak ki a Nagy Bumm során.
Ez az ősi hélium azonban kulcsfontosságú, és szilárdan alátámasztja a Nagy Bumm elméletét. Még a legöregebb objektumokról is (amelyeket a szén, az oxigén és a további elemek csak századannyira szennyeztek be, mint a Napot) kiderült, hogy 23-24 százaléknyi héliumot tartalmaznak: nem találtak egyetlen olyan csillagot, galaxist vagy felhőt sem, amelyben a hélium részaránya ennél kisebb volna. Úgy tűnik, hogy a galaxisok nem tisztán hidrogénből keletkeztek, hanem eleve hidrogén és hélium keverékéből. (A Nap külső rétegeiben 27 százaléknyi hélium van, a 3-4 százaléknyi többlet éppen megfelel annak, amennyit a szén, az oxigén és a vas mellett azok a régebbi, rövid életű csillagok termelhettek meg, amelyek már beszennyezték azt a felhőt, amelyből Naprendszerünk kialakult.)[9]
Nagyon sok kis tömegű, lassan égő csillag maradt fenn, amelyek több milliárd évvel Napunk előtt, még a Galaktika ifjúkorában keletkeztek. Ezekben a hidrogénhez képest sokkal kevesebb szén, oxigén és vas van, mint a Napban – ami természetes, ha – miként azt elsőként Hoyle állította – ezeket az atomokat a nagytömegű csillagok szórták szét, és a galaktikus történelem során fokozatosan halmozódtak fel. Hoyle véleménye ellentétben állt George Gamow elképzelésével, aki szerint a teljes periódusos rendszert a korai univerzum „kotyvasztotta ki”. Ha Gamownak lett volna igaza, és ezek az elemek valóban megelőzték volna az első csillagokat és galaxisokat, akkor gyakoriságuk mindenütt azonos lenne, a fiatal csillagokban ugyanakkora, mint az öregekben.
A hélium az egyetlen olyan elem, amely – a számításokkal összhangban – bőségesen termelődött a Nagy Bumm során. Ez örvendetes, mert megmagyarázza, hogy miért van olyan sok hélium, és miért olyan egyenletes a hélium gyakorisága. A hélium eredetének a Nagy Bummhoz kapcsolása választ adott egy régóta létező kérdésre, és arra bátorította a kozmológusokat, hogy komolyan vegyék a kozmikus történelem első néhány másodpercét.
Jutalmul a Nagy Bumm számot adott egy másik atomról, a deutériumról (más néven „nehéz hidrogén”-ről) is. A deutériumatom nemcsak egy protont, hanem egy neutront is tartalmaz, amely a tömeget növeli, de a töltést nem. A deutérium létezése egyébként rejtély volna, mivel a csillagokban, ha kitermelődik is, rögtön megsemmisül: nukleáris fűtőanyagként könnyebb begyújtani, mint a hidrogént, ezért az újonnan születő csillagok kezdeti összehúzódásuk során valamennyi deutériumot elégetik, mielőtt a hosszan tartó, hidrogént égető szakaszba kezdenének.
A hélium és a deutérium akkor keletkezett, amikor az összepréselt univerzumban a hőmérséklet még (kerekítve) 3 milliárd K volt – mintegy milliárdszor magasabb, mint ma. Az univerzum tágulását az Escher-rács nádjainak (lásd az 5.1. ábrát) megnyúlásaként képzelhetjük el. A sugárzás hullámhossza a rudak hosszának arányában megnyúlik, míg a hőmérséklet a hosszúságukkal fordított arányban csökken. Ez azt jelenti, hogy amikor a hőmérséklet nagyjából 3 milliárd K volt (és nem 3 K körüli, mint most), a rudak milliárdszor (10^9-szer) rövidebbek, a sűrűség pedig ennek köbével arányosan 10^27-szer nagyobb volt. De mostani univerzumunk olyan ritkás – köbméterenként mindössze 0,2 atomot tartalmaz –, hogy ha ilyen mértékben összenyomnánk is, a sűrűsége még mindig kisebb volna, mint a levegőé! A hőmérséklet akkoriban annyira magas volt, hogy az egyes atommagok gyors, heves mozgásban voltak. Laboratóriumi kísérletekben megvizsgálható, mi történik akkor, amikor hidrogén és hélium atommagok ugyanakkora energiával ütköznek, amekkora energiájuk a hélium kialakulásakor lehetett, vagyis a számítások teljesen hagyományos és szilárdan megalapozott fizikán alapulnak.
Ha elfogadjuk, hogy a jelenlegi sűrűség köbméterenként 0,2 atom, akkor a hűlő „tűzgolyó” univerzumban keletkező hidrogén, hélium és deutérium kiszámítható gyakorisága megegyezik a megfigyelésekkel. Ez örvendetes, mivel a megfigyelt gyakoriságok akár teljesen eltérők is lehetnének a Nagy Bumm jóslataitól; vagy összhangban is állhatnának, de csak a megfigyelések által megengedett tartománynál messze alacsonyabb, vagy messze magasabb sűrűségek esetében. Mint láttuk, a köbméterenként 0,2 atom valóban közel van a galaxisok és gázok univerzumunkra kiátlagolt sűrűségéhez. (Ennek, mint azt a következő fejezetben tárgyaljuk, fontos kihatásai vannak a „sötét anyagra”.)

6. FEJEZET

Finoman hangolt tágulás:
sötét anyag és Ω

Az örökkévalóság nagyon hosszú. Különösen a vége felé.

Woody Allen

Kritikus sűrűség

Mintegy 5 milliárd év múlva meghal a Nap, és vele együtt a Föld is. Nagyjából ezzel egy időben (1 milliárd évvel előbb vagy később) az Androméda galaxis, legközelebbi nagy galaxisszomszédunk, amelyik ugyanahhoz a galaxishalmazhoz tartozik, amelyhez mi, és jelenleg is zuhan felénk, egyszer majd nekiütközik a Tejútrendszernek.
Ezek a nagy, hosszú távú előrejelzések azért megbízhatók, mert azon a feltételezésen alapulnak, hogy az alapvető fizika a Napban és a gravitáció a csillagokban meg a galaxisokban ugyanúgy fognak működni az elkövetkező 5 milliárd esztendőben, ahogyan az elmúlt 5-10 milliárd év során. De sok (érdekes) részlet nem jósolható meg. Nem lehetünk biztosak abban, hogy a Föld a következő 5 milliárd év során mindvégig a Nap harmadik legközelebbi bolygója marad: ilyen hosszú időtartam alatt a bolygópályák is „kaotikussá” válhatnak. És természetesen a Föld felszínének átalakulása, főként a bioszféra egyre gyorsabb, saját fajunk által is befolyásolt változásai sem láthatók biztonsággal előre, még ennek az időtartamnak a milliomod részére sem.
A Nap még üzemanyagának felét sem fogyasztotta el. Több ideje van még hátra, mint amennyit a biológiai evolúció eddig összesen igénybe vett. És a Galaktika messze túlélheti a Napot. Még ha az élet ma egyedülálló is a Földön, bőségesen van idő arra, hogy szétterjedjen a Galaktikában és azon túl. Az élet és az értelem megnyilvánulásai végül akár a csillagokat és a galaxisokat is befolyásolhatják. Tartózkodnék a további eszmefuttatástól, de nem azért, mert ez a gondolatmenet valójában képtelen, hanem mert az elképzelhető forgatókönyvek olyan változatosságának nyit utat – sokuk a tudományos-fantasztikus irodalomból ismeretes –, amelyekről semmi biztosat nem jósolhatunk. Ezzel szemben az egész univerzumunkra vonatkozó hosszú távú előrejelzések biztosabb alapokon állnak.
Galaktikánk mostantól számítva 5 vagy 6 milliárd év múlva bizonyosan egy nagy ütközésben véget ér. De vajon univerzumunk mindörökké tágulni fog? A távoli galaxisok mindig egyre távolabb kerülnek tőlünk? Vagy ezek a mozgások egyszer visszájukra fordulnak úgy, hogy az egész égboltozat végül újra összeroppan egy „Nagy Zutty”-ban?
A választ a gravitációs energia és a tágulás mozgási energiája közti „verseny” kimenetele adja meg. Képzeljük el, hogy egy kisbolygó vagy bolygó ütközve darabokra zúzódik. Ha a törmelékek elég gyorsan szétszóródnak, mindörökre távolodni fognak egymástól. De ha a szétszakadás kevésbé hevesen megy végbe, a tömegvonzás visszafordíthatná a mozgásokat, és a darabok ismét összecsomósodnának. Ez univerzumunk bármely nagyobb tartományára is igaz: ismerjük a tágulás mostani sebességét. Vajon a tömegvonzás megállíthatja-e ezt a tágulást? A válasz azon múlik, hogy mekkora az a teljes anyagtömeg, amely tömegvonzást fejt ki. Az univerzum akkor fog összeroppanni – a gravitáció akkor győzi le a tágulást, hacsak más erő közbe nem lép –, ha a sűrűség egy meghatározott kritikus értéket túllép.
Könnyedén kiszámíthatjuk, mekkora ma ez a kritikus érték: nagyjából öt atom köbméterenként. Ez nem látszik soknak: valójában sokkal közelebb áll a tökéletes vákuumhoz, mint amennyire azt a földi kísérletezők valaha is meg tudták közelíteni. De az univerzum még ennél is üresebbnek látszik.[10]
Tételezzük fel, hogy csillagunkat, a Napot egy naranccsal modellezzük. A Föld akkor egy milliméteres méretű mag volna, amely 20 méteres távolságban kering körülötte. Ugyanebben a léptékben ábrázolva, a legközelebbi csillag 10 000 méter távolságban lenne. Ez mutatja, milyen gyéren oszlik el az anyag a miénkéhez hasonló galaxisokban. De a galaxisokban, természetesen, a csillagok sűrűsége mégis különlegesen nagy a mindenség többi tartományához képest. Ha az összes galaxis valamennyi csillagát szétszórnánk az intergalaktikus térben, akkor minden egyes csillag több százszor távolabb kerülne legközelebbi szomszédjától, mint amennyire ma egy jellegzetes galaxisban van: modellünkben valamennyi narancs több millió kilométerre kerülne legközelebbi szomszédaitól.
Ha valamennyi csillagot szétrombolnánk, és atomjaikat egyenletesen szétszórnánk a világmindenségben, még akkor is csupán egyetlen atom jutna minden tíz köbméterbe. Nagyjából ennyi is van (láthatólag nem több) a galaxisok közti ritka gáztömegekben. Ez összességében 0,2 atomot tesz ki köbméterenként, huszonötször kevesebbet a köbméterenként öt atomnál, annál a kritikus sűrűségnél, amelynél a gravitáció megállíthatná a kozmikus tágulást.

Mennyi sötét anyag van?

A tényleges pillanatnyi sűrűség és a kritikus sűrűség aránya kulcsfontosságú szám. A kozmológusok a görög Ω (ómega) betűvel jelölik. Az univerzum sorsa azon múlik, hogy Ω értéke túllépi-e az egyet, vagy sem. Az atomok jelenlegi átlagos térbeli sűrűségére tett eddigi becslésünk első pillantásra azt jelenti, hogy Ω értéke csupán 1/25 (vagyis 0,04), ami egy végtelen térben általános, örökös tágulás képét vetíti elénk. De nem kell túl gyorsan levonnunk ezt a következtetést. Az elmúlt húsz év során tudatára ébredtünk annak, hogy az univerzumban sokkal több van annál, mint amennyit ténylegesen látunk. A láthatatlan anyag főként ma még ismeretlen természetű „sötét anyag”. A világító dolgok – galaxisok, csillagok és ragyogó gázfelhők – a ténylegesen meglévő anyagnak csupán kicsiny és lényegtelen töredékét alkotják, valahogy úgy, ahogy a földi égbolt legfeltűnőbb alakzatait, a felhőket valójában a sűrűbb, tiszta levegőben lebegő testetlen pára képezi. A világmindenség anyagának legnagyobb része, amely Ω-hoz a fő járulékot adja, nem bocsát ki sem fényt, sem infravörös sugárzást, sem rádióhullámokat, sem bármi másféle sugárzást, ebből következően nehéz kimutatni.
A sötét anyag létezésének egyre szaporodó bizonyítékai ma már kétségbevonhatatlanok. A csillagok és galaxisok mozgása azt sejteti, hogy valami láthatatlan tömeg vonzása is hat rájuk. Ez ugyanaz a gondolatmenet, amellyel a fekete lyukak létezésére következtetünk ott, ahol egy csillag láthatatlan társ körül kering. Ugyanezt az érvelést alkalmazták a XIX. században is, amikor a Neptunusz bolygó létezésére abból következtettek, hogy az Uránusz pályáját egy távolabbi, láthatatlan test tömegvonzása zavarja.
Naprendszerünkben a tömegvonzás, amelynek hatására a bolygók a Nap felé zuhannának, és a pálya menti mozgásukból adódó centrifugális tehetetlenség egyensúlyban van egymással. Ehhez hasonlóan, egy egész galaxis sokkalta nagyobb méreteiben egyensúly van a mindent a középpontba egybegyűjteni igyekvő gravitáció és a mozgás szétrepítő hatás között, amely – ha a tömegvonzás nem hatna – szétszórná a galaxist alkotó csillagokat. A sötét anyag létezésére abból következtettek, hogy a megfigyelt mozgások meglepően sebesek – túl gyorsak ahhoz, hogy a látható gáz és csillagok tömegvonzása ellensúlyozhatná őket.
Tudjuk, Napunk milyen gyorsan kering Galaktikánk középpontja körül. Meg tudjuk mérni a csillagok és a gázfelhők keringési sebességét más galaxisokban. Ezek a sebességek, különösen a csillagok nagy többségén túl keringő tárgyaké, rejtélyesen nagyok. Ha a legkülső gázfelhők és csillagok csak annak az anyagnak a tömegvonzását éreznék, amelyet látunk, elszökhetnének. Ugyanúgy a Neptunusz vagy a Plútó is kiszabadulna a Nap befolyása alól, ha olyan sebességgel mozogna, mint a Föld. A megfigyelt nagy keringési sebességek arról árulkodnak, hogy a nagy galaxisokat valami láthatatlan, nehéz burok veszi körül. (Ha a Plútó olyan sebesen mozogna, mint a Föld, és mégis pályán maradna, ahelyett, hogy elszökne, abból arra következtethetnénk, hogy egy láthatatlan, nehéz tömeghéj van a Föld pályáján túl, de a Plútóén belül.)
Ha nem volna sok sötét anyag, akkor a galaxisok nem lehetnének stabilak, szétrepülnének. Amit a galaxiskorongokról, spirálkarokról készült gyönyörű képek mutatnak, az lényegében csak a „ragyogó üledék”, amelyet teljesen ismeretlen természetű, láthatatlan objektumok hatalmas tömege tart gravitációs fogságban. A galaxisok tízszer nagyobbak és nehezebbek, mint azt a csillagszámlálásból föltételezzük. Ugyanez az érvelés érvényes, nagyobb méretekben, a több millió fényév kiterjedésű galaxishalmazokra is. Együtt tartásukhoz tízszer annyi anyag tömegvonzása szükséges, mint amennyit ténylegesen látunk.
A „sötét anyagra” vonatkozó következtetések mögött persze ott áll az a feltételezés, hogy ismerjük a látható objektumok által kifejtett gravitációs erő törvényét. A galaxisokon és galaxishalmazokon belül végbemenő belső mozgások a fénysebességhez képest lassúak, így „relativisztikus” bonyodalmak nem lépnek fel; csupán a Newton-féle inverz négyzetes törvényt használjuk: ha egy tömegtől kétszer akkora távolságban vagyunk, akkor a vonzóerő négyszer gyengébb lesz. Egyes kétkedők arra emlékeztetnek, hogy ezt a törvényt ténylegesen csak a Naprendszeren belül ellenőriztük; ezért egyszerűen bizalmi kérdés, alkalmazható-e százmilliószor nagyobb méretekben. Valóban, nemrég tantaluszi kínokat okozó nyomokra bukkantunk (lásd a 10. fejezetet), amelyek szerint a gravitációt az egész univerzumra kiterjedő méretekben talán felülmúlja egy másik erő, amely nem vonzást, hanem taszítást kelt.
Agyunkat nyitva (vagy legalább félig nyitva) kell hagynunk a lehetőség előtt, hogy a gravitációra vonatkozó elképzeléseinket újra kell értékelnünk. Ha a nagy távolságokon működő erő nagyobb volna, mint az inverz négyzetes törvény kiterjesztéséből következik (ha kétszeres távolságon nem negyedakkora erőt éreznénk), akkor nyilvánvalóan a sötét anyag kérdését is újra át kellene gondolnunk. De gravitációs elméletünket nem adhatjuk fel minden küzdelem nélkül. Erre csak az vehetne rá minket, ha nem volnának lehetséges jelöltjeink a sötét anyagra. Úgy tűnik azonban, túlságosan is nagy a választék; szerintem csak miután valamennyit kizártuk, akkor készülődhetünk arra, hogy elforduljunk Newtontól és Einsteintől.[11]
A nagy mennyiségű „sötét anyag”-nak vannak más árulkodó jelei is. Minden gravitáló anyag, akár fényes, akár „sötét”, eltéríti a fénysugarakat, így a halmazok úgy is „mérlegre tehetők”, hogy megmérjük, mennyire térítik el a mellettük elhaladó fényt. Valóban, a csillagfénynek a Nap gravitációja által okozott eltérülése, amelyet Eddington és mások az 1909-es teljes napfogyatkozáskor megfigyeltek, az általános relativitáselmélet egy korai, nevezetes próbája volt, amely Einsteint világhírnévhez juttatta, A Hubble-űrtávcső látványos képeket készített néhány, mintegy 1 milliárd fényévre levő galaxishalmazról. A képek sok halvány csíkot és ívet mutatnak: mindegyik egy távoli, a halmaznál sokkal messzebb eső galaxis, amelynek a képét mintha egy torzító lencsén keresztül néznénk. Csakúgy, ahogy egy háttér-tapétán levő szabályos minta csíkosan és eltorzítva látszik egy görbe üvegtáblán át, a halmaz is „lencseként” működik, amely fókuszálja a rajta áthaladó fényt. Ha a halmaz valamennyi látható galaxisát összeadjuk, együttesen sem olyan nehezek, hogy ilyen nagy torzulást okozzanak. Ahhoz, hogy a fényt ennyire elhajlítsa, hogy a háttérgalaxisok képében ilyen feltűnő torzulást okozzon, a halmaznak tízszer akkora tömegűnek kell lennie, mint amennyit látunk. Ezek a hatalmas gravitációs lencsék a galaxisok fejlődése iránt érdeklődő csillagászok számára rendkívül értékesek, mert olyan nagyon távoli galaxisokat is láthatóvá tesznek, amelyek egyébként túl halványak lennének ahhoz, hogy meglássuk őket.
Nem lepődnénk meg igazán, ha kiderülne, hogy a sötét anyag – amely mintegy tízszer annyi, mint a látható anyag – gyakorolná az uralkodó gravitációs hatást a világmindenségre. Nincs semmi magától értetődően valószínűtlen a sötét anyag létezésében. Miért is kellene az univerzumban mindennek világítania? A kihívás az, hogyan szűkíthetnénk a jelöltek körét.

Mi lehet a sötét anyag?

A feltételezett sötét anyag nem bocsát ki fényt – valójában semmiféle olyan sugárzást sem, amelyet észlelhetnénk. Nem nyeli el és nem is szórja a fényt. Ez azt jelenti, hogy nem lehet porból. Tudjuk, hogy a Galaktikánkban van valamelyes por, mert a fényt szórják és tompítják a közbeeső felhők, amelyeket parányi szemcsék képeznek, hasonlók azokhoz, amelyek a dohányfüst ködjét keltik. De ha a szemcsék összességükben kiadnák a sötét anyag teljes tömeget, akkor valamennyi távoli csillag fényét elsötétítenék.
Kis, halvány csillagok nyilvánvalóan gyanúsíthatók, hogy hozzájárulnak a sötét anyaghoz. A Nap tömegének 8 százalékánál kisebb tömegű csillagokat „barna törpék”-nek nevezik. Ezek nem préselődtek össze elég forróvá ahhoz, hogy begyulladjon bennük a nukleáris tüzelőanyag, amely a szokásos csillagok fényét adja. Barna törpék minden bizonnyal léteznek: egyesekre fényesebb csillagok körül keringő bolygók keresése közben, mintegy mellékeredményként bukkantak rá, másoknak, főként a közelebbieknek, észlelték nagyon gyenge vörös fénykibocsátását. Összességében hány barna törpére számíthatunk? Az elmélet kevés iránymutatást kínál. A nagy és a kis csillagok arányát igen bonyolult folyamatok szabják meg, amelyeket még nem értünk. Még a legnagyobb teljesítményű számítógépek sem tudják megmondani, mi történik, amikor egy csillagközi felhő csillagnépességgé sűrűsödik; a folyamatok jelenleg követhetetlenek, ugyanazokból az okokból, amiért az időjárás előrejelzése is nagyon nehéz.
Egyedi barna törpék gravitációs lencsehatással leplezhetők le. Ha valamelyikük elvonul egy fényes csillag előtt, akkor a barna törpe tömegvonzása fókuszálja a fényt, emiatt a fényes csillag felnagyítva látszik. Ennek eredményeként a csillag átmenetileg jellegzetes módon kifényesedik, majd fokozatosan elhalványul, míg a barna törpe elhalad előtte. Ez csak nagyon pontos, az egyenes látóvonal menti felsorakozás esetén észlelhető, ezért az ilyen események még akkor is nagyon ritkák volnának, ha a Galaktika valamennyi sötét anyagát barna törpék alkotnák. Ennek ellenére a csillagászok becsvágyóan kutatnak az ilyen „mikrolencse”-hatások után (amelyek a „mikro” jelzőt csak azért kapták, hogy megkülönböztessék őket a teljes galaxishalmazok már említett lencsehatásától). Csillagok millióit figyelik ismétlődő rendszerességgel, hogy elcsípjék azokat, amelyeknek fénye egyik éjszakáról a másikra megváltozik. Nagyon sok csillag változtatja a fényét, igen sokféle belső ok miatt: egyesek pulzálnak, másokon kitörések vannak, és megint mások egy kísérőcsillag körül keringenek. A kutatások során több ezer ilyenre bukkantak (amelyek ugyan érdekesek lehetnek egyes csillagászok számára, viszont fárasztó bonyodalmakat okoznak a mikrolencse-kutatásokban). Alkalmanként olyan csillagokat is találtak, amelyeknek a fényessége éppen olyan jellegzetes erősödést és gyengülést mutat, mint ami akkor lenne várható, ha egy láthatatlan tömeg elvonulna előttük és fókuszálná a fényüket. Egyelőre azonban még nem világos, hogy vajon sikerült-e már annyi ilyen eseményt összegyűjteni, hogy belőlük egy új „barna törpe” népesség létezésére következtessünk, vagy netán a feljegyzett események magyarázatához elegendő a hagyományos halvány csillagoknak fényesebbek előtti elvonulása.
Számos más jelölt is van a sötét anyagra. Nagy számban létezhetnek kimutathatatlan, egyetlen csillaghoz sem kötődő, a csillagközi térben mozgó hideg „bolygók”; ugyanígy létezhetnek fagyott hidrogénből álló üstökösszerű tömegek; és fekete lyukak is.

Az egzotikus részecskék kérdése

Mindazonáltal gyanítjuk, hogy a barna törpék, üstökösök (vagy akár a fekete lyukak, amelyek halott csillagok maradványai), legfeljebb egy kisebb hányadát tehetik ki a sötét anyagnak. Alapos okunk van ugyanis feltételezni, hogy a sötét anyag egyáltalán nem a szokásos atomokból épül fel. Ennek jogalapját a deutérium (a nehéz hidrogén) mennyisége képezi.
Mint az előző fejezetben említettük, a csillagközi térben ma megfigyelhető deutérium a Nagy Bummban keletkezett. Mostanáig azonban bizonytalan volt, hogy univerzumunkban a deutérium ténylegesen mekkora mennyiségben van jelen. A csillagászok azonban a nagyon távoli galaxisokról érkező fényben nemrég megtalálták a deutérium sajátos, a hidrogéntől megkülönböztethető lenyomatát. Ezekhez a mérésekhez az új, 10 méteres tükörátmérőjű távcsövek fénybegyűjtő képességére volt szükség. A megfigyelt gyakoriság csupán elenyésző: minden 50 000 atomból mindössze egy deutérium. A Nagy Bummból származó hányad az univerzum sűrűségétől függ, és a megfigyelések akkor állnak összhangban az elmélettel, ha minden köbméterben 0,2 hidrogénatom van. Ez meglehetősen jól egyezik az atomok tényleges számával a fénylő objektumokban – fele része a galaxisokban, a másik fele pedig az intergalaktikus gázban van –, de így semennyi atom sem marad a sötét anyagra.
Ha elegendő atom volna az összes sötét anyag felépítéséhez – ez azt jelenti, hogy több mint ötször (de lehet, hogy tízszer) annyi, mint amennyit ténylegesen látunk –, akkor az elmélettel való összhang felborulna. A Nagy Bumm-számítások akkor még kevesebb deutériumot jósolnának, és valamennyivel több héliumot, mint amennyit ténylegesen látunk: az univerzumban levő deutérium eredete ez esetben rejtéllyé válna. Ez valami nagyon fontosat árul el nekünk: az univerzumban lévő atomok, köbméterenként 0,2 atomsűrűséggel, a kritikus tömegnek mindössze 4 százalékát adják, és a sötét anyag túlnyomó hányadát olyan valami adja, amely legalábbis a nukleáris reakciókkal szemben teljesen közömbös. Ω-hoz egzotikus részecskék – amelyeknek semmi közük sincs a megszokott atomokhoz – adják a fő járulékot.[12]
Az egyik lehetőséget az ismert, de nehezen megfogható részecskék, a neutrínók jelentik. Ezeknek nincs elektromos töltésük, és szinte egyáltalán nem hatnak kölcsön a közönséges atomokkal: csaknem valamennyi, a Földet elérő neutrínó egyenesen átszalad rajta. A Nagy Bumm utáni legelső másodpercben, amikor a hőmérséklet a 10 milliárd fokot is meghaladta, minden annyira össze volt sűrűsödve, hogy a fotonokat (sugárzási kvantumokat) neutrínóvá alakító folyamatok elég gyorsak voltak ahhoz, hogy egyensúlyba kerüljenek. Ennek következtében, a „kozmikus tűzgolyó”-ból fennmaradt neutrínók száma kapcsolatba hozható a fotonok számával. Egészen alapvető és nem vitatott fizikai összefüggésekből kiszámítható, hogy 3/11-szer annyi neutrínó lehetett, mint amennyi foton. Ma a Nagy Bummból visszamaradt sugárzásban köbméterenként 412 millió foton van. A neutrínók három különféle változatban fordulnak elő, és mindegyik fajtából köbcentiméterenként 113 lehet – másként kifejezve, az univerzum minden atomjára több százmillió neutrínó jut. Természetesen ebben az összefüggésben a háromfajta neutrínó közül a legnehezebb lehet fontos.
Mivel a neutrínók ilyen elsöprő többségben vannak az atomokkal szemben, még akkor is túlsúlyban lehetnének a sötét anyagban, ha mindegyikük tömege egy atoménak mindössze százmilliomod része volna. Az 1980-as évek előtt csaknem mindenki úgy hitte, hogy a neutrínók „zérus nyugalmi tömegű” részecskék; ez esetben fénysebességgel mozognának és szállítanák az energiát, gravitációs hatásuk viszont lényegtelen lenne. (Ugyanúgy, ahogy a korai univerzumból visszamaradt fotonoknak, amelyeket ma a mikrohullámú háttérsugárzásban észlelünk, szintén nincs számottevő gravitációs hatásuk.) Ám most úgy látszik, hogy a neutrínóknak mégiscsak van valamekkora tömege, még ha az valójában nagyon pici is.
A neutrínók tömegének létezésére a legmeggyőzőbb bizonyítékot a japán Kamiokande-kísérlet szolgáltatja, amelynek detektora egy hajdani cinkbányában elhelyezett óriási víztartály. A kísérleti szakemberek itt a Napból érkező neutrínókat (amelyek a középső magban végbemenő magreakciók melléktermékei) ugyanúgy tanulmányozták, mint azokat, amelyeket a Föld felső légkörébe érkező, nagyon gyors részecskék („kozmikus sugarak”) keltenek. A kísérletek nem zérus tömegre utalnak, amely azonban valószínűleg túl kicsi ahhoz, hogy a neutrínók fontos szerepet játszhassanak a sötét anyagban.[13] Mindazonáltal a neutrínók vonatkozásában ez a felfedezés fordulópontot jelent. Első pillantásra úgy tűnhet, bonyolultabbá teszi a mikrovilágot, de a tömegek további kulcsot adhatnak a neutrínók és más részecskék kapcsolatának megfejtéséhez.
A neutrínókról legalább tudjuk, hogy léteznek, még ha a pontos tömegüket egyelőre nem ismerjük is. De hosszú a listája azoknak a feltételezett részecskéknek, amelyek létezhettek, és (ha így volt) elegendően nagy számban maradhattak fenn a Nagy Bummból ahhoz, hogy ők adják Ω domináns járulékát. Nincsenek nagyon meggyőző érvek a tekintetben, hogy milyen nehezek lehetnek: a legjobb becslések szerint tömegük a hidrogénatoménak százszorosa lehet. Ha ilyen részecskék akkora mennyiségben volnának jelen, hogy a Galaktika összes sötét anyagát kitehetnék, akkor a Nap környezetében köbméterenként több ezer volna belőlük; s nagyjából ugyanakkora átlagsebességgel mozognának, mint a Galaktika átlagos csillagai – másodpercenként 300 kilométerrel.
Ezek a részecskék, amelyek nehezek, de elektromosan semlegesek, általában a neutrínókhoz hasonlóan zavartalanul átszaladhatnának a Földön. Egy parányi hányaduk azonban bizonyára kölcsönhatna az átszelt anyag valamelyik atomjával. Naponta mindössze néhány ütközés történne bármelyikünkben (jóllehet testünk közel 10^29 atomból épül fel). Mi magunk nyilván nem éreznénk semmit. Nagyon érzékeny kísérletekben viszont kimutathatók lennének a piciny „rúgások” vagy visszalökődések, amikor az ilyen ütközések egy szilíciumtömbben vagy hasonló anyagban történnének. A detektorokat igen alacsony hőmérsékletre kell lehűteni, és nagyon mélyen a föld alá kell süllyeszteni (például egy yorkshirei bányában és egy olasz hegy alá fúrt alagútban helyeztek el ilyeneket), hogy a lehető legkisebbre csökkenjenek a másféle eseményekből származó zavaró hatások, amelyek elnyomhatnák a sötét anyag becsapódásából eredő jeleket.
Számos fizikuscsoport fogadta el ennek a „föld alatti csillagászat”-nak a kihívását. Ez kényes és fárasztó munka, ám ha sikerül, nem csupán azt fogják kideríteni, hogy mi alkotja univerzumunk túlnyomó részét, hanem ráadásként még egy fontos, újfajta részecskét is felfedezhetnek. Csak túlzottan derűlátó ember fogadna nagyobb téttel a sikerre. Mégpedig azért, mert jelenleg nincs olyan elméletünk, amely megmondaná, milyenek a sötét anyag részecskéi, és emiatt nehéz a kutatásokat optimálisan összpontosítani. A szubnukleáris fizika elméleti megértésében a következő lépés magába foglalhat egy új elképzelést, a „szuperszimmetriát”, amely arra törekszik, hogy a magerőket és az atomban ható többi erőhatást kapcsolatba hozza egymással (ezáltal közelebb vigyen az ε kozmikus szám jobb megértéséhez). Ehhez az új elképzeléshez nélkülözhetetlenül hozzátartozik néhány elektromosan semleges új részecske, amelyek a Nagy Bummban keletkezhettek, s a tömegük kiszámítható.
Számos más elképzelés is szóba jöhet. Egyes elméleti szakemberek az axion nevű, még könnyebb részecskéket részesítik előnyben. Mások arra gyanakszanak, hogy a részecskék milliárdszor nehezebbek lehetnek, mint amilyeneket most keresnek (ez esetben milliárdszor kevesebben is vannak, és az észlelésük még nehezebb). Vagy még ennél is egzotikusabbak – például atomnyi méretű fekete lyukak, amelyek a korai univerzum szélsőségesen nagy nyomásán keletkeztek.

A választék szűkítése

A sötét anyag kínálatából néhány lehetőség kizárható; változatos eljárásokkal komoly kutatások folynak a többi jelölt után. A gravitációs mikrolencse-hatással halvány csillagok és fekete lyukak kimutathatók. A bányák aknáinak mélyén elhelyezett kísérleti berendezések a galaktikus halót alkotó, néhány újfajta részecskét detektálhatnak. Néha még a negatív eredmény is fontos, mert kizárhat néhány, ma még védhető elképzelést.
Igencsak elképzelhető, hogy a sötét anyagnak többféle fajtája létezik. Meglepő volna például, ha nem lenne valamennyi barna törpe és fekete lyuk. Az egzotikus részecskék azonban messze valószínűbbnek látszanak, mivel a deutérium gyakorisága bizonyítja, hogy a sötét anyag túlnyomó része nem épülhet fel megszokott atomokból.
Meglehetősen zavaró, hogy az univerzum több mint 90 százalékáról nem tudunk számot adni. Ez még rosszabbá válik, amikor ráébredünk arra, hogy a sötét anyagot felépítő alkotóelemek tömege 10^33 grammtól (neutrínók) 10^39 grammig (nehéz fekete lyukak) terjedhet, tehát több mint hetven nagyságrend a bizonytalanság! Ez a végeredmény három irányból támadható meg:
1. A sötét anyagot felépítő egységek közvetlenül kimutathatók. A barna törpék csillagfényre gyakorolt gravitációs lencsehatása észlelhető. Ha a Galaktikánkban levő sötét anyag részecskék seregéből áll, akkor ezek némelyikét elcsíphetnék a rettenthetetlen föld alatti kísérletezők. Én derűlátó vagyok: ha ezt a könyvet mostantól számított öt év múlva írnám, akkor már feltehetőleg elmondhatnám, mi a sötét anyag.
2. Kísérleti és elméleti szakemberek már nagyon sok mindent megtudtak a neutrínókról. Lehetséges (bár valószínűtlennek látszik), hogy a neutrínóknak elegendően nagy a tömege ahhoz, hogy a sötét anyag fontos alkotóelemei legyenek. Amikor a szélsőségesen nagy energiák és sűrűségek fizikáját jobban megértjük, tudni fogjuk, milyen egyéb részecskék létezhettek egykor, és ahogyan ma meg tudjuk mondani az első három perc után megmaradó hélium és deutérium gyakoriságát, ugyanolyan megbízhatóan tudjuk majd kiszámítani, hogyan élték túl ezek a részecskék az univerzum első ezredmásodpercét.
3. A galaxisokban a sötét anyag gravitációs hatása uralkodik. Az, hogy a galaxisok mikor és hogyan alakultak ki, és miként tömörültek halmazokba, nyilvánvalóan attól függ, mi adja a tömegvonzás legfontosabb összetevőjét, és az miként viselkedik az univerzum tágulása során. A sötét anyagról különféle elképzeléseink lehetnek, mindegyiknek kiszámíthatjuk a következményeit, és megnézhetjük: melyik eredmény hasonlít leginkább arra, amit ténylegesen megfigyelünk. Az efféle számítások (a 8. fejezetben látunk rá példát) közvetett kulcsot adhatnak a sötét anyag rejtélyének megfejtéséhez.

Miért anyag és nem antianyag?

Még nem tudjuk, hogy az univerzum legeslegkorábbi szakaszában milyen típusú részecskék létezhettek, és azok milyen mértékben maradtak fenn. Ha Ω fő járulékát – mint én hiszem – újfajta részecskék adják, akkor kozmikus szerénységünk még tovább fokozódhat. A Kopernikusz utáni idők alapeszméjét, miszerint nem foglalunk el kitüntetett központi helyet az univerzumban, már megszoktuk, most viszont fel kell adnunk a „részecske sovinizmusunkat” is. A testünket, az összes látható csillagot és galaxist felépítő atomok pusztán elenyésző összetevői az univerzumnak, amelynek nagyléptékű szerkezetére a döntő befolyást merőben másféle (számunkra láthatatlan) anyagok gyakorolják. A hullámok tarajának csupán a fehér habját látjuk, magukat a testes hullámokat nem. Kozmikus lakóhelyünket sötét világként kell elképzelnünk, amelyet túlnyomórészt teljesen ismeretlen anyag alkot.
Úgy tűnik, a megszokott atomok „kisebbségi” alkotóelemei az univerzumnak, amelyet egészen másfajta, a Nagy Bumm kezdeti pillanataiból fennmaradt részecskék árasztanak el. De még ennél is rejtélyesebb az, hogy miért van akár egyetlen atom is – univerzumunkat miért nem kizárólag sötét anyag alkotja?
Minden részecskének van egy megfelelő antirészecskéje. Vannak protonok (amelyeket három úgynevezett kvark alkot) és antiprotonok (három antikvarkból); az elektron antirészecskéje a pozitron. Az antirészecskék a szokásos részecskékkel találkozva szétsugárzódnak: (mc^2) nyugalmi energiájuk sugárzássá alakul. A Földön vagy a Földben sehol sincs nagyobb mennyiségű antianyag. Csöppnyi mennyiségben előállíthatók gyorsítókban, amelyekben a részecskék olyan nagy energiával ütköznek egymásnak, ami elegendő további részecske-antirészecske párok keletkezéséhez. Az antianyag eszményi rakéta-hajtóanyag lenne. Amikor közönséges anyaggal összehozva megsemmisül, a magfúzióval hajtott rakétákban hasznosuló ε = 0,007 hányaddal szemben a teljes nyugalmi tömeg energiája felszabadul. Az antianyag csak akkor maradhat fenn, ha a szokásos anyagtól elválasztva „karanténbe” zárják; egyébként erőteljes gammasugárzást keltve megsemmisül. Biztosak lehetünk abban, hogy egész Galakikánk – azt alkotó minden gáz és valamennyi csillag – inkább anyag, mint antianyag: tartalmát folyamatosan összekavarja és újrahasznosítja a csillagok születése és pusztulása. Ha viszont felerészben anyagból és felerészben antianyagból indult volna a világ, mára már nem maradt volna belőle semmi, csak derengő sugárzás. De miért van látszólag kedvezőbb helyzetben az anyag egyik fajtája? (Nagyobb méretekben a keveredés talán kevésbé hatékony: nem zárhatjuk ki biztonsággal azt a feltételezést, hogy az egyes szupergalaxis-halmazok váltakozva anyagból és antianyagból állnak.)
Megfigyelhető univerzumunkban mintegy 10^78 atom van (főként egy protonból és egy elektronból álló hidrogénatomok), de úgy tűnik, nincs ilyen sok antiatom. Az elképzelhető legegyszerűbb univerzum olyan állapotból indulhatott ki, amely a részecskék és antirészecskék egyenlő arányú keverékét tartalmazta. Szerencsére, a mi univerzumunk nem ilyen volt. Ha ilyen lett volna, akkor valamennyi proton már a korai sűrű szakaszokban az antiprotonokkal ütközve szétsugárzódik; az univerzumot végül teljes egészében sugárzás és sötét anyag töltené ki, nem lennének benne sem atomok, sem csillagok, sem galaxisok.
Miért ez az aszimmetria? A teljes 10^78 többletnek már kezdetben ott kellett lennie, de ez természetellenesen nagy szám ahhoz, hogy egyszerűen elfogadjuk, mint a „kezdeti feltételek” egyikét. Andrej Szaharov orosz fizikus, aki leginkább a hidrogénbomba előállításában játszott szerepe miatt, majd később, a Szovjetunió utolsó éveiben, mint a disszidensek vezéralakja vált ismertté, a kozmológiához is előrevivő gondolatokkal járult hozzá. 1967-ben azt próbálta kideríteni, vajon egy csekély aszimmetria a Nagy Bummot közvetlenül követő hűlés során előnyhöz juttatja-e az anyagot az antianyaggal szemben. Ez az egyenlőtlenség a kvarkok viszonylag csekély túlsúlyát hozná létre az antikvarkokkal szemben (amely később a protonok antiprotonokkal szemben mutatkozó többletébe fordulna át).
Szaharov elképzelése nyilvánvalóan némi elrugaszkodást igényel az anyag és antianyag viselkedése közt mutatkozó tökéletes szimmetriától. A jelenség létezésének – a maga idejében óriási meglepetést keltő – bizonyítékát 1964-ben találta meg két amerikai fizikus, James Cronin és Val Fitch, akik egy K^0 nevű instabil részecske bomlásait vizsgálták. Azt találták, hogy ez a részecske és az ő antirészecskéje egymásnak nem tökéletes tükörképei, hanem egy picit más ütemben bomlanak; a bomlást szabályozó törvényekbe egy parányi aszimmetria épült be. (Ez mellesleg azt jelenti, hogy ha kapcsolatba kerülnénk egy „idegen” fizikussal, aki egy másik galaxisban elvégzett kísérletekről számolhatna be, meg tudnánk mondani, vajon ő anyagból vagy antianyagból van-e – amit óvatosságból nem árt ellenőriznünk, mielőtt egy találkozót létrehoznánk!) A K^0 bomlásában nem játszik szerepet az erős nukleáris kölcsönhatás, csupán az úgynevezett „gyenge” erő (amely a radioaktív béta-bomlást és a neutrínókat irányítja). Az erők egyesített elméletében azonban ez a fajta aszimmetria „átvivődik” egyik erőről a másikra, ezzel alapot teremtve Szaharov elképzeléséhez.
Képzeljük el, hogy ez az aszimmetria minden 10^9 kvark-antikvark párnál egy többlet kvarkra vezet. Az univerzum hűlése folyamán minden egyes antikvark kvarkokkal találkozva szétsugárzódik. Ez a sugárzás, amely mostanra nagyon kis energiájúvá hűlt, alkotja az intergalaktikus teret betöltő, 2,7 K fokos háttérsugárzást. De minden milliárd, antikvarkkal megsemmisült kvark után megmaradt egy kvark, amelynek nem jut partner antikvark a megsemmisüléshez. Valóban, milliárdszor több sugárzáskvantum (foton) van az univerzumban, mint amennyi proton (köbméterenként 412 millió foton szemben a mintegy 0,2 protonnal). Így az univerzum összes atomja annak eredménye, hogy az anyag egy parányi előnyben volt az antianyaggal szemben. Mi – és az egész körülöttünk látható univerzum – annak köszönhetjük létezésünket, hogy kezdetben a kvarkok és az antikvarkok számának kilencedik tizedes jegyében különbség volt.
Univerzumunk azért tartalmaz atomokat és nem antiatomokat, mert nagyon korai szakaszban egy parányi „részrehajlás” érvényesült. Ez természetesen azt is magába foglalja, hogy egy proton (vagy az őt alkotó kvarkok) néha megjelenhetnek vagy eltűnhetnek anélkül, hogy eközben ugyanez történne egy antiprotonnal. Másként van ez az eredő elektromos töltéssel: az pontosan megmarad, tehát ha univerzumunk elektromosan semleges állapotból indult, akkor a pozitív és a negatív töltések mindig pontosan kiegyenlítik egymást.
Az atomok nem élnek örökké, jóllehet a bomlás üteme hihetetlenül lassúnak tűnik: egy atom élettartama a legjobb becslés szerint 10^35 év lehet. Ez azt jelenti, hogy egy 1000 tonna vizet tartalmazó tartályban évente átlagosan egy atom bomlik el. A neutrínók észleléséhez használt hatalmas föld alatti tartályokban végezhető kísérletek elérhetik ezt az érzékenységet, de azt máris megmutatják, hogy ez az élettartam nem lehet rövidebb 10^33 évnél.
A nagyon távoli jövőben valamennyi csillag hűvös fehér törpévé, neutroncsillaggá vagy fekete lyukká válik. De a fehér törpék és a neutroncsillagok maguk is erodálódnak majd, ahogy alkotó atomjaik elbomlanak. Ha ez az erózió 10^35 évig tart, az elnyújtott bomlás által termelt hő minden egyes csillagból annyi sugárzást bocsát ki, mint egy háztartási hősugárzó. Miután valamennyi csillag elhasználta nukleáris fűtőanyagát, ezek a gyenge sugárzások lesznek a nagyon távoli jövő elsődleges hőforrásai (eltekintve a csillagok összeomlását követő alkalmi fellobbanásoktól).

A kezdeti tágulás behangolása

Ω. nem lehet pontosan egy, de jelenleg legalább 0,3. Első pillantásra ez nem utal finom hangolásra. Azt azonban jelzi, hogy Ω a korai szakaszokban valóban nagyon közel lehetett az egységhez. Ez azért van így, mert hacsak a tágulás mozgási energiája és a gravitációs energia nincs pontosan egyensúlyban (mely esetben Ω pontosan egységnyi, és az is marad), a két energia közt egyre szélesebbé válik a hasadék. Ha Ω a korai univerzumban az egységnél valamivel kisebb értékről indult, a mozgási energia végül teljesen győzedelmeskedni fog: Ω valóban nagyon kicsivé válik. Másfelől, amennyiben Ω. az egységnél lényegesen nagyobb volt, akkor a gravitáció egyszer majd megállítja a tágulást.
A következő oldalon, a 6.1. ábrán azok a tartományok láthatók, amelyekben a mi tényleges univerzumunk „pályagörbéi” összhangban állnak azzal, amit a sötét anyagra vonatkozó bizonyítékok Ω jelenlegi értékéről mondanak. Az ábra feltüntet néhány olyan univerzumot is, amelyekben nem létezhetne az életnek az a formája, amelyet mi ismerünk. Ugyanakkor éles megvilágításba helyez egy alapvető rejtélyt: miért tágul univerzumunk még most is, több mint 10 milliárd év után, az egységtől alig különböző Ω értékkel?
Mint az előző fejezetben láttuk, jó alapunk van arra, hogy az univerzum sorsát időben visszafelé kövessük az első másodpercig, amikor a hőmérséklet mintegy 10 milliárd K volt. Tételezzük fel, hogy az univerzumot akkor „indítottuk el”. Ezt követően a neki adott lendülettől függő pályát fog befutni. Ha túl gyorsan indítottuk, akkor a tágulás mozgási energiája már kezdetben annyira uralkodóvá válik (másképp fogalmazva: Ω. annyira kicsi lesz), hogy a gravitációs vonzás sohasem lesz képes csillagokat és galaxisokat összesűríteni; az univerzum örökkön örökké tágulni fog, de élet kialakulásának semmi esélye sem lesz benne. Másfelől viszont a tágulás nem lehet túl lassú sem: mert ez esetben az univerzum túl gyorsan összeomlana egy Nagy Zuttyban.

6.1. ábra
Ez az ábra lehetséges univerzumok különféle pályagörbéit mutatja. Bár Ω mostani értéke bizonytalan, a kezdeti feltételeknek pontosan hangoltnak kell lenniük ahhoz, hogy az univerzum megengedett tartományba kerüljön. E hangolás nélkül a tágulás vagy annyira gyors, hogy nem alakulhatnak ki galaxisok, vagy annyira lassú, hogy az univerzum összeroppan, még mielőtt ideje lenne bármilyen érdekes evolúcióra. A hangolás magyarázatát a 9. fejezetben tárgyaljuk

Minden kialakuló bonyolult szerkezet a sűrűség és a hőmérséklet egyenetlenségeiből táplálkozik (például saját bioszféránk abból meríti energiáját, hogy elnyeli a Nap „forró” sugárzását, és azt a hideg csillagközi térbe sugározza vissza). Még ha elképzeléseink az életről a legcsekélyebb mértékben sem emberközpontúak, akkor is arra a következtetésre kell jutnunk, hogy az univerzumnak a „tűzgolyó” állapotból legalább annyira ki kellett tágulnia, hogy legalább 3000 K alá hűljön, hogy benne bármiféle élet megszülethessen. Ha a kezdeti tágulási sebesség ehhez nem volt elég, akkor az élet kialakulásának nem lehetett esélye.
Ebből a szemszögből nézve meglepőnek látszik, hogy univerzumunk kezdeti kimozdulása olyan finoman volt beállítva, hogy az csaknem pontosan elegendő volt a gravitáció lassító hatásának kiegyenlítéséhez. Ez ahhoz hasonlítható, mint ha egy kút fenekén ülnénk, és kavicsokat dobálnánk felfelé úgy, hogy azok pontosan a kút pereménél álljanak meg – ehhez bámulatos pontosság kell: a Nagy Bumm után egy másodperccel Ω nem térhetett el milliomod milliárdod résznél (10-15-nél) jobban az egységtől ahhoz, hogy univerzumunk még ma, 10 milliárd év elteltével is táguljon, egy olyan Ω értékkel, amely biztosan nem nagyon tér el az egységtől.
Már említettük, hogy minden bonyolult világmindenségben léteznie kell egy „nagy számnak”, N-nek, amely a gravitáció gyengeségét adja meg, és egy olyan ε értéknek, amely lehetővé teszi a nukleáris és a kémiai folyamatokat. Ezek a feltételek szükségesek, de nem elegendők. Csak egy olyan univerzum biztosíthat megfelelő színteret ezeknek a folyamatoknak a kibontakozásához, amelyben a tágulás üteme „finoman hangolt”. Ω-t tehát fel kell vennünk a kulcsfontosságú szamok listájára. Értekét a korai univerzumban az egységhez bámulatosan közel kell beállítani. Ha a tágulás túl sebes lett volna, a gravitáció sosem húzhatta volna össze az anyagfelhőket annyira, hogy belőlük csillagok és galaxisok alakulhassanak ki; ha a kezdeti lendület elégtelen lett volna, akkor egy idő előtti Nagy Zutty fojtotta volna meg az evolúciót, mielőtt az egyáltalán megindulhatott volna.
A kozmológusok különféleképpen viszonyulnak ehhez a „hangoláshoz”. A leggyakoribb válasz első pillantásra természetellenesnek tűnhet. Okoskodása szerint, mivel a korai univerzum Ω-nak az egységhez nagyon közeli értékével indult, léteznie kell egy olyan alapvető oknak, amiért Ω pontosan egy. Másként fogalmazva: mivel a „hangolás” nagypontosságú, teljesen tökéletesnek kellett lennie. Ez a furcsának látszó érvelés más összefüggésekben valójában jól bevált; például tudjuk, hogy a hidrogénatomban a proton pozitív elektromos töltését roppant pontosan semlegesíti a körülötte keringő elektron negatív töltése – az eltérés kisebb, mint 1:10^21. Azt azonban egyetlen mérés sem mondhatja meg, hogy az atom eredő töltése pontosan zérus: mindig van valamekkora hibahatár.
Az úgynevezett „nagyszabású egyesítés elmélete”, amely kapcsolatba hozza egymással az elektromos erőt és a magerőt, egy mélyen fekvő okot sugall arra vonatkozóan, hogy a semlegesítés miért pontos. A legtöbb fizikus azonban már ötven évvel ezelőtt is feltételezte, hogy a két töltés pontosan semlegesíti egymást, jóllehet erre akkor semmilyen meggyőző érv nem volt.
Egy másik meglepetés, hogy a tágulás üteme (a Hubble-állandó) minden irányban ugyanaz: egy egyszerű „skálafaktorral” írható le, amely az Escher-rács rúdjai megnyúlásának felel meg – lásd az 5.1. ábrát. Könnyen el tudnánk képzelni egy olyan univerzumot, amelyben a nyúlás bizonyos irányokban gyorsabb volna, mint másokban. Egy kevésbé egyenletes univerzum látszólag több lehetőséget kínálna. Amikor egymással ellentétes irányban fekvő, nagyon távoli tartományokat figyelünk meg, miért tűnnek azok annyira hasonlónak és összehangoltnak? Vagy a háttérsugárzásnak, amely azóta háborítatlan, amióta a hőmérséklet 3000 K-re esett, miért csaknem teljesen ugyanakkora a hőmérséklete az égbolt minden irányában? Mint a 9. fejezetben látni fogjuk, univerzumunk ezen vonásainak és Ω finom hangolásának a korai univerzumban, van egy vonzó magyarázata: egy úgynevezett „inflációs” (felfúvódó) időszakra utal.

7. FEJEZET

A λ szám:
lassul vagy gyorsul a kozmikus tágulás?

Az univerzum talán
olyan nagy, mint mondják.
De nem hiányozna,
ha nem létezne.

Piet Hein

A múltba tekintve

Univerzumunk több tömeget tartalmaz sötét anyag formájában, mint a megszokott atomokban. De vajon van-e belőle annyi, amennyi biztosítja a teljes „kritikus sűrűséget” – hogy Ω pontosan egységnyi legyen? A galaxisokból és galaxishalmazokból kikövetkeztethető mennyiség ehhez kevés. Az univerzumban egyenletesen szétszórt sötét anyag azonban nem befolyásolná a galaxishalmazokon belül végbemenő belső mozgásokat, sem a galaxishalmazok fényelhajlítását, amely felnagyítja és eltorzítja a mögöttük lévő, nagyon távoli galaxisok képét. Éppen ezért még nehezebben lenne megfogható. Egyenletesen eloszlott anyagtöbblet csak azzal árulhatná el jelenlétét, hogy befolyást gyakorol a mindenre kiterjedő kozmikus tágulásra. Fel tudjuk-e tárni tehát, hogyan változik a tágulás üteme?
Ez elvileg lehetséges. A távoli objektumok vöröseltolódása elárulja, hogyan mozogtak akkor, amikor a fény róluk elindult, szembeállítva azzal, ahogyan most mozognak a közeli galaxisok. Ily módon távoli galaxisnépességek (vagy bármilyen más jellegű objektumok) vöröseltolódásának és távolságának megfigyeléséből következtetni tudunk korábbi időszakok tágulási ütemére. Ezek összehasonlítása a jelenlegivel elárulja, milyen mértékben változott meg a tágulás üteme (ha egyáltalán változott).
A tágulás ütemének bármilyen változása annyira fokozatos lehet, hogy csak több milliárd éves „időskálán” mutatkozik meg, így felfedezésére csak akkor van remény, ha több milliárd fényév távolságban levő objektumokat tudunk megfigyelni. Ez önmagában nem volna akadály, hiszen a 10 méteres tükrű, kitűnő eszközökkel ellátott távcsövek ma már olyan időszakokat fürkésznek, amikor univerzumunk nem volt idősebb jelenlegi életkorának egytizedénél. Komolyabb gondot okoz olyan távoli objektumok felkutatása, amelyek „elég szabványosak”, és amelyeknél számításba jöhet az a lehetőség, hogy csak azért látszanak lényegesen különbözőnek közeli társaiktól, mert fejlődésük egy korábbi szakaszában látjuk őket.
A legkönnyebben észlelhető nagy vöröseltolódású objektumok a kvazárok. Ezek hiperaktív galaxismagok. Nagyon távol állnak attól, hogy „szabványgyertyaként” használhassuk őket: a hasonló vöröseltolódású (más szavakkal: ugyanolyan távol lévő) kvazárok látszólagos fényessége széles sávban különböző. És ami még rosszabb, annyira kevéssé ismerjük őket, hogy nem tudjuk, belső tulajdonságaik miként változhatnak meg az univerzum öregedése során.
A galaxisokat valamivel jobban értjük, mint a kvazárokat (bár nem túl fényesen), és most már látunk hasonlóan nagy vöröseltolódású galaxisokat is, de velük is gondok vannak. A különféle galaxistípusok olyan széles választéka figyelhető meg, amelyeket nehéz osztályokba sorolni. Ráadásul a galaxisok a kor előrehaladtával fejlődnek. Ennek több oka van: létező csillagok fejlődnek és elpusztulnak; gázból új csillagok születnek; vagy úgy adódnak újabb csillagok a galaxishoz, hogy az foglyul ejti kisebb szomszédait. (Ezt hívják „galaktikus kannibalizmus”-nak.)
A galaxisok túl bonyolultak, túl változatosak, és egyelőre túl kevéssé ismertek. Sokkal kevésbé, mint az egyes csillagok, amelyek azonban sokkal gyengébb fényűek annál, hogysem kozmikus távolságokban észlelhetnénk őket: távcsöveink a galaxisokat azért fedezhetik fel, mert a galaxisokat alkotó több milliárd csillag fényét egyesítik. Bizonyos csillagok haláltusájukban szupernóvaként robbannak fel, és ekkor néhány napig csaknem olyan fénnyel ragyognak, mint az egész (több milliárd csillagból álló) galaxis.

Távoli szupernóvákra vadászva

A szupernóvák egyik jól megkülönböztethető fajtája, szakkifejezéssel az „1a típusú szupernóva”, a haldokló csillag középpontjában bekövetkező hirtelen nukleáris robbanással jelzi, amikor kiégett magja átlép egy bizonyos tömeghatárt, és instabillá válik. Ez tulajdonképpen egy szabványos hozamú nukleáris bomba. A jelenség fizikáját meglehetősen jól értjük, a részletek miatt nem kell aggódnunk. Az a fontos, hogy az 1a típusú szupernóvák „szabványgyertyáknak” tekinthetők, amelyek elég fényesek ahhoz, hogy nagy távolságban is felfedezzük őket. Látszólagos fényességükből megbízhatóan következtethetünk a távolságukra. Vöröseltolódásukat is megmérve, összekapcsolhatjuk a korábbi időszakra vonatkozó tágulási sebességet és távolságot. A kozmológusok azt remélték, hogy ilyen mérésekkel különbséget tehetnek mérsékelt lassulás (amely akkor várható, ha arról teljesen az atomos anyag ad számot), és nagyobb lassulás között (amelyre akkor számíthatunk, ha a sötét anyag kiadja a „kritikus sűrűséget” úgy, hogy az univerzum a legegyszerűbb elméleti modellnek feleljen meg – mint azt sok elméleti szakember gyanítja).
Ezek a szupernóvák egy másik jelenséget is bemutatnak, amely vöröseltolódásuktól függ: a legtávolabbi, legnagyobb vöröseltolódású szupernóvák – úgy tűnik – lassabban gyúlnak ki és lassabban halványodnak, mint a hasonló típusú, közelebbi szupernóvák. Ez éppen az, amit várhatunk: egy távolodó objektumon lévő órának a relativitáselmélet szerint lassabban kell járnia. Ha a távolodó szupernóva periodikusan „bip” jeleket adna ki, akkor a későbbi jelnek hosszabb utat kellene befutnia, ezért a beérkezések közt eltelt időtartamok megnyúlnának.[14]
Egy szupernóva kifényesedése és elhalványodása maga is olyan, mint egy óra, így a „fénygörbék” vöröseltolódással arányos lelassulása pontosan olyan, amilyenre távolodó mozgásuk következtében számíthatunk. Erre a statikus univerzumban nem volna magyarázat. Ez a megfigyelés legjobb cáfolata minden olyan gyanúnak, hogy a vöröseltolódást a fény valamiféle „elfáradása” okozza.
A csillagászat szociológiai értelemben „nagy tudomány”: nagy és költséges berendezéseket igényel. De magukhoz a kutatási programokhoz általában nem szükséges olyan ipari méretű csapatmunka, amely kötelező például azokban a laboratóriumokban, ahol nagy gyorsítókat működtetnek a szubnukleáris részecskék tanulmányozására. A csillagászok megőrizhetik egyéniségüket, egyéni kutatásokat folytathatnak, egymással versenyezve a nagy távcsövek néhány éjszakányi megfigyelési idejéért (vagy megújítva egy kis távcsövet, mint azok a csillagászok, akik elsőként fedeztek fel más csillagok körüli bolygókat). De az a vállalkozás, hogy szupernóvákat kozmológiai térképezési célokra használjanak, sok közreműködő hosszantartó erőfeszítését igényli több távcső mellett. Az első kihívás az, hogy „elfogjanak” néhány fotont – elenyészően gyenge fényt – egy milliárd évekkel ezelőtt bekövetkezett robbanásból. A távoli szupernóvák úgy válogathatok ki, hogy rendszeresen ismétlődően szemmel tartják az ég ugyanazon kis darabkáját: a távoli galaxisokban alkalmilag, átmeneti időre felfénylő pontokat keresnek. A vizsgálatokat közepes méretű távcsövekkel végzik, mert a nagy távcsövek iránt olyan óriási az igény, hogy egyetlen programnak sem adható túl sok idő, még egy olyan fontosnak sem, mint ez. A felfedezés után minden szupernóvát ismétlődően meg kell figyelni, hogy felrajzolhassák a „fénygörbéjét”, és a lehető legpontosabban megmérjék látszólagos fényességét. Ehhez már inkább kell egy 10 méteres földi teleszkóp, vagy a Hubble-űrtávcső. Az összes adat elemzése és megbízhatóságuk becslése maga is körültekintő munkát igényel.
Van egy természetes hajlandóságunk arra, hogy bármely új tudományos állítás megítélését, különösen ha az meglepő, felfüggesszük mindaddig, amíg független bizonyítékok meg nem erősítik. Sokszor idegesítően hosszú ideig kell várnunk erre. Ezért volt nagy szerencse, hogy két különálló csoport is a „szupernóva kozmológia programnak” szentelte munkáját. A területen az első komoly jelentkező Saul Perlmutter, a Lawrence Nemzeti Laboratórium fizikusa volt Kaliforniában. Talán, mert akkor még nem volt számottevő csillagászati gyakorlata, nem rettentették vissza a nehézségek, és 1990-ben munkához látott. Közreműködők lelkes csapatát vonzotta fokozatosan maga köré Angliából és Amerikából. Egy másik, szintén nemzetközi csoport, később állt össze; ez utóbbiban több olyan kutató is volt, akik új technikákat vezettek be a szupernóvák még szabványosabb alosztályokba sorolására (amelyeket később Perlmutter csoportja is átvett).
1998-ra mindkét csoport mintegy tucatnyi távoli szupernóvát fedezett fel, és a felhalmozott bizonyítékokat annyira meggyőzőnek tartották, hogy közzétették az előzetes eredményeket. Nem mutatkozott az a lassulás, aminek lennie kellene, ha Ω értéke egységnyi volna! Ez önmagában nem volt meglepő (nem volt ugyanis bizonyíték arra, hogy a sötét anyag mennyisége Ω értékét 0,3-nál magasabbra emelje), viszont ellene szólt annak az erőteljes elméleti előítéletnek, miszerint a világ „egyszerűbb” lenne, ha Ω pontosan egységnyi volna. Az viszont valóban meglepő volt, hogy egyáltalán nem látszott lassulás – valójában úgy tűnt, a tágulás gyorsul! Az amerikai Science folyóirat a valamennyi tudományágra kiterjedő éves rangsorolásában az 1998-as év első számú tudományos felfedezésének ítélte az eredményt.
Ezek a megfigyelések a létező távcsövek teljesítőképességének határán mozognak. Távoli szupernóvák annyira halványak, hogy nehéz őket pontosan bemérni. Ráadásul néhány csillagász nyugtalankodik amiatt, hogy közbeeső „köd” vagy por tompítja a fényt, amitől a szupernóvák a valóságosnál távolabbinak tűnnek. Az is lehet, hogy a „bomba” nem teljesen szabványos: a robbanás ereje függhet például attól, hogy az előfutár csillag mennyi szenet és egyéb elemet tartalmazott, ami az univerzum fiatalabb korában kialakult objektumokban (más szavakkal: a legnagyobb vöröseltolódásúakban) minden bizonnyal kevesebb lehetett. De a keresztellenőrzések elvégzése után hónapról hónapra több szupernóva került be a mintába.

Gyorsuló univerzum?

A kozmikus tágulás gyorsulása egy figyelemre méltó és váratlan dologra utal magával a térrel kapcsolatban: léteznie kell egy olyan különleges erőnek, amely még a vákuumban is „kozmikus taszítást” hoz létre. Ez az erő megfigyelhetetlen volna a Naprendszerben, még a Galaktikánkban sem lenne hatása; de az intergalaktikus tér sokkal ritkásabb környezetében legyőzheti a gravitációt. Így a sötét anyag gravitációs vonzása ellenére (amely, ha csak egyedül hatna, folyamatos lassulást okozna) a tágulás valójában gyorsulhat. Emiatt a kulcsfontosságú számok listájához egy újabbat kell hozzáadnunk, amely ennek az „antigravitációnak” az erősségét adja meg.
Általában úgy gondolunk a vákuumra, mint a „semmi”-re. Einstein azonban gyanította: ha valaki a csillagközi tér egy tartományából eltávolítaná a néhány benne lévő részecskét, és úgy árnyékolná, hogy semmiféle sugárzás se haladhasson át rajta, lehűtené abszolút nulla fokra, a visszamaradó tér még akkor is kifejthet valamekkora maradék erőt. Már 1917-ben, nem sokkal az általános relativitáselmélet kidolgozása után, Einstein azon kezdett gondolkodni, hogyan alkalmazhatná elméletét az egész univerzumra. Azokban az időkben a csillagászok igazából csak saját Galaktikánkat ismerték; természetes vélekedés volt, hogy az univerzum statikus – nem tágul, és össze sem húzódik. Einstein azt találta, hogy egy statikus állapotú univerzum, mivel benne minden mindent vonz, azonnal elkezdene összehúzódni. Egy univerzum csak akkor maradhat statikus, ha benne a gravitációt ellensúlyozó erő is hat. Ezért az elméletéhez hozzáadott egy új számot, amit „kozmológiai állandó”-nak nevezett, és a görög λ (lambda) betűvel jelölt. Így Einstein egyenlete a λ megfelelő értéke mellett megengedte statikus univerzum létezését, amelyben egy kozmikus taszítás pontosan kiegyenlítette a gravitációt. Ez a világ véges volt, de határtalan: minden kibocsátott fénysugár előbb-utóbb visszatért és fejbevágott volna minket.
Ez az úgynevezett „Einstein-féle univerzum” 1929 után már csupán kuriózum volt. A csillagászok addigra felfedezték, hogy Galaktikánk csupán egy a sok galaxis közül, és hogy a távoli galaxisok tőlünk távolodnak: az univerzum nem statikus, hanem tágul. Einstein elvesztette a λ iránt mutatott érdeklődését. George Gamow Világvonalam (My World Line) című önéletrajzában visszaemlékezik egy beszélgetésre, amelynek során Einstein, halála előtt három évvel, élete „legnagyobb baklövésének” minősítette a λ-t, mert ha azt nem vezette volna be egyenleteibe, akkor arra a következtetésre kényszerült volna, hogy univerzumunk tágul (vagy összehúzódik). Így elméletileg megjósolhatta volna a tágulást, még mielőtt Edwin Hubble tapasztalatilag felfedezi azt. Einstein érvelését, amellyel a λ bevezetését indokolta, hetven éven át elavultnak tartották. De magát az elképzelést nem vetették el teljesen. Éppen ellenkezőleg, a λ ma kevésbé tűnik kiagyaltnak és ad hocnak., mint Einstein gondolta. Most ébredtünk rá arra, hogy az „üres tér” egyáltalán nem egyszerű. Mindenféle részecske rejtőzködik benne. Megfelelően összpontosított energia bármelyik részecskét előteremtheti benne az antirészecskéjével együtt. Még kisebb méretekben, az üres térben összekuszált húrok kavaroghatnak, további dimenziók létezésének bizonyságául. Mai látószögünkből az rejtély, hogy a λ miért ilyen kicsi. Az összes bonyolult folyamat, ami a vákuumban végbemegy, miért nem gyakorol erősebb eredő hatást? Miért nem olyan sűrű a tér, mint egy atommag vagy egy neutroncsillag (mely esetben 10 vagy 20 kilométeres távolságon belül önmagába záródna)? Vagy netán miért nem olyan sűrű a tér, mint az univerzum volt a 10-35. másodpercben (egy olyan időszakban, amelynek jelentőségét az egyesített elméletek szempontjából későbbi fejezetekben tárgyaljuk)? λ ténylegesen egy 10^120-os tényezővel kisebb ennél a nagyon korai sűrűségnél – ez talán az egész tudomány legbalsikerűbb nagyságrendi becslése. λ értéke nem lehet pontosan zérus, de biztosan annyira pici, hogy csupán az intergalaktikus tér nagyon legyengült gravitációjával kelhet versenyre.
Néhány elméleti szakember felvetette, hogy a geometriai térnek parányi fekete lyukakból álló mikroszerkezete lehet, amely mindig úgy rendezi el magát, hogy ellensúlyozza a vákuum összes többi energiáját, ami arra vezet, hogy λ pontosan zérus. Ha univerzumunk valóban gyorsul, és λ nem zérus, ez cáfolja azokat az érveléseket, és óva int az olyanféle gondolatmenetektől, miszerint „ha valami meglepően kicsi, van valami mélyebb ok arra, hogy pontosan zérus legyen”.

A zérustól különböző λ esete

Az, hogy λ nem zérus, e könyv megírása idején (1999 tavaszán) erősen valószínű, bár nem elsöprően biztos feltételezés. A szupernóva-megfigyelésekben lehetnek olyan nem is gyanított, szisztematikus hibák, amelyeknek nem lenne szabad ott lenniük. De egy másik bizonyíték, noha kissé technikai és közvetett, szintén az univerzum gyorsulását támasztja alá. A kozmikus háttérsugárzás – a Nagy Bumm visszamaradt utófénye – nem teljesen egyenletesen oszlik el az égbolton: a sugárzás hőmérséklet-eloszlása kissé szemcsés, s ezt azok az egyenlőtlenségek okozzák, amelyek idővel galaxisokká és halmazokká fejlődnek. A legkiemelkedőbb szemcsék várható mérete kiszámítható. Az, hogy ezek mekkorának látszanak az égbolton – például egy vagy két fok kiterjedésűek –, a látóvonalba eső összes tömeg fókuszáló hatásától függ. Ilyen jellegű mérésekre csupán az 1990-es évek végén nyílt lehetőség (ezeket magasan fekvő, száraz hegyoldalakon, az Antarktiszon, vagy léggömbökkel végzik). És az eredmények ellentmondanak egy nyílt, kis sűrűségű univerzumnak. Ha Ω valóban 0,3, és λ tényleg pontosan zérus volna, akkor ezek a galaxiscsírák a valóságosnál kisebbnek látszanának. De a vákuumban rejlő minden energia hozzájárul a fokuszáláshoz. 0,7 körüli λ érték esetén kellemes egyezésre juthatunk ezekkel az eredményekkel csakúgy, mint a gyorsuló tágulásra mutató szupernóva-bizonyítékokkal.
A gravitáció uralkodó erő a bolygókban, csillagokban és galaxisokban. De magának az univerzumnak a még nagyobb skáláján olyan kicsi az átlagos sűrűsége, hogy azt egy másik erő legyőzi. Úgy tűnik, hogy a λ kozmológiai állandó – amely a természet leggyengébb és egyúttal legrejtélyesebb erejét írja le – szabályozza az univerzum tágulását és végső sorsát. Einstein „baklövése” végül nyerő ötletnek bizonyulhat. Ha így lenne, nem ez volna az első eset, amikor munkájának olyan következménye van, amelyet ő maga sem látott előre. Az általános relativitáselmélet egyik legfigyelemreméltóbb következtetése a fekete lyukak létezésének megjóslása volt. Einstein ehhez való viszonyulását így írta le Freeman Dyson:[15]
„Einstein nem csupán kétkedett, hanem hevesen ellenezte is a fekete lyukak gondolatát. Úgy gondolta, a fekete lyuk megoldás olyan szégyenfolt, amelyet egy jobb matematikai megfogalmazással el kell távolítani az elméletből, nem pedig olyan következtetés, amelyet a megfigyelésekkel kellene ellenőrizni. Soha még a legcsekélyebb lelkesedést sem mutatta a fekete lyukak, akár mint elképzelés, akár mint fizikai lehetőség iránt.”
Ha λ nem zérus, szembe kell néznünk azzal a kérdéssel, hogy megfigyelt értéke miért épp ekkora – miért kisebb tíz sokadik hatványával annál, mint ami a „természetes” értékének tűnik. Mostani kozmikus környezetünk alig változna, ha még ennél is kisebb volna (habár az alább tárgyalandó hosszú távú előrejelzés némileg módosulna). Egy nagy A értéknek azonban katasztrofális következményei lennének: ahelyett, hogy A csak a galaxisok kialakulása után kelne birokra a gravitációval, egy nagyobb A már korábban, még a nagyobb sűrűségű szakaszokban legyőzné a tömegvonzást. Ha λ már a galaxisok összesűrűsödését megelőzően uralkodóvá vált volna a táguló univerzumban, vagy ha a szétszakításukhoz elegendően erős taszítóerőt hozhatna létre, akkor nem létezhetnének galaxisok. Létezésünk megköveteli, hogy λ értéke ne legyen túl nagy.

A hosszútávú jövő

A geológusok a sziklák rétegeiből következtetnek a Föld múltjára; az éghajlatkutatók az Antarktisz jegének egymásra rakódott rétegeibe fúrt lyukakból vett minták alapján térképezik fel az utolsó évmilliók hőmérsékletváltozásait. Ehhez hasonlóan a csillagászok úgy tudják nyomon követni a kozmikus történelmet, hogy különböző távolságokban lévő galaxisokról készítenek „pillanatfelvételeket”: a tőlünk távolabbiakat (nagyobb vöröseltolódásúakat) fejlődésük korábbi szakaszában levőknek tekintik. Az elméleti szakemberek számára kihívást jelent (lásd majd a 8. fejezetben), hogy megértsék a galaxisokat és fejlődésüket, és olyan számítógépes szimulációkat készítsenek, amelyek híven megfelelnek a valóságnak. A legtöbb galaxis mostanra higgadt, érett állapotba került, olyan egyensúlyba, amelyben lelassult az „anyagcseréje”. Kevesebb új csillag keletkezik, kevés bennük a fényesen ragyogó kék csillag. De mit mondhatunk a hosszú távú jövőről? Mi történne, ha visszanéznénk abból a jövőből, amikor az univerzum már tízszer annyi idős, mint ma – nem 10, hanem 100 milliárd éves? Kedvenc feltételezésem (még mielőtt több idevágó bizonyíték lett volna) régebben az volt, hogy a tágulás addigra megáll, és azt egy Nagy Zuttyba torkolló összehúzódás követi, amikor is minden ugyanazt a sorsot éri meg, mint egy fekete lyukba zuhanó űrhajós. Ez esetben univerzumunk folyamatos létezésének időtartama véges, ugyanígy korlátozott térben is. De ehhez a forgatókönyvhöz Ω értékének egynél nagyobbnak kell lennie, szemben az utóbbi években felhalmozódott bizonyítékokkal. Sötét anyag biztosan létezik, de úgy látszik, nem elég ahhoz, hogy a teljes „kritikus sűrűséget” fedezze: Ω egynél kisebbnek tűnik. Ráadásul a λ által leírt kozmikus taszítás még fel is gyorsíthatja univerzumunk tágulását.
Valószínűnek látszik, hogy a tágulás a végtelenségig folytatódik. Nem jósolhatjuk meg, milyen szerepet harcol ki magának az élet a mostantól számított 10 milliárd (vagy még több) év során: lehet, hogy addigra kipusztul, másrészt viszont az is lehetséges, hogy olyan szintre fejlődik, ahol már az egész univerzumot képes befolyásolni, akár még ezt az előrejelzést is érvényteleníteni tudja. Az élettelen univerzum végső sorsát azonban ki tudjuk számítani: még a leglassabban égő csillagok is kihunynak akkorra, és Lokális Csoportunk valamennyi galaxisa – a Tejútrendszer, az Androméda és a kisebb galaxisok tucatjai – egyetlen csillagcsomóvá olvadnak össze. Az eredeti gáz nagy részét halott csillagmaradványok zárják magukba, közülük némelyek fekete lyukká, mások hideg neutroncsillaggá vagy fehér törpévé váltak.
Még távolabbra nézve a jövőbe, olyan folyamatok is érvényesítik jogaikat, amelyek ma még túlzott lassúságuk miatt észrevehetetlenek. Egy jellegzetes galaxisban csillagok összeütközése mérhetetlenül ritka (Napunk szerencséjére), de ezek száma növekedni fog. Galaktikánk elhúzódó végső szakaszát szórványos, erőteljes fellobbanások világítják meg, mindegyik két halott csillag összeütközését jelzi. A gravitációs sugárzás (az Einstein általános relativitáselmélete által megjósolt jelenség) miatt fellépő energiavesztés, ma észrevehetetlenül lassú (kivéve néhány kettős csillagnál, amelyek különösen közel és sebesen keringenek egymás körül). De a gravitációs sugárzásnak a távoli jövőben elegendő ideje lesz ahhoz, hogy minden csillag és bolygó keringését felőrölje. Még az atomok sem fognak örökké élni. Ennek következtében a fehér törpék és a neutroncsillagok felmorzsolódnak alkotórészecskéik bomlása miatt. Egy fekete lyuk felszínét a kvantumos jelenségek egy kissé kifodrozzák, s ennek következtében az sugároz. Mai univerzumunkban ez a hatás túlzott lassúsága miatt nem számottevő, hacsak nem léteznek atomnyi méretű minilyukak. Egy csillag méretű lyuk teljes elbomlásának időtartama 10^66 év; egy milliárd naptömegű lyuknak pedig 10^93 év kellene a teljes elsugárzódáshoz.
Végül, mintegy 10^100 év eltelte után a galaxisok Lokális Csoportjából nem maradna más, mint egy rakás sötét anyag, néhány elektron és pozitron. A Lokális Csoporton túl is valamennyi galaxis hasonló belső bomláson menne át, és még távolabb kerülne tőlünk. De szétfoszlásuk sebessége döntően λ értékétől függene. Ha λ zérus lenne, az egyetemes gravitációs vonzás lelassítaná a válságot: a galaxisok ugyan rendíthetetlenül távolodnának, sebességük (és vöröseltolódásuk) fokozatosan csökkenne, de egészen sohasem érné el a zérusértéket. Ha távoli leszármazottainknak elég hatékony távcsövei lesznek, hogy észleljék a nagy vöröseltolódású galaxisokat, azok halványodása és egyre növekvő távolsága ellenére, akkor valójában többet láthatnak majd, mint amit mi, mostani égboltunkon. Például 100 milliárd év elteltével 100 milliárd fényév távolságba láthatnánk el, és olyan objektumok kerülnének látóterünkbe, amelyek ma messze kívül esnek rajta, mert a róluk induló fénynek még nem volt ideje eljutni hozzánk.
De ha λ nem zérus, akkor a kozmikus taszítás gyorsuló ütemben taszítja szét a galaxisokat. Gyorsabban tűnnek el szemünk elől, mert vöröseltolódásuk nem csökken, hanem nő. Megfigyeléseinket akkor egy olyan látóhatár korlátozná, amely mintegy kifordított változata a fekete lyuk körüli eseményhorizontnak. A fekete lyukba zuhanó tárgyak gyorsulnak, vöröseltolódásuk egyre nagyobbá és nagyobbá válik, a lyuk „felszínéhez” közeledve egyre halványodnak. Egy λ uralta univerzumban a galaxisok gyorsuló ütemben távolodnának tőlünk, s a látóhatárhoz közeledve egyre jobban megközelítenék a fénysebességet. A későbbi jövőben sem látnánk messzebbre, mint ma. Egy idő után (az Andromédát és a lokális Csoportunkhoz gravitációsan kötött kis galaxisokat leszámítva) valamennyi galaxis eltűnne látókörünkből. Távoli jövőjük látóhatárunkon kívülre kerülne, s olyan elérhetetlen lenne számunkra, mint egy fekete lyukban végbemenő esemény. Az idő előrehaladtával az extragalaktikus tér exponenciális ütemben ürülne ki.

8. FEJEZET

Elsődleges „fodrozódások”:
a Q szám

Az univerzum nem teljesen készen született, de fel volt ruházva azzal a képességgel, hogy formátlan anyagból valóban csodálatos szerkezetek és életformák sorát alakítsa ki.

Szent Ágoston

Gravitáció és entrópia

A festészethez vagy a zenéhez hasonlóan, a legmegkapóbb minták a természetben sem teljesen rendezettek és szabályosan ismétlődők, de nem is teljesen véletlenszerűek és megjósolhatatlanok. A körülöttünk látható, bonyolult szerkezetű kozmikus környezet nem tökéletesen rendezett, de nem is esik szét teljesen rendetlen állapotba. A természetben 92-féle atom van ahelyett, hogy csupán a Nagy Bummban keletkezett hidrogén, deutérium és hélium volna benne. Ezek közül egyes atomok ma Földünkön, a bioszféra bonyolult élő szervezeteiben találhatók; mások csillagokban; a többiek pedig az intergalaktikus tér ürességében vannak szétszórva. Mértéktelenül nagyok a hőmérséklet-különbségek is: a csillagok felszíne pokolian forró (közepük még inkább), de a sötét égbolté az „abszolút nulla” hőmérséklethez közelít – a Nagy Bumm mikrohullámú maradványsugárzása mindössze 2,7 K-re (-270 °C-ra melegíti fel.
Ez a bonyolult szövevény, amely egy unalmasan alaktalan tűzgolyóból alakult ki, látszólag megsért egy szent fizikai elvet: a termodinamika második főtételét. Ez a törvény a kiegyenlítődésre, a mintázatok és szerkezetek szétzúzására irányuló kérlelhetetlen törekvést írja le: a forró tárgyak lehűlni, a hidegek fölmelegedni igyekeznek. A tinta és a víz könnyedén keveredik, míg a fordított folyamat – hogy egy sötétlő folyadékból keverés hatására fekete festékcseppé álljon össze – igencsak meghökkentene minket.
A rendezett állapotok összekuszálódnak, és nem fordítva. Szakkifejezéssel: az „entrópia” sohasem csökken. Egy látszólagos helyi csökkenést mindig túlszárnyal egy másutt végbemenő entrópianövekedés. Ennek az elvnek klasszikus példája a gőzgép, amelyben egy dugattyú rendezett mozgását mindig hőveszteség kíséri.
Amikor azonban a gravitáció is szerephez jut, újra kell gondolnunk megérzéseinket. A csillagokat például saját, befelé irányuló tömegvonzásuk tartja egyben. Ezt forró belsejük kifelé irányuló nyomása egyensúlyozza ki. Bármennyire is furcsának tűnik, a csillagok energiavesztés hatására felmelegednek. Tételezzük fel, hogy a Nap középpontjának üzemanyag-utánpótlását elzárjuk. A felszín még fényleni fog, mivel a forróbb centrumból hő diffundál kifelé. Ha ezt a hőt a magfúzió nem termeli újra, az energia elszivárgása miatt a Nap fokozatosan elhalványul (mintegy 10 millió év alatt, mint azt Lord Kelvin a XIX. században felismerte). De ez a folyamat a Nap középső tartományát valójában forróbbá teszi, mint korábban volt. A középpont hőmérsékletének emelkednie kell ahhoz, hogy az ezáltal létrehozott nyomás kiegyensúlyozhassa a megnövekvő vonzóerőt. Valami ehhez hasonló történik, amikor egy mesterséges hold a légkör fékezésének hatására csigavonalban egyre alacsonyabban fekvő pályára süllyed: eközben felmelegszik, de a felszabaduló gravitációs energiának csak a fele fordítódik a melegítésre, a másik fele felgyorsítja a műholdat (közelebbi pályán sebesebb a keringés).
Ezért nem lep meg minket, hogy hideg, poros gázfelhőkből csillagok sűrűsödnek össze. A legsűrűbb tartományok saját tömegvonzásuk hatására összehúzódnak. Úgy összepréselődnek, hogy csillagként fénylenek fel. Hogy ez pontosan miként megy végbe például az Orion-felhőben vagy a Sas-ködben, e folyamat eredményeként hogyan alakul a kis és a nagy csillagok aránya, ma még a legnagyobb számítógépekkel sem számítható ki. (Ezért nem lehetünk biztosak abban sem, mennyi barna törpe járulhat hozzá Galaktikánk sötét anyagához.) De a csillagok keletkezése elvileg nem rejtélyes: ha a tömegvonzás egyszer megragad egy rendszert akkor azt óhatatlanul összehúzza.

A Nagy Bummtól a galaxisokig

A Galaktikankban (és más csillagrendszerekben) levő gázfelhők annyira átforgatódtak és újratermelődtek, hogy eredetükről szinte semmi „emléket” sem őriztek meg. A csillagok keletkezését ezért a tágabb világmindenség nem befolyásolja. De a galaxisok kialakulása kevésbé egyenes vonalú, mint a csillagoké. Gyökereik a korai univerzumba nyúlnak vissza: őket nem csupán az „örökléstan” törvényei alakítják, hanem környezetük is.
Ha az univerzum kezdetben teljesen sima és egyenletes sűrűségű volt, akkor a tágulás során is az maradt volna. 10 milliárd év múltán gyéren szétszórt sötét anyagból, s olyan ritka hidrogén- és héliumgázból állna, amelynek minden köbméterébe egynél kevesebb atom jutna. Hideg és unalmas lenne: nem volnának benne galaxisok, ezért csillagok sem, sem periódusos rendszer, sem bonyolultság, és bizonyára élet sem. De már a kezdeti szakaszokban mutatkozó nagyon kis egyenetlenség is döntő mértékben változtat ezen, hiszen a tágulás során fölerősödnek a sűrűségkülönbségek. Minden, az átlagosnál kicsit sűrűbb csomó tágulása lelassul a többlet-tömegvonzás hatására; tágulása ezért egyre inkább és inkább elmarad az átlagos tartományokétól. (Hasonlóképpen, ha két labdát kicsit eltérő sebességgel dobnánk felfelé, pályájuk kezdetben csupán észrevehetetlen mértékben térne el. A lassúbb labda azonban egyszer csak teljesen megállna, majd visszafelé kezdene zuhanni, miközben a gyorsabb még emelkedne.) Egy csaknem jellegtelen tűzgolyó piciny „fodrozódásait” felerősíti a gravitáció, és addig fokozza a sűrűségkülönbségeket, mígnem a túl sűrűvé vált tartományok tágulása megáll, és azok tömegvonzása által összetartott szerkezetekbe rendeződik.
A világmindenség legfeltűnőbb struktúráit, valamennyi galaxist és galaxishalmazt a tömegvonzás ereje tartja együtt. Azt, hogy mennyire szoros bennük a kötődés – vagy, ami ezzel egyenértékű, mekkora energia kellene a szétszakításukhoz és szétszórásukhoz – teljes „nyugalmi tömeg energiájuk” (mc^2) hányadaként érdemes kifejeznünk. Univerzumunk legnagyobb struktúráiban – a galaxishalmazokban és szuperhalmazokban – ez az arány egy a százezerhez. A két energia hányadosa egy puszta szám, amelyet Q-nak nevezünk.
Az a tény, hogy Q ennyire kicsi (10-5 nagyságrendű), azt jelenti, hogy a tömegvonzás a galaxisokban és galaxishalmazokban valójában meglehetősen gyenge. Newton elmélete ezért elég jól leírja, hogyan mozognak a csillagok a galaxisokban, és milyen pályán kering valamennyi galaxis az összes többi galaxis és a galaxishalmazban levő sötét anyag tömegvonzásának hatására. Q kicsinysége azt is jelenti, hogy univerzumunkat éppen olyan megalapozottan tekinthetjük közel egyenletesnek, ahogyan egy golyóbist is simának és gömb alakúnak tekintenénk, ha felszínén a hullámok vagy fodrozódások sugarának mindössze százezred részét tennék ki. (Egy Föld-méretű golyóbisnál ez csupán 60 méter lenne.)
A fodrozódásoknak már nagyon korán be kellett vésődniük, még azt megelőzően, hogy az univerzum bármit is „tudott” volna a galaxisokról és galaxishalmazokról; a fodrok mérete talán nem is állhatott összefüggésben a galaxisok méretével (vagyis tulajdonképpen semmi olyan kiterjedéssel, amely mai univerzumunkban lényegesnek látszik). A legegyszerűbb volna azt feltételezni, hogy a korai univerzum semmilyen méretet sem részesített előnyben a másikkal szemben, azaz a fodrozódások minden méretben kialakultak. A kezdeti „egyenetlenségek” azután, még az univerzum mikroszkopikus kiterjedésének időszakában valahogy megállapodtak: hogy ez miként történhetett, azt a következő fejezetben taglaljuk. A Q szám döntően fontos univerzumunk szerkezeti „szövetének” meghatározásában, ami egészen másmilyen lenne, ha Q értéke jóval nagyobb, vagy akár jóval kisebb volna.

Fodrozódások a mikrohullámú utánizzásban

Univerzumunk olyan sűrű és átlátszatlan állapotból indult, amilyen egy csillag belsejében izzó gáz. De félmillió évnyi tágulás után a hőmérséklet mintegy 3000 K-re csökkent, hűvösebbre, mint a Nap felszíne. Ahogy az univerzum tovább hűlt, szó szerint belépett a sötétség korszakába. A sötétség mindaddig tartott, amíg az első protogalaxisok ki nem alakultak, és csillagaik ismét világosságot nem gyújtottak. Kideríteni, hogyan ért véget a sötétség korszaka, a következő évtized nagy kihívása a csillagászok számára.
Sok remény fűződik a tervezett „űrtávcsövek új nemzedékéhez” (Next Generation Space Telescope). Ezt a tervek szerint vörös fényre és infravörös sugárzásra érzékeny detektorokkal szerelik fel, és egy 8 méteres tükörrel (szemben a Hubble-űrtávcső 2,4 méteres tükrével).
A mikrohullámú háttérsugárzás magának a Nagy Bummnak az utánizzása, tehát közvetlen üzenet abból az időszakból, amikor a galaxisoknak még csupán a „csírái” léteztek. A kicsit sűrűbb, az átlagosnál lassabban táguló tartományok rendeltetése volt, hogy galaxisokká vagy galaxishalmazokká fejlődjenek, míg a kicsit ritkásabbaké, hogy kiürüljenek. A mikrohullámok hőmérséklete magán viseli ezeknek az ingadozásoknak a nyomait. A várható hatás mintegy százezred résznyi eltérés lehet – lényegében megegyezik azzal a fontos Q számmal, amely a fodrozódások amplitúdóját jellemzi.
Az 1990-es évek kozmológiájának kétségbevonhatatlan diadala volt a kozmikus szerkezetek ezen előfutárainak tényleges feltérképezése. A mikrohullámú háttérsugárzás mintegy százszor gyengébb, mint a Föld felszínének (amelynek hőmérséklete mintegy 300 K-nel magasabb az abszolút nulla foknál) sugárzása. Ijesztően nagy technikai kihívás ennél még százezerszer kisebb különbségeket megmérni. A NASA 1990-ben felbocsátott COBE műholdja páratlanul pontosan igazolta, hogy a mikrohullámok spektruma megegyezik a „fekete test” színképével (lásd az 5. fejezetben). Ez vitte fel magával az első olyan berendezést is, amely elég érzékeny volt ahhoz, hogy kimutassa: bizonyos irányokból picivel forróbb sugárzás érkezik, mint másokból. Végigpásztázta az egész égboltot, és a hőmérsékleteket olyan pontosan mérte meg, hogy abból feltérképezhették az egyenetlenségeket.
Az efféle méréseket legcélszerűbb a világűrben végezni, mert a légkörben levő vízpára a sugárzás egy részét elnyeli. A COBE méréseit magas hegycsúcsokról, az Antarktiszról (ahol a levegő páratartalma alacsony), és léggömbökön repülő felszerelésekkel elvégzett további mérések követték. Ezek az újabb kísérletek az égboltnak csupán egy darabkáját térképezik fel – nem az egész égboltot, mint egy műhold –, de ugyanazt az érzékenységet összehasonlíthatatlanul kisebb költséggel érik el.
A következő nagy előrelépés azonban két űrszondától várható, amelyeket a COBE-nél sokkal fejlettebb és érzékenyebb érzékelőkkel látnak el: a NASA Mikrohullámú Anizotrópia Szondájától (Microwave Anisotropy Probe, MAP) és az Európai Űrkutatási Szervezet (ESA) Planck/Surveyor nevű mesterséges holdjától. Ezek néhány éven belül annyira pontos adatokat szolgáltatnak majd a kezdeti univerzum különféle méretű „egyenetlenségeiről”, hogy azok alapján majd válaszolhatunk a galaxisok keletkezésére vonatkozó kulcsfontosságú kérdésekre. A mikrohullámú háttérsugárzás igen sok információt hordoz az univerzum nagyon korai időszakáról. Így például segíthet Ω és λ, de ugyanígy Q értékének meghatározásában is.
Az, hogy a kozmikus háttérsugárzás hőmérsékletében százezred résznyi egyenetlenségeket találtak, nem annyira meglepetést, mint inkább megkönnyebbülést váltott ki. Ha a mikrohullámú háttér egy ennél „simább” korai univerzumra engedett volna következtetni, akkor a mai univerzumban levő galaxishalmazok és szuperhalmazok létezése rejtély volna: keletkezésükhöz a tömegvonzás mellett olyan további erőhatásra lett volna szükség, amely a sűrűségkülönbségeket még gyorsabban növelte volna.
De az a tény, hogy Q csupán 1/100 000, univerzumunk egyik legfigyelemreméltóbb vonása. Ha felszednénk egy szikladarabot, amely 1/100 000 rész pontossággal gömb alakú volna, nem azon csodálkoznánk, hogy ugyan mi okozta rajta a kisebb egyenetlenségeket, de sokkal inkább zavarba ejtene minket átfogó simasága. Ennek megmagyarázására a 9. fejezetben leírt „infláció” a legjobb elméletünk, és a hőmérséklet-ingadozások a legjobb próbái ezeknek az elképzeléseknek.

„Virtuális” univerzumok fejlődése

Amikor az univerzum egymillió éves volt, még minden csaknem egyenletesen tágult. Hogyan sűrűsödtek össze benne a szerkezetek, hogyan fejlődtek azzá a kozmikus színtérré, amelyet ma megfigyelhetünk? Manapság számítógéppel „virtuális” univerzumokat is tanulmányozhatunk. A szimuláció kezdetén az anyag tágul, de nem teljesen egyenletesen, mert a kezdeti feltételekbe Q egy kiválasztott értékének megfelelő egyenetlenségeket táplálunk be.
A tömegvonzást elsődlegesen befolyásoló tömeg a sötét anyag: a korai univerzumból fennmaradt részecskék, amelyek talán sohasem ütköztek egymással, de amelyekre hat a gravitáció. Ha egyre nagyobb és nagyobb térfogatokra átlagolunk, a korai univerzum egyre simábbnak tűnik.[16] Vagyis ha a tömegvonzás volt az egyetlen lényeges erőhatás, akkor a sűrűsödés először kis méretekben indult meg. A kozmikus szerkezetek lépcsőzetesen, alulról felfelé alakultak ki. A sötét anyag először galaxisnál kisebb méretű csomókba sűrűsödött, majd ezek galaxis méretű objektumokká olvadtak össze, amelyek aztán halmazokká csoportosultak. Nagyobb méretekben a tömegvonzásnak hosszabb időre volt szüksége a tágulás megfordításához.
De ez a lépcsőzetes csoportosulás önmagában egy sötét és meddő univerzumhoz vezet. Az univerzum „erjesztői” az atomok. Együttes tömegük jóval kisebb, mint a sötét anyagé: ezért tétlenül lebegnek, gyér gázt alkotnak, amely „érzi” a sötét anyag tömegvonzását. De mindaz, amit ma látunk, ezen az atom-gázon múlik.
A gáz sokkal bonyolultabb módon viselkedik, mint a sötét anyag, mivel nem a tömegvonzás az egyedüli erő, amely hatással van rá. A gáz „érzi” a tömegvonzást, de egyúttal nyomást is kifejt. Ez a nyomás menti meg a gázt attól, hogy a tömegvonzás nagyon kis „sötét” anyagcsomókká húzza össze, de egymillió naptömegnél nagyobb méretekben a tömegvonzás győzedelmeskedik. Ennek következtében az első gázból összesűrűsödő objektumok – amelyek az „első fényeket” adják, véget vetvén a kozmikus sötétség korszakának – milliószor nehezebbek, mint a csillagok. A számítógépes programok, amelyeket a gáz mozgásának nyomon követésére használnak, hasonlók azokhoz, amelyekkel a repülőmérnökök tanulmányozzák a szárnyak körül és a turbinákban kialakuló áramlásokat. Az efféle számításokat elég megbízhatónak tekintik ahhoz, hogy helyettesíthessék velük a szélcsatornás vizsgálatokat; de még így leegyszerűsítve is sokkal nehezebb kiszámítani, hogy mi történik egy ilyen összeroppanó felhő belsejében. Eddig még senkinek sem sikerült olyan szimulációt lefuttatnia, amely egyetlen felhőből indul ki, és egy csillagpopuláció létrejöttével fejeződik be. Egymilliónyi naptömeget tartalmazó gáz millió, a Naphoz hasonló különálló csillagra, vagy kevesebb nagyobb tömegű objektumra szakadozhat. De akár egyetlen darabban is maradhat, egyetlen szupercsillaggá vagy kvazárrá húzódhat össze.
Ezek az első objektumok akkor jöhettek létre, amikor az univerzum mindössze néhány százmillió éves volt – ami néhány százaléka jelenlegi életkorának. Amikorra az univerzum 1 milliárd éves lett, már galaxis méretű szerkezetek épülhettek fel, mindegyiket csillagok alkották, amelyeket nem csupán saját tömegvonzásuk tartott együtt, hanem a sötét anyagé is, amely tízszer nagyobb mennyiségben (tízszerte nagyobb tömeggel) „rajzott” körülöttük. A gáz továbbra is befelé zuhant ezekbe a sűrűsödésekbe és egyre inkább lehűlt. Ha perdülete van, a gáz koronggá lapul, és csillagokba sűrűsödik. Elkezdődik az az újratermelési folyamat, amely előállítja és szétszórja a periódusos rendszer elemeit.
Számítógépes szimulációk, amelyek ezeknek a folyamatoknak a főbb körvonalait mutatják, filmként levetíthetők: univerzumunk tágulása és a galaxisok kialakulása tíznek a tizenhatodik hatványával gyorsabban pörög a filmen, mint ahogy a valóságban végbement! A 8.1. ábra hat filmkockát mutat egy ilyen szimulációból.

8.1. ábra
Táguló univerzumban a szerkezetek kialakulását modellező számítógépes szimuláció hat képkockája. A képek az általános tágulás figyelembevételével készültek, következésképpen az egyes kockák azonos méretűek. Kiinduláskor a kezdetleges szerkezetek alig észrevehető egyenetlenségek. A tágulás során a sűrűbb tartományok egyre jobban és jobban hátramaradnak. A sűrűségkülönbségek addig nőnek, míg végül gravitációsan kötött szerkezetekké csomósodnak. Ezeknek a szerkezeteknek az összeolvadásából jönnek létre a galaxisok saját létünk nélkülözhetetlen előfeltételei

Csakúgy, mint az egyes galaxisok, a galaxishalmazok és szuperhalmazok is gravitációs felhalmozódással jönnek létre. Az újonnan kialakult galaxisok még nem oszlottak szét teljesen egyenletesen – egyes helyeken egy picivel több volt belőlük, mint másutt. Ahogy a tágulás folytatódott, a többlettömeget tartalmazó tartományok lelassultak, ezért ezekben végül a galaxisok az átlagosnál nyilvánvalóan sűrűbben rendeződtek el.[17]
Hogyan ellenőrizhető, hogy vajon egy virtuális univerzum valóban pontosan hasonlít-e valóságos világunkhoz? A szimulációnak vissza kell tükröznie a galaxisok ma megfigyelhető tulajdonságait (jellegzetes méreteit és formáit, az elliptikus és a korong alakú galaxisok viszonylagos részarányát) és a halmazokba tömörülés módját. De ennél többet is kell tudnia: meg kell felelnie azoknak a „pillanatfelvételeknek”, amelyek azt mutatják, milyenek voltak a galaxisok és hogyan alkottak halmazokat a korábbi időkben.
Mint már tárgyaltuk, a legtávolabbi galaxisokból ma hozzánk érkező fény (amelyet majd a távcsövek új nemzedéke észlel és elemez) akkor indult el, amikor azok éppen hogy kialakultak. És másnak látszanak, mint a mostani galaxisok. Még egyik sem állapodott meg folyamatosan forgó korongként, a bennük lévő gáznak még csupán kis hányada alakult csillagokká. Legtöbbjük kicsi: egymást követő egybeolvadások és az uralkodó galaxisok kisebbeket elnyelő kannibalizmusa szükséges a ma látható nagy galaxisok felépüléséhez.
A korai csillagképződés melléktermékeként valami sokkal érdekesebb is történik. A gáz egy része leülepedik egy sötétanyag-részecskeraj közepén, saját tömegvonzásának hatására összehúzódik, és felépít egy, az átlagos csillagoknál milliószor nehezebb „szupercsillagot”. Egy ilyen hatalmas objektum olyan fényesen ragyog, hogy nukleáris üzemanyaga hamar elfogy: életét azonban nem szétrobbanásban, hanem fekete lyukká való összeomlásban fejezi be. Így, ha egyszer a galaxisok kialakulása megindult, a teret „kilyuggatják” ezek a fekete lyukak. A továbbra is feléjük zuhanó gáz akkora energiát szabadít fel, amely túlragyogja a galaxis fennmaradó részét.
Ezeket az objektumokat nevezik „kvazár”-nak, vagy „aktív galaxismag”-nak. Ezek két okból is érdekesek. Először, mert fényesebben ragyognak, mint a galaxis maga, és ezért felhasználhatók az univerzum távoli tájainak kifürkészésére. A kvazár fényének spektruma a látóvonal mentén fekvő gázfelhőkről árulkodik, és a deutérium mennyiségének megállapításához a legjobb tanúbizonyságot adja – ez, mint láttuk, a Nagy Bumm elméletének egyik fontos próbája. Másrészt lehetővé teszik Einstein általános relativitáselméletének döntő ellenőrzését is. A kvazárok kisugározta energia egy fekete lyukhoz nagyon közel örvénylő anyagtól származik, talán magától a forgó fekete lyuktól. Nincs igazán esélyünk arra, hogy erről az áramlásról tényleges képet kapjunk – ez még nagyobb kihívás, mint lefényképezni egy Föld-méretű bolygót egy idegen csillag körül – de az általa kibocsátott sugárzás az erős gravitáció miatt vöröseltolódást szenved (amely természetesen hozzáadódik a szokásos kozmológiai vöröseltolódáshoz). Nagy Doppler-eltolódás adódik a fekete lyukhoz közel örvénylő gáz nagy sebességéből is (a távolodó oldalon vörös, a másik, közeledő oldalon kék). A kikövetkeztetett mozgások és gravitációs terek alapján ellenőrizhetjük, vajon a fekete lyukak valóban pontosan olyan tulajdonságúak-e, mint ahogy azt Einstein elmélete jósolja.

Mennyit jósolhatunk meg?

Ha valakinek mindössze egyetlen mondatban kellene felelnie arra a kérdésre, hogy „Mi történt a Nagy Bumm óta?”, a legjobb válasz az volna, ha – mély lélegzetet véve – ezt mondaná: „A kezdetektől fogva mindvégig a gravitáció alakította ki a kozmikus szerkezeteket, felnövelte a hőmérséklet-különbségeket, amelyek előfeltételei voltak annak, hogy létrejöhessen mindaz a bonyolultság, amely 10 milliárd év eltelte után körülvesz bennünket, és amelynek mi is részei vagyunk.”
Ha egyszer kialakul egy olyan struktúra, amely elég nagytömegű ahhoz, hogy a saját tömegvonzása képes összetartani, az egyensúlytól való eltérések növekednek. Univerzumunk így fejlődött egy ősi, egyenletesen forró tűzgolyóból olyan szerkezetű állapotba, amelyben nagyon forró csillagok sugároznak nagyon hideg, üres térbe. Ez képezi az egyre bonyolultabb kozmikus fejlődésnek és az élet kialakulásának színterét. Az egyes csillagok fejlődésük során egyre sűrűbbek lesznek (némelyek neutroncsillagként vagy fekete lyukként végzik), miközben az anyag általában egyre gyérebben oszlik szét. Mindez a bonyolultság annak az eseményláncnak a következménye, amelyet a kozmológusok egy csaknem teljesen szerkezet nélküli, ultrasűrű ősanyagig tudnak visszakövetni.
A kozmikus struktúrák kialakulására vonatkozó nézeteink olyanfélék, mint egy másik átfogó elmélet, a biológiai evolúcióra vonatkozó darwini elképzelés. És ugyanúgy, mint a darwini elméletben, itt is rejtély, hogyan indult el ez az egész folyamat: a Q meghatározásához vezető út (talán mikroszkopikus rezgések a nagyon korai univerzumban) még mindig éppen olyan áttekinthetetlen, mint a Földön élő első szervezetek eredete. Egy lényeges tekintetben azonban a kozmológia egyszerűbb: ha egyszer a kiindulási pontot előírtuk, akkor a következmények széles körben megjósolhatók. Az univerzum valamennyi nagyobb darabja, amely azonos állapotból indult, statisztikailag hasonló módon végzi. Ezzel ellentétben a biológiai evolúció fő iránya érzékeny a „balesetekre” (éghajlatváltozásokra, kisbolygók becsapódására, járványokra és így tovább), ezért ha újra indíthatnánk a Föld történetét, talán egészen másfajta bioszférát kapnánk.
Ezért olyan fontosak a struktúrák kialakulásának számítógépes szimulációi. A galaxisok és galaxishalmazok a kezdeti egyenetlenségekből fejlődtek ki a tömegvonzás hatására. Nem próbáljuk megmagyarázni a mintázat részleteit, csupán a statisztikát – ahogy egy óceánkutató is a hullámok statisztikáját akarja megérteni, nem pedig egyetlen, sajátságos időben és helyen készült pillanatfelvételen látható, egyedi hullám részleteit.
A kiindulópont egy táguló univerzum, amelyet Ω, λ és Q értéke jellemez. Az eredmény érzékenyen függ ettől a három kulcsszámtól, amelyek már be voltak vésve a nagyon korai univerzumba (noha még nem tudjuk biztosan, hogyan).

Q behangolása

A galaxisok, galaxishalmazok és szuperhalmazok kialakulása nyilvánvalóan megköveteli, hogy az univerzumban legyen elegendő sötét anyag és atom. Ω értéke nem lehet túl kicsi: egy olyan univerzumban, amely a sugárzás mellett csak nagyon kevés más anyagot tartalmaz, a tömegvonzás sohasem diadalmaskodhatott volna. És λ sem lehet olyan nagy, hogy a kozmikus taszítás még a galaxisok kialakulása előtt legyőzze a tömegvonzást. Elengedhetetlen, hogy a kezdetben szétszórt gázban legyen elegendő közönséges atom, amely felépítheti valamennyi galaxis valamennyi csillagát. De láttuk, hogy még valami másra is szükség van, nevezetesen kezdeti egyenetlenségekre, amelyek a szerkezetek növekedésének „csírái” lehetnek. A Q szám ezeknek az egyenetlenségeknek, vagy „fodrozódásoknak” az amplitúdóját adja meg. Még mindig rejtély, hogy Q értéke miért 10-5. De ez az érték döntő fontosságú: ha sokkal kisebb vagy nagyobb volna, az univerzum „szövete” egészen másmilyen lenne, kevésbé kedvezne az életformák kialakulásának.
Ha Q 10-5-nél kisebb lenne, de a többi kozmikus szám változatlan, akkor a sötét anyag felhalmozódása hosszabb ideig tartana, kisebb és lazább eredményre vezetne. Az ebből származó galaxisok erőtlen szerkezetek volnának, amelyekben a csillagképződés lassú és elégtelen, a „legyártott” csillaganyag inkább kidobódnék a galaxisból, mintsem új csillagokba épülne be, amelyek bolygórendszereket hozhatnának létre. Ha Q 10-6-nál is kisebb volna, a gáz sohasem sűrűsödhetne össze gravitációsan kötött szerkezetekké, és egy ilyen univerzum mindörökre sötét és jellegtelen maradna, még akkor is, ha kezdetben az atomok, a sötét anyag és a sugárzás „keveréke” pontosan megegyezne a mienkével.
Másfelől, egy univerzum, amelyben Q lényegesen nagyobb 10-5-nél – ahol a kezdeti finom „fodrok” helyett nagy amplitúdójú hullámok lennének – féktelenül vad és viharos világ volna. Már történetének korai szakaszában a galaxisoknál jóval nagyobb szerkezetek alakulnának ki benne. Ezek nem tudnának csillagokra széttöredezni, inkább óriási fekete lyukakká fejlődnének, amelyek mindegyike nehezebb volna, mint a mi univerzumunk galaxishalmazai. Minden megmaradó gáz olyan forróvá válna, hogy erőteljes röntgen- és gammasugárzást bocsátana ki. A galaxisok (ha egyáltalán kialakulnának) sokkal szorosabban kötöttek lennének, mint a mi univerzumunk mostani galaxisai. A csillagok túl közel lennének, túl gyakran ütköznének egymással, ezért stabil bolygórendszer sem maradhatna meg körülöttük. (Hasonló okokból nem maradhatnak fenn bolygórendszerek saját Galaktikánk középpontjának közelében, ahol a csillagok sokkal sűrűbben fordulnak elő, mint a mi kevésbé központi helyzetünkben.)
Az a tény, hogy Q történetesen éppen 1/100 000, a kozmológusok számára is sokkal könnyebben érthetővé teszi univerzumunkat, mintha Q nagyobb lenne. Egy kis Q érték azt szavatolja, hogy valamennyi struktúra kicsi horizontunk méretéhez képest, és így látóterünk elég nagy ahhoz, hogy sok független mezőt foglaljon magába, amelyek mindegyike elég nagy ahhoz, hogy mintadarabként szolgáljon. Ha Q sokkal nagyobb volna, maguk a szuperhalmazok is akkora szerkezetekké csoportosulnának, amelyek keresztülívelnek az egész szemhatáron (ahelyett, hogy mint a mi univerzumunkban, annak nagyjából 1 százalékára terjednének ki).
Nem volna értelme megfigyelhető univerzumunk átlagos, „kisimított” tulajdonságairól beszélni; még csak értelmezni sem tudnák Ω-hoz hasonló számokat.
Q kicsinysége, (ami nélkül a kozmológusok képtelenek volnának előrelépni) mindmostanáig örvendetes véletlennek tűnt. Csak most kezdjük felismerni, hogy ez nem csupán a kozmológusok számára kínál páratlan lehetőséget, hanem ennek az egyszerűsítő vonásnak a hiányában az élet sem fejlődhetett volna ki univerzumunkban.

9. FEJEZET

Kozmikus lakóhelyünk III:
mi van a látóhatárunkon túl?

A világ kétségtelenül elkészült, nem időben, hanem az idővel együtt. Ami az időben készül, az bizonyos idő után és előtt készül – az után, ami a múlt, és az előtt, ami a jövő. De egyáltalán nem létezhetett múlt, mivel nem volt olyan teremtmény, akinek a mozdulataival az idő tartama mérhető lett volna. De az idővel egyidejűleg a világ is elkészült.

Szent Ágoston

Mennyire hihető a Nagy Bumm története?

A Nagy Bumm elmélete túlélt már több mint harminc veszedelmes évet. Ha a dolgok kicsit is másként alakulnak, számos kísérlet megdönthette volna. Íme, öt közülük:

• A csillagászok felfedezhettek volna egy olyan objektumot, amelyben a hélium gyakorisága zérus, vagy legalábbis jóval alatta marad a hidrogénhez képest várt 23 százaléknak. Ez végzetes lehetett volna, mivel a hidrogén fúziója a csillagokban a hélium gyakoriságát könnyedén a galaxisok előtti gyakoriság fölé emelheti, de nincs mód arra, hogy a hélium visszaalakuljon hidrogénné.

• A COBE által oly pontosan megmért háttérsugárzásról kiderülhetett volna, hogy spektruma a várakozásoktól eltérően különbözik a „fekete test” hőmérsékleti sugárzásának színképétől.[18]

• A fizikusok felfedezhettek volna valamit a neutrínókkal kapcsolatban, ami összeférhetetlen a Nagy Bumm-mal. A „tűzgolyóban” a neutrínók száma sokszorosan túlszárnyalja az atomokét, milliárdszorosan, akárcsak a fotonoké. Ha mármost mindegyik neutrínó csupán milliomod annyit nyomna, mint egy atom, akkor összességükben túlságosan sokkal járulnának hozzá a jelen univerzum tömegéhez – még annál is többel, mint amennyi a sötét anyagban rejtőzködhet. Mint a 6. fejezetben tárgyaltuk, a tényleges neutrínótömegek (ha nem zérusok) túl kicsinek tűnnek ahhoz, hogy megzavarják az elméletet. De kiderülhetett volna, hogy nagyobbak...

• A deutérium gyakorisága eltérhetett volna attól a mennyiségtől, amennyi a várakozások szerint a Nagy Bummból fennmaradhatott.

• Az égbolton megfigyelhető hőmérséklet-ingadozások olyan Q értékre utalhattak volna, amely összeférhetetlen az univerzum mai szerkezetéből adódó értékkel, nem pedig olyanra, amit a 8. fejezetben tárgyaltunk: az 1/100 000-es értékre.

A Nagy Bumm elmélete túlélte ezeket a próbákat. Kiérdemelte, hogy megalapozottnak tekintsük univerzumunk sorsának visszafelé követését időben a tágulás első másodpercéig (amikor a hélium elkezdett kialakulni), s legalább annyira komolyan vegyük, mint például a sziklákból és az ősmaradványokból Földünk őstörténetére vonatkozó bizonyítékokat, amelyek legalább ennyire közvetettek (és sokkal kevésbé tételesek).
Talán elmélyíthetjük tudásunkat, és még akár meg is „magyarázhatjuk” a döntően fontos kozmikus számokat, ha időben még visszább merészkedünk – nem csupán az első másodpercig, hanem azon belül is.
Valamennyivel bizonyára közelebb mehetünk a Nagy Bummhoz, de nem sokkal. Az első ezredmásodperc fizikájának tekintetében meglehetősen nagy a bizonytalanság, mivel akkor a mindenség anyaga sűrűbb lehetett, mint egy neutroncsillag. A nagyon sűrű és forró állapotok mikroszkopikus méretekben utánozhatók kísérletekben, amikor nagyon nagy energiájú részecskéket ütköztetnek egymással. De határai vannak annak, hogy ez a technika milyen messzire vezethet el. Még a genfi CERN-ben épített óriási Nagy Hadron Ütköztető sem éri el azt az energiát, amellyel valamennyi részecske rendelkezhetett az első 10-14 másodpercben. Univerzumunk számos kulcsfontosságú vonása akkor rögzülhetett, amikor a kozmikus óra még csak 10-35 másodpercet mutatott, vagy akár még ennél is kevesebbet. Ebben az összefüggésben az univerzum életkorának kozmikus óráján minden tizedes számjegy (mindegyik egy további, a tizedespontot követő nulla) valószínűleg egyformán eseménydús lehetett, és egyformán számításba veendő. 10-14 másodpercről 10-35 másodpercre nagyobb a visszaugrás az időben (hiszen tíz több hatványát íveli át), mint az az időtartam, amely a hélium kialakulásának 3 percétől (a Nagy Bumm utáni 200 másodperctől) mostanáig (3xl0^17 másodpercig, vagy 10 milliárd évig) terjed. Ilyen távlatból nézve a még korábbi időszakokban nagyon sok minden történhetett.

9.1. ábra
Univerzumunk tágulásának néhány kulcsfontosságú lépcsőfoka időrendben

A mikrovilág egységesítése

A kezdet kezdetén a világmindenség és a mikrovilág rejtélyei átfedték egymást. Ezeknek a titkoknak úgy hatolhatunk a mélyére, ha a nagy méretekben uralkodó erőt, a gravitációt, kapcsolatba hozzuk az egyes részecskéket irányító erőkkel. Ez még befejezetlen ügy. De az atom alatti világ különféle részecskéi és erői már kezdenek egy mintázattá kirajzolódni.
A XIX. század hajnalán Michael Faraday felismerte, hogy az elektromosság és a mágnesség szoros kapcsolatban van egymással: egy mozgó mágnes elektromos áramokat kelt; s megfordítva, egy mozgó elektromos töltés mágneses mezőt hoz létre. Ezen az elven alapul az elektromos motorok és a dinamók működése. 1864-ben James Clark Maxwell foglalta egybe Faraday felfedezéseit nevezetes egyenletrendszerében, amely kifejezi, hogy egy változó elektromos mező hogyan kelt mágneses mezőt, és viszont. Üres térben ezeknek az egyenleteknek vannak olyan megoldásai, amelyekben az elektromos és mágneses mezők hullámzanak. A fény az elektromos és mágneses mező hulláma (akárcsak a rádióhullámok, a röntgensugarak, és az összes többi, amelyeket ma az elektromágneses színképbe sorolunk).
Így csak két különböző erő maradt: az elektromágnesség (amelyet egyetlen erőnek tekintünk) és a tömegvonzás. Már Faraday is vágyott a tömegvonzás és az elektromágnesség egyesítésére, de felismerte, hogy ez még korai célkitűzés. Száz évvel később Einstein annak szentelte utolsó éveit, hogy mély összefüggést keressen e két erő között. Most már látjuk, hogy kudarcra volt ítélve, mert akkoriban még semmit sem tudhatott sem az atommag belsejében uralkodó rövid hatótávolságú erőkről – az „erős” magerőről, amely az atommagban a protonokat és a neutronokat együtt tartja (és megőrzi azok számát) – sem a „gyenge” erőhatásról, amely a radioaktív bétabomlas és a neutrínók szempontjából fontos. Egyik legkiválóbb életrajzírójának, a fizikus Abraham Paisnak kissé nyers megfogalmazása szerint Einstein „ezzel az erővel akár horgászhatott is volna” életének utolsó harminc évében.
A jelen kihívás négy erő egyesítése: azé a háromé, amelyek a mikrovilágot kormányozzák – az elektromágnesség, a magerő és a „gyenge” kölcsönhatás –, továbbá a gravitációs erőé. Az első haladó lépéseket ebbe az irányba az amerikai Sheldon Glashow és Steven Weinberg, a holland Gerard t'Hooft és a pakisztáni Abdus Salam tette meg. Munkájuk eredményeként megmutatták, az elektromos és mágneses erők (amelyeket Maxwell egyesített) maguk is kapcsolódnak egy látszólag egészen másfajta erőhöz – az úgynevezett „gyenge” kölcsönhatáshoz, amely a béta-radioaktivitás és a neutrínók szempontjából fontos. Ezek az erők az univerzum nagyon korai szakaszában egyformák lehettek: csak akkor öltöttek önálló arculatot, amikor az univerzum egy kritikus hőmérséklet, nagyjából 10^15 K alá hűlt (ez akkor történt, amikor 10-12 másodperces volt). A legnagyobb gyorsítók már utánozni tudják ezeket a hőmérsékleteket. Salam és Weinberg munkáját igazolta, amikor a CERN-ben felfedezték az általuk megjósolt új részecskéket.
Az 1950-es és 1960-as években olyan sok újfajta részecskét fedeztek fel (a már ismert elektronok, neutronok és protonok kiegészítéseképpen), hogy félő volt: a részecskefizika a bélyeggyűjtéshez válhat hasonlatossá. De szabályszerűségeket érzékeltek; a szubatomi részecskék „családokba” csoportosíthatók, meglehetősen hasonlóan ahhoz, ahogy az atomok a periódusos rendszerben sorokba („periódusokba”) és „oszlopokba” rendeződnek. 1964-ben két amerikai elméleti fizikus, Murray Gell-Mann és George Zweig bevezette a „kvarkmodellt”. A kvarkok töltése az elektronénak 1/3 vagy 2/3 része. Ennek kísérleti megerősítését Jerome Friedman, Henry Kendall és Richard Taylor adta meg, akik a frissen felavatott Stanfordi Lineáris Gyorsítóban elektronokkal bombáztak protonokat. Azt találták, hogy az elektronok úgy szóródtak, mintha a protonok mindegyike három „ponttöltésből” állna, amelyek rendre a teljes töltés 2/3, 2/3 és -1/3 részét hordoznák. A „kvarkmodell” egyik, hatodik érzékünket sértő vonása azonban, hogy elszigetelt kvarkot sohasem lehet elkülöníteni, jóllehet a proton belsejében a kvarkok úgy viselkednek, mintha csaknem szabadok volnának. (Csődöt mondott minden olyan kísérlet, amely tört töltésű részecskéket próbált kimutatni.) Az 1970-es évek végére a részecskék „állatkertjének” nagy részét kilencfajta kvarkkal sikerült megmagyarázni.
Az úgynevezett „standard modell”, amelyet az 1970-es években dolgoztak ki, megkapó rendet teremtett a mikrovilágban. Az elektromágneses és a „gyenge” erőket egyesítették; az erős magerők voltaképp a kvarkok közt hatnak, amelyeket másfajta részecskék, az úgynevezett „gluonok” tartanak együtt. De ezt senki sem tekinti végső szónak: az elemi részecskék száma még így is zavarba ejtően nagy maradt, az egyenletekben még mindig szerepeltek olyan számok, amelyeket csak kísérletileg lehetett meghatározni, nem lehetett őket az elméletből levezetni.
Különösen zavaró volt, hogy a „gluon” értelmezés nem rögzítette a nukleáris kölcsönhatások erősségét, holott az egyik kulcsfontosságú alapszámunkban, az ε = 0,007 értékben is jelentkezik.
Az elektromágneses és gyenge kölcsönhatások egyesítése után a következő cél az erős kölcsönhatások beolvasztása, ezáltal a mikrovilágot uraló valamennyi erőhatás úgynevezett „nagyszabású egyesítésének” (grand unified theory, GUT) megalkotása. (Jóllehet ezek még mindig nem volnának elég nagyok ahhoz, hogy magukba foglalják a gravitációt is, mert az még nagyobb kihívást jelent). A dolog bökkenője, hogy a nagyszabású egyesítés az elképzelések szerint csak 10^28 K hőmérsékleten jut szerephez. Ez millió milliószor nagyobb, mint ami kísérletileg jelenleg elérhető – és a szükséges energia eléréséhez Naprendszerünknél is nagyobb gyorsító kellene. Emiatt ezeket az elméleteket a Földön nehéz lesz ellenőrizni.
A nagyszabású egyesítés jellegzetes következményei kisenergiájú világunkban csak nyomokban mutatkoznak: például a protonok – valamennyi csillag és bolygó fő alkotóelemei – nagyon lassan elbomlanának –, ez a hatás a távoli jövőben válhat fontossá, de most nincs jelentősége. Az első 10-35 másodpercben azonban minden forróbb volt 10^28 K-nél. Talán a korai univerzum volt az egyetlen, amely az erők egyesüléséhez nélkülözhetetlen hőmérsékletet elérte. Ez a „kísérlet” több mint 10 milliárd éve lezárult, de vajon hagyott-e olyan maradványokat maga után, mint például a hélium, amelynek túlnyomó része az univerzum első néhány percéről tanúskodik. Úgy tűnik igen: valójában az, hogy az anyag előnyben részesült az antianyaggal szemben (amint a 6. fejezetben tárgyaltuk), ebben a nagyon korai időszakban rögzülhetett. Még ennél is fontosabb, hogy az univerzum óriási kiterjedését, egyáltalán a tágulás tényét azok a rövid kezdeti pillanatok szabhatták meg.

Az „inflációs” elképzelés

Az univerzummal kapcsolatban két alapvető kérdést tehetünk fel: „Miért tágul?” és „Miért olyan nagy?”. Ki tudjuk nyomozni, hogy mi történik a tágulás során, és ezt időben visszafelé kiterjeszthetjük az első néhány másodpercre (mindezt hitelesíthetjük a hélium és a deutérium gyakoriságával). De az úgynevezett Nagy Bummelmélet valójában annak a (meglehetősen sikeres) leírása, ami a Nagy Bumm után történt. Semmit sem mond arról, hogy mi indította el a tágulást. Egy másik rejtély: „Miért van az, hogy az univerzum átfogóan egyenletes, aminek köszönhetően a kozmológia könnyen kezelhető, miközben mégis lehetővé teszi galaxisok, galaxishalmazok és szuperhalmazok kialakulását?” És még tovább: „Mi véste be magukat a fizikai törvényeket?”
Az egyik alapvető rejtély (amit a 6. fejezetben tárgyaltunk), hogy univerzumunk miért tágul még 10 milliárd év után is, egy, az egységtől csak alig különböző Ω értékkel. Univerzumunk nem omlott már hosszú idővel ezelőtt össze, és nem tágul olyan gyorsan, hogy mozgási energiája tíz sokadik hatványával túlszárnyalná a tömegvonzás hatását. Ez megköveteli, hogy a korai univerzumban Ω értékének behangolása bámulatosan közel legyen az egységhez. Mi indította el a mindenség tágulását ilyen különleges módon? Miért van az, hogy amikor ellentétes irányokban fekvő távoli tartományokat figyelünk meg, azok teljesen hasonlónak látszanak? Vagy miért szinte azonos a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás hőmérséklete a teljes égbolton?
Ezek a rejtélyek akkor oldódnak meg, ha bebizonyosodik, hogy jelenlegi univerzumunk összes része nagyon szorosan összeigazodott és összerendeződött, ezután hirtelen gyorsulva széttágult. Ez a „felfúvódó (inflációs) univerzum” elméletének alapfeltételezése. Az (akkoriban) fiatal amerikai fizikus, Alan Guth 1981-ben állt elő ezzel az ötlettel. Mint az a tudományban gyakorta megesik, több előfutára is volt, főleg a szovjet Alex Starobinszkij és Andrej Linde, továbbá a japán Katsumoto Sato elméletei, de Guth tette az érvelést annyira átláthatóvá, hogy legtöbbünket sikerült meggyőznie: a korai infláció valóban mély bepillantást enged a kezdetekbe. Könyve, A felfúvódó univerzum[19] beszámol a „heuréka pillanatról”, amikor az ötlet derengeni kezdett benne, és arról, hogy elméleti szakemberek lelkes csapata hogyan vitatta meg és fejlesztette azt tovább. (Guth egyúttal őszinte, szociológiai jellegű bepillantást enged az amerikai akadémiai színtérre egy fiatal kutató szemszögéből, aki helyet keres magának a túlnépesedett szakmában.)
A „felfúvódó univerzum” elméletének megfelelően univerzumunk nagy kiterjedésének, továbbá a tömegvonzás és a tágulás szoros kiegyensúlyozottságának oka egy olyan figyelemre méltó eseményben rejlik, amely nagyon korán ment végbe, amikor egész megfigyelhető univerzumunk még szó szerint mikroszkopikus méretű volt. Az akkor érvényesülő óriási nyomáson működésbe lépett egy „kozmikus taszítás”, meglehetősen hasonló ahhoz, ami egy hatalmas λ esetén jelentkezne, s ez maga alá gyűrte a gravitációt. Ez a tágulást „felpörgette”, és féktelen gyorsuláshoz vezetett, ennek során a pici univerzumcsíra felfúvódott, homogenizálódott, a gravitációs és a mozgási energia között „finoman behangolt” egyensúly épült ki.
A feltételezés szerint mindez a Nagy Bummot követő 10-35 másodperc alatt ment végbe! Az akkori feltételek messze túl vannak azon, amit kísérletileg ellenőrizni tudunk, a részletek ezért elméleti jellegűek. Mindazonáltal tehetünk olyan feltételezéseket, amelyek összhangban állnak más fizikai elméletekkel, és mindazzal, amit a későbbi univerzumról tudunk.
Az „inflációs” elmélet mögött álló elképzelés azért ellenállhatatlanul vonzó, mert szemléletesen rávilágít arra, miként fejlődhetett ki egy hatalmas univerzum egy parányi „csírából”. Ennek szükségszerűen meg kellett történnie, mivel a tágulás exponenciális: a méret megkétszereződik, megkétszereződik, majd ismét megkétszereződik... Matematikai képletek (kivéve a nagyon hosszúakat és a valóban bonyolultakat) általában nem tartalmaznak óriási számokat. Az egyetlen természetes mód, ahogyan egy „szerény” számból óriás lehet – mint például a 10^78, a megfigyelhető univerzumunkban levő összes atom száma –, az, ha a szám (a matematika tolvajnyelvén szólva) a „kitevőben” szerepel, s így például azt adja meg, hogy a méret hányszor duplázódik. Valahányszor egy gömb sugara megkétszereződik, a térfogat nyolcszorosára változik (a szokásos euklidészi térben); s mindössze száz duplázódás kell egy olyan nagy szám eléréséhez, mint a 10^78.
A javaslat szerint pontosan ez mehetett végbe univerzumunk „felfúvódó” szakaszában. Az inflációt gerjesztő ádáz taszításnak valamikor meg kellett szűnnie, hogy az univerzum, amely addigra elég nagyra dagadt ahhoz, hogy magába foglaljon mindent, amit ma látunk, nekikezdhessen a maga sokkal ráérősebb tágulásának. Ez az átmenet az eredeti „vákuumban” szunnyadó, rejtett belső energiát megszokott energiaformába alakította, megtermelvén ezzel a tűzgolyóhoz szükséges hőt, megindítván az általunk ismert tágulási folyamatot, amely mai univerzumunkhoz vezetett.
Az inflációs elképzelés – húsz évvel ezelőtti első felvetése óta – sok heves vitát váltott ki. Számos változtatáson ment keresztül, különböző feltevések alapján, hogy miként alakult a nyomás, a sűrűség stb. olyan feltételek között, amelyeket közvetlenül nem tanulmányozhatunk. De maga az általános elképzelés bizonyára mindaddig megőrzi vonzerejét, míg jobbat nem találunk. Jelenleg ez nyújtja az egyetlen hihető magyarázatát annak, hogy univerzumunk miért olyan óriás és egyenletes. Arra is választ kínál, hogy az univerzum miért tágul látszólag finoman beállított ütemben, úgy, hogy mostanra 10 milliárd fényéves méreteket érhetett el.

Ellenőrizhető-e az inflációs elmélet?

Ha egy ráncos felületet sokszoros méretűre feszítünk ki, akkor gyűrődése addig csökken, mígnem a lapos síktól való eltérések észrevehetetlenné válnak. A „laposság” kozmológiai megfelelője a (negatív) gravitációs energia és a (pozitív) tágulási energia pontos egyensúlya. Ez az inflációs elmélet a leghatározottabb általános érvényű jóslat. Vajon teljesül? A „lapos” univerzum legegyszerűbb példája egy olyan világ, amelyben Ω pontosan egységnyi. Az 5. fejezetben említett tanúbizonyság, miszerint az atomok és a sötét anyag a kritikus sűrűségnek mindössze 0,3 részét adhatják, első ránézésre ez ellen szól. Az elméleti szakemberek azért ragadták meg oly lelkesen a tágulás gyorsulásának gondolatát, mert akkor a λ-hoz kapcsolódó energiát is számításba kell venni. Univerzumunk valóban „lapos”-nak látszik. (Bár az óvatosabbak közülünk azt mondhatják, hogy az esküdtszék még tanácskozik, és határozott döntés csak évek múlva várható.) A kritikus sűrűséget kitevő anyagi „keverék” 4 százalék atomból és mintegy 25 százalék sötét anyagból áll, a maradékot maga a „vákuum” adja.
A „laposság”-nak ez a bizonysága mérsékelten bátorító. Legalább arra ösztönöz minket, hogy újabb vizsgálatokat végezzünk, főleg diagnosztikai jellegű megfigyeléseket, amelyek feltárhatják: mi történt a felfúvódás során. Az univerzum kezdeteire vonatkozó legrészletesebb elképzelések rövid életűek. Az első 10-35 másodperc története ma annyira bizonytalan, amennyire a Nagy Bummot követő első másodpercé volt, amikor Gamow és más úttörők először próbálták felderíteni a kémiai elemek kozmológiai eredetét. Első elképzeléseik fontos vonatkozásokban tévesek voltak, de kijavították őket, és egy vagy két évtized múltán már biztos lábakon álltak. Meglehet, hasonló reményeket fűzhetünk az ultranagy energiájú fizikának és a következő évtized kozmológiájának együttműködéséhez.
A hélium keletkezése az első néhány percben kísérletileg is reprodukálható magreakciókat tételez föl. Ezzel szemben a felfúvódó szakaszban végbemenő folyamatok, amelyek a Q-hoz hasonló, fontos kozmikus számokat meghatározták, nagyon is rendkívüliek ahhoz, hogy itt, a Földön (akár gyorsítókban) utánozzuk őket. Ez az új kihívást még csüggesztőbbé teszi. Másfelől viszont éppen ez a tény adhat további indítékot a nagyon korai univerzum tanulmányozására. Ez nyújthatja az új egyesített elméletek legmegbízhatóbb próbáit, mivel ez az egyetlen olyan hely, ahol az energiák elég nagyok ahhoz, hogy ezeknek az elméleteknek az eltérő következtetései megnyilvánulhassanak. Amikor a csillagászok a kozmikus jelenségeket próbálják megérteni, valójában azokat a felfedezéseket alkalmazzák, amelyeket a fizikusok a laboratóriumokban tettek. Talán a csillagászok is viszonozhatják majd ezt a szívességet azzal, hogy valami alapvetően új fizikát fedeznek fel. Voltak már hasonló pillanatok – például a neutroncsillagok kiszélesítették a sűrű anyagra és az erős gravitációra vonatkozó ismereteinket. De a legrendkívülibb példája ennek maga a Nagy Bumm. Az 1950-es években a kozmológia a fizika főáramlatán kívül esett – csak néhány olyan „különc” kutató, mint Gamow, szentelt neki némi figyelmet. Ezzel szemben a kozmológiai kérdések ma nagyon sok, a fizika főáramlatában dolgozó vezető elméleti fizikus érdeklődését kötik le, ami okot ad némi derűlátásra.
A mikroszkopikus „fluktuációk”, amelyek akkor vésődtek be, amikor az univerzum még egy teniszlabdánál is kisebb volt, olyan nagyra fúvódtak fel, hogy ma átívelik az egész univerzumot, és azokat a sűrűséghullámokat alkotják, amelyek galaxisokká és galaxishalmazokká fejlődnek. Az elméleti szakemberek még nem igazolták, vajon az inflációs modellek adnak-e „természetes” magyarázatot e hullámok amplitúdóját jellemző Q = 10-5 számra; ez olyan fizikai elméletektől függ, amelyek még egyáltalán nem estek át a „tűzkeresztségen”. De megtudhatunk valamit a részletekről (és kizárhatunk bizonyos lehetőségeket), mert az infláció különféle változatai eltérő jóslatokra vezetnek. A MAP és a Planck/Surveyor űrszondákkal elvégzendő mérés, a galaxisok halmazokba csoportosulásának feltérképezése egyaránt adhat nyomravezető jeleket a felfúvódási szakaszról. A „megszokott” szinten elvégzett kísérletekből nem kikövetkeztethető dolgokra taníthatnak minket a „Nagyszabású Egyesítés” fizikájából.
A galaxisokká és galaxishalmazokká fejlődött fluktuációk mellett feltételezik, hogy az infláció „gravitációs hullámokat” is keltett – ezek magának a tér szövetének a rezdülései, amelyek a fény sebességével járják keresztül-kasul az univerzumot. Az ilyen hullámokkal szembetalálkozó tárgyak olyan gravitációs erőt éreznek, amely először az egyik irányba, majd a másikba húzza, vagyis kicsit „megrázza” őket. A hatás parányi, kimutatása valóban bámulatos technikai kihívás. Az Európai Űrkutatási Szervezet LISA (Laser Interferometric Space Array) programja a tervek szerint egy csapatnyi űrszondát állítana Nap körüli pályára, egymástól több millió kilométeres távolságban. A szondák közti távolság változásait milliomod méteres pontossággal lézersugarakkal követnék nyomon.
De még a LISA sem volna elég érzékeny ahhoz, hogy „megérezze” ezeket az ősi rezdüléseket. Ezért tervezői számára csak az jelenthet vigaszt, hogy más jelek könnyebben kimutathatók. Erőteljes gravitációs hullámkitörés keletkezhet például akkor, amikor két fekete lyuk összeütközik és eggyéolvad. Ilyen események várakozásaink szerint időről időre bekövetkeznek. A legtöbb galaxis egy több millió csillag tömegű fekete lyukat rejteget a közepében. Galaxispárok gyakran ütköznek és olvadnak össze (nagyon sok ilyen folyamatban levő eseményt látunk), amikor ez történik, a két résztvevő galaxis közepén levő fekete lyuk csigavonalú pályán egymás felé zuhan.
Ezért az inflációs szakaszt hamarosan tapasztalati úton is megvizsgálhatjuk. Még ha nem is ismerjük az idevágó fizikát, különleges feltételezések mellett kiszámíthatjuk az elméletből adódó mennyiségi következményeket (Q értékét, a gravitációs hullámokat stb.). Ezeket aztán összehasonlíthatjuk a megfigyelésekkel, és ebből legalább megszorításokat kaphatunk a lehetőségekre.

Más maradványok

A nagyon korai időszak bármely más „ősmaradványa” fontos lehet, mint a mikrovilág és a világmindenség között hiányzó láncszem. Egy érdekes lehetőség (amely erősen foglalkoztatta Guth elméjét, amikor elméletét kidolgozta) az, hogy a korai univerzumból monopólusok is fennmaradhattak. Faraday és Maxwell kimutatta az elektromosság és a mágnesség közti bensőséges kapcsolatot, de a két erő között volt egy döntő különbség (amit ők helyesen fel is ismertek): léteznek pozitív és negatív elektromos töltések, de úgy tűnik, „északi” és „déli” mágneses pólusok egymástól különválasztva nincsenek. A mágnesek dipólusok (két pólussal), nem pedig monopólusok (eggyel), és ha elvágunk egy dipólust, sosem kapunk monopólusokat, csupán kisebb dipólusokat. Nagyon sok találékony próbálkozás ellenére még senkinek sem sikerült „elkapnia” egy monopólust.
Modern elméletek viszont azt sejtetik, hogy létezhetnek monopólusok, de azok mérhetetlenül nehezek (millió milliárdszor nehezebbek a protonnál). A nagy tömeg miatt a létrehozásukhoz óriási energiát kell összpontosítani – olyan mértékűt, amilyen csak a nagyon korai univerzumban jöhetett létre, később már nem. A mai univerzumban nagyon kevés monopolus lehet – a csillagközi teret mágneses mezők járják át, és ezek „megrövidülnének”, ha ott monopólusok nagyobb népessége lenne. Guth azért töprengett a monopólusok hiányán, mert úgy látszott, hogy a keletkezés a korai univerzumban elkerülhetetlen volt – valójában legjobb becslése szerint összesített tömegük több milliószor annyi sötét anyagot adott volna, mint amennyi valójában van. Az infláció egyik fontos jótékony hatása (amennyiben a monopólusok keletkezése után következett be), hogy a vélt monopólusokat felhígítja, és ezáltal számot ad mai látszólagos hiányukról.
A monopólusok a térbeli „csomók” egyik fajtáját alkotják; a tárgykör szakkifejezésével: „topológiai hibák”. Még érdekesebbek a nem pont, hanem vonal alakú hibák. Ezek a tér olyan tartományai, amelyek egy atomnál sokkal kisebb csővé tekeredtek fel. Akár a gumigyűrűkhöz hasonló zárt hurkokat is alkothatnak, amelyek a fényéhez közeli sebességgel zuhannak, vagy akár keresztül ívelhetnek az univerzumon. Egyes kozmológusok azon töprengenek, hogy ezek a térbeli hibák lehetnek a kozmikus szerkezetek csírái – valóban, hiszen hozzájárulnak Q-hoz. Ez az elképzelés az 1990-es évek elején keltett érdeklődést, de kiderült, hogy összeférhetetlen a galaxisok halmazokba rendeződésének megfigyelt részleteivel, amelyeket ezt követően térképeztek fel. De ettől még ilyen hurkok létezhetnek, tulajdonságaik pedig annyira különlegesek (vékonyabbak egy atomnál, de nagyon nehezek: minden kilométerük annyit nyom, mint a Föld), ezért a csillagászok minden erőfeszítést megtesznek, hogy találjanak egyet.
Egy másik érdekes lehetőséget jelentenek a parányi fekete lyukak. Egy atomnyi méretű lyuk tömege akkora lehet, mint egy nagyobb hegységé. Mint a 3. fejezetben láttuk, ez N nagyságából adódik: a gravitáció annyira gyenge, hogy atomi skálán csak akkor győzheti le a többi erőt, ha egyetlen atom térfogatába N atom tömegét gyömöszöli be. Feltehetőleg ehhez elegendő lehetett az univerzum kezdeti időszakában uralkodó nyomás. Még ha ma nincs is hasonló mértékű összepréselés előidézésre képes folyamat, talán egy jövőbeli, fejlett technikájú társadalom képes lesz erre. Ez lebilincselő kilátás, különösen ha vegyítjük azzal az elképzeléssel, amely szerint egy fekete lyukban egy új univerzum csírázhat ki, és fúvódhat fel egy újabb (talán végtelen) téridővé, amely semmiféle kapcsolatban sem áll a miénkkel.

A „semmiből”?

Látszólag ellentmond a józan észnek, hogy egy teljes, 10 milliárd fényév kiterjedésű univerzum (amely talán még távolabbra is nyúlik, túl a szemhatárunkon) egy végtelenül kicsi szemcséből nőjön ki. Ami ezt mégis lehetővé teszi, az az, hogy jóllehet óriásivá tágult, az új univerzum teljes eredő energiája még így is zérus lehet. Einstein nevezetes egyenlete értelmében minden tömegnek mc^2 energiája van. Ugyanakkor a tömegvonzás miatt mindennek negatív energiája is van. Energiára van szükségünk ahhoz, hogy kiszabaduljunk a Föld tömegvonzásából – annyi rakéta-üzemanyagot kell elégetni, amennyivel elérhető a másodpercenkénti 11,2 kilométeres szökési sebesség. Ezért a világűrben levő űrhajóshoz viszonyítva nekünk, a Föld felszínén „energiahiányunk” van. De ha ezt a hiányt (szakkifejezéssel: a „gravitációs potenciális energiát”) az univerzumban lévő valamennyi tömegre összeadjuk, akkor az összességében mínusz mc^2-et tehet ki. Más szavakkal, az univerzum egy olyan mély „gravitációs gödröt” ásott magának, amelyben mindennek éppen akkora negatív gravitációs energiája van, amely pontosan kiegyenlíti a pozitív nyugalmi energiát. Ezért egy táguló univerzumhoz szükséges energia valójában zérus lehet.
Kozmológusok néha kijelentik, hogy a világ a „semmiből” keletkezhetett. De ügyelniük kellene a nyelvhasználatra, különösen, ha bölcselőkkel beszélnek. Már Einstein óta tudjuk, hogy az üres térnek is lehet szerkezete, amely meggörbíthető és eltorzítható.
Még ha egyetlen „pontba” zsugorodik is, részecskék és erők szunnyadnak benne – ez azért mégiscsak sokkal gazdagabb szerkezet, mint amit a bölcselők „semminek” neveznek. Lehet, hogy az elméleti fizikusok egy napon majd föl tudják írni a fizikai valóságot igazgató alapvető egyenleteket. De a fizikusok sosem tudják majd megmagyarázni, mi „lehelt lelket” az egyenletekbe, és hozott létre belőlük egy valódi világmindenséget. Az alapvető kérdés, hogy „miért van a semmin túl egyáltalán valami?” – a bölcselkedők birodalma marad. És talán bölcsebb lenne, ha ők viszont Ludwig Wittgenstein tanácsát követnék: „Amiről nincs mit mondani, arról jobb hallgatni.”

Látóhatárunkon túl, a multiverzumok felé

A 7. fejezetben felvázolt hosszú távú előrejelzés lényegében ellenőrizhetetlen feltételezésen alapult, tudniillik azon, hogy az univerzum mostani látóhatárunkon túl lévő tájai hasonlítanak azokhoz, amelyeket látunk. Ha egy óceán közepén volnánk, nem várhatnánk, hogy a part azonnal feltűnjön a láthatáron, de tudhatnánk, hogy az óceán nem végtelen, és végül szárazföld határolja. Tévedés azt hinni, hogy világunk egyenletesen, határok nélkül nyúlik el. Talán, hogy egy kis sűrűségű buborékban élünk, amely elég nagy ahhoz, hogy határa messze a szemhatárunkon túl legyen, és egy sokkal nagyobb tartomány veszi körül, amely végül a fejünkre omolhat. Ha így van, akkor távoli leszármazottaink módosíthatják majd az örökös tágulásra vonatkozó „előrejelzést”, amikor a nagyobb sűrűségű anyag feldereng a láthatárukon. Nem valószínű, hogy mostani látóhatárunkon közvetlenül túl erőteljes változás várna ránk; másfelől viszont nincs biztosítékunk arra, hogy azt a végtelenségig kiterjeszthetjük.
A felfúvódás legfontosabb következménye, hogy drámaian és nagymértékben kitágítja univerzumunk távlatait. Belátható univerzumunk megmagyarázásához elegendő lehetett annyi infláció, amely számot ad a távcsöveink látókörébe eső 10^78 atomról. De ez csupán a minimum. Az egyszer már megindult infláció leállása hosszú időt vehetett igénybe (az elméleti szakemberek az inflációból való „könnyed kilépés”-ként utalnak erre a kérdésre). A legtöbb elméletben a „duplázódások” száma valóban messze meghaladhatja azt, ami ahhoz szükséges, hogy számot adjon jelenleg látható univerzumunkról. Az 1. fejezetben univerzumunkról olyan, egymás utáni filmkockákat képzeltünk el, amelyek mindegyike a megelőzőnél tízszer nagyobb távolságból készült. A hétköznapi, emberi léptéktől mostani szemhatárunkig huszonöt filmkocka vezetett el. Ezt a határt lényegében az szabta meg, hogy milyen távolságra juthatott el a fény az első galaxisok kialakulása óta eltelt idő (nagyjából 10 milliárd év) alatt. De a felfúvódással foglalkozó elméleti kutatók sokkal nagyobb univerzumot képzelnek el, amelyben csak több millió ilyen, tízszeres ugrásokról készült filmkockával juthatnánk el bármiféle „peremig”. A térnek ez az elképesztő arányú kitágítása (legalábbis számomra) felfoghatatlan. A mikrovilágtól mostani látóhatárunkig ívelő ugrás semmi ahhoz képest, ami azon túl, univerzumunk valódi határáig még hátravan. Tér- és időbirodalmunk, bár nem végtelen, mégis messze túlnyúlik azon, amit látunk. Ha azt az időt, amíg a „peremről” induló fény hozzánk elér, években kifejezve akarnánk leírni, ahhoz nem volna elég tíz nulla, de még száz sem, hanem milliók kellenének. S ez még mindig nem minden. Lehet, hogy ez az irdatlanul nagy univerzum, amelynek kiterjedését csak milliós számjegyű számmal fejezhetjük ki, még mindig nem „minden, ami van”. Ez csupán a felfúvódás egy epizódjának eredménye; de az a kis epizód – a Nagy Bumm – maga is csupán egy végtelen eseménysor egyik eleme. Valójában ez természetes következménye az „örökké tartó felfúvódás”-nak, amelyet leginkább Andrej Linde orosz kozmológus karolt fel. E forgatókönyv szerint, amelyhez a szélsőséges sűrűségek fizikájáról különleges (bár még pusztán elméleti) feltételezéseket kell tenni, az univerzum múltja végtelen lehetett. Azok a parcellái, ahol a felfúvódás még nem ért véget, mindig elég gyorsan növekednek ahhoz, hogy más Nagy Bummok csírájául szolgáljanak. Ezeknek az eszmefuttatásoknak egyes változataiban az infláció egyik epizódja egy fekete lyuk belsejében zajlik le, ott a tér és idő olyan új tartományát teremti meg, amely a miénktől teljesen el van szigetelve.
Ezen a ponton hadd tegyek egy jelentéstani megjegyzést az „univerzum” értelmezéséről. Természetesen az „univerzum” valódi értelme: „mindaz, ami van”. Ebben a fejezetben amellett érveltem, hogy a valóság, amelyet hagyományosan „az univerzum”-nak nevezünk – mindaz, amit a csillagászok tanulmányoznak, vagy a Nagy Bumm következményei – csupán egy darabja egy nagyobb együttesnek, amelynek mindegyik eleme a saját Nagy Bummjával vette kezdetét. Rendszerető emberek talán szívesebben vezetnének be új meghatározást, és ezt az egész együttest neveznék „univerzum”-nak. Én azonban azt hiszem, kevésbé zavaró, ha az „univerzum” kifejezést meghagyjuk arra, amit hagyományosan jelöltünk vele, még akkor is, ha ez egy új szó bevezetését teszi szükségessé az „univerzumok” összességére, a „multiverzum” („sokmindenség”) szóét – amelynek fogalmára a 11. fejezetben még visszatérek.

10. FEJEZET

Három dimenzió (és még több)

Minden dolog mértéke a Föld pályája; írjunk köré egy dodekaédert, és az azt magába záró kör lesz a Mars pályája; írjunk e köré egy tetraédert, és az azt magába záró kör lesz a Jupiter pályája; írjunk e köré egy kockát, és az azt magába záró kör lesz a Szaturnusz pályája. Most a Föld pályáján belülre írjunk egy ikozaédert, és az ebbe írható kör lesz a Vénusz pályája; írjunk ezen belülre egy oktaédert, és az ebbe írható kör lesz a Merkúr pályája. Ebből megtudhatjuk, miért éppen ennyi a bolygók száma.

Johannes Kepler

Miért különleges a D=3?

Terünk háromdimenziós. Vannak benne pontok (zérus dimenzió), egyenesek (egy dimenzió), felületek (két dimenzió) és szilárd tárgyak (három dimenzió). De a sorozat itt véget ér, jóllehet matematikailag elképzelhető ennél több dimenziós tér. Miért különleges a hármas szám? A mértan tudósai már az ókortól kezdve különféle dimenziók érdekes vonásait figyelték meg. Például azt, hogy két dimenzióban bármilyen számú egyenlő oldallal szabályos sokszöget rajzolhatunk (egyenlő oldalú háromszöget, négyzetet, ötszöget, hatszöget stb.). Három dimenzióban azonban csupán öt plátói „szabályos test” van, amelyeknek minden oldala és minden szöge egyenlő. Négy dimenzióban hat ilyen test van, és valamennyi magasabb dimenzióban csupán három.
A háromdimenziós világ egyik következménye, hogy az erők, mint például a tömegvonzás és az elektromosság, inverz négyzetes törvényt követnek, így ha a tömegtől vagy töltéstől kétszeres távolságra megyünk, négyszer gyengébbé válnak. Michael Faraday az elektromosság terén végzett úttörő tanulmányaiban ennek grafikus jellegű (és lényegében helyes) értelmezését adta. Minden tömegből vagy töltésből kiindulva „erővonalakat” rajzolt fel, s az erőhatás erősségét a vonalak sűrűségével jellemezte. A kiindulóponttól r távolságban a vonalak egy r^2-tel arányos gömbfelületen oszlottak el, ennek következtében nagyobb távolságokban az erő gyengül, erőssége r^2-tel fordított arányban áll. Egy négydimenziós „gömb” felszíne azonban r^3-nel arányos – ha r értékét megkétszereznénk, nem négyszer, hanem nyolcszor nagyobb lenne. Faraday érvelése ebben az esetben egy inverz köbös törvényhez vezetne.
Mint azt Newton felismerte, a bolygók pályáját az őket befelé húzó tömegvonzás és a mozgásukból adódó centrifugális tehetetlenség egyensúlya alakítja ki. Naprendszerünk bolygópályái stabilak abban az értelemben, hogy egy bolygó sebességének kicsiny változása csak kis mértékben változtatná meg a pályáját. De ez a stabilitás odaveszne, ha a tömegvonzás az inverz négyzetes helyett egy inverz köbös (vagy még meredekebb) törvényt követne. Ha egy keringő bolygó – akárcsak picit is – fékeződne, nem egyszerűen csak egy picivel kisebb pályára csúszna, hanem gyorsulva zuhanna a Nap felé, mert az inverz köbös törvény a középpont felé annyira meredeken változik. Megfordítva: ha egy bolygó egy picit felgyorsulna, akkor csigavonalú pályán hamar kirepülne a sötétségbe.
A XVIII. századi angol teológust, William Paleyt az az érvelése tette híressé, miszerint univerzumunk látható szerkezete ugyanúgy egy Tervező létezésére enged következtetni, ahogyan egy óraműé egy órásmesterére. Paley Cambridge-ben kellő matematikai tudásra tett szert ahhoz, hogy felismerje az inverz négyzetes törvénynek ezt a misztikus vonását, és a jóindulatú Teremtő létezése melletti érvelésének fegyvertárába illessze. A „szerkesztettség bizonyítékai”-nak legtöbbjét a biológiából merítette, ezeket azóta, a Darwint követő időszakban még a teológusok is elvetették. A szem, a kéz és a többi szerv hatékony alkalmazkodása a természetes kiválasztódás, az élő szervezet és a környezet együttélésének az eredménye. Úgy látszik, Paley érvei közül a legegészségesebb az volt, amely szerint az inverz négyzetes törvény különösen jóindulatú: egy kedvező erőtörvénynek nincs lehetősége természetes kiválogatódásra és semmi sem hathat vissza az univerzumra úgy, hogy megváltoztassa azt. Paley ezt több mint egy évszázaddal azelőtt írta, hogy felfedezték volna: az atomok pozitív töltésű atommagból s körülötte keringő elektronokból állnak; máskülönben állítását azzal a megjegyzéssel is alátámaszthatta volna, hogy egy inverz köbös törvény által igazgatott univerzumban atomok sem létezhetnének, mert ott az elektronok stabil pályái sem jöhetnének létre.
A háromnál több térbeli dimenzió tehát gondokat okozna. Akkor talán élhetnénk olyan világban, amelyben háromnál kevesebb dimenzió van? A legjobb érv ez ellen nagyon egyszerű: a bonyolult szerkezetek kialakulásának egy „síkságon” (vagy valójában bármilyen kétdimenziós felületen) önmagából fakadó korlátai vannak. Egy bonyolult hálózatot nem lehet a szálak keresztezése nélkül kiépíteni; s egyetlen tárgyon sem futhat keresztül egy csatorna (például egy emésztőcsatorna) anélkül, hogy azt egyúttal két részre ne vágná. És a lehetőségek még ennél is korlátozottabbak egy egydimenziós „vonalvilág”-ban.
Ezek csak a legkézenfekvőbb okai annak – és a matematikusok még másokat is felfedeztek –, miért nem kell meglepődnünk azon, hogy háromdimenziós világban élünk.

Idő és az idő nyila

Természetesen az idő a negyedik dimenzió, amelyet megtapasztalunk. Az események behatárolásához négy számra van szükségünk: három térbeli koordinátára, hogy leírjuk hol történt, és egy negyedikre, amelyik megmondja, mikor. Egy graffiti a következőt állítja: „Az idő a természet trükkje, amely megakadályozza, hogy minden egyszerre történjék.” Az események olyan pályák mentén helyezkednek el, amelyeknek a mérföldköveit órák ketyegése adja. Az idő azonban annyiban különbözik a másik három dimenziótól, amennyiben úgy tűnik, csakis egy irányba („előre”) vonszol minket, miközben a másik háromban bármelyik irányba (keletre vagy nyugatra, északra vagy délre, fel vagy le) elmozdulhatunk. Világunkat így legjobban (3 + l)-dimenziósként írhatjuk le. Einstein viszont arra tanított minket, hogy a tér és az idő egymással kapcsolatban van, továbbá hogy az idő múlásának üteme „rugalmas”, amennyiben függ az „időmérő” mozgásától, és attól, vajon az időmérő közel van-e egy nagy tömeghez, vagy sem. De Einstein elképzelései fenntartanak egy megkülönböztetést a tér és az idő között – aközött, ami kint a térben, és ami a múltban vagy a jövőben van. Az idő „nyila” rendíthetetlenül a múltból a jövő felé mutat. A hétköznapi események filmje furcsán megváltozik, ha visszafelé pörgetjük le. Ok és okozat helyet cserél; széttört üvegdarabkák és folyadékcseppek látszólag céltudatosan rohannak egymás felé, hogy egy pohár borrá álljanak össze; a teáskannát beborító gőz vízzé sűrűsödik. Martin Amis ironikus, fordított időrendű regényében, Az idő nyilában[20] a New York-i taxikban ez olvasható: „Ne kérdezzen semmit, fizessen ki mindent előre... nem csoda, hogy órák óta szakadatlan itt állunk, búcsút intve, vagy tisztelegve – megköszönve ezt a nagyszerű szolgáltatást.”
A múlt és a jövő közt mutatkozó aszimmetria annyira átitatja tapasztalatainkat, hogy néhány bölcselkedő fizikustól eltekintve kevesen tűnődnek el az általa felvetett rejtélyeken. Pedig a dolog meghökkentő, mert a mikrovilágot igazgató alaptörvényekbe ez az aszimmetria nincs beépítve. A világ visszafordíthatatlanul változik, bár az alaptörvények nem tesznek különbséget a múlt és a jövő között. Két biliárdgolyó egyszeri ütközésének filmje többé-kevésbé ugyanazt mutatja, akár előre, akár visszafelé pörgetjük le, de a játék megkezdése után az ütközések teljes mintázata világosan kirajzol egy időnyilat. Hasonlóképpen, úgy tűnik, a mi világunk is különleges módon épült fel.
Az idő „csapdájában” vagyunk, de egy „időn kívüli”, képzeletbeli nézőpontból tisztább bepillantást nyerhetünk, mint Kurt Vonnegut teremtményei teszik A Titán szirénjeiben, akik az embert ekként érzékelik: „nagy ezerlábúak, az egyik végükön csecsemő-, a másik végükön öregember lábakkal”. Univerzumunk ekkor egy statikus, négydimenziós valóságnak látszana („tömb-világ”). Ebben a hétköznapi tárgyak világvonalai az egyik végükön (amelyet jövőnek nevezünk) rendetlenebbek, mint a másikon (amelyet múltnak hívunk). De nehéz megmagyarázni, hogy egyáltalán miért alakul ki bármiféle rend. Ha egy hosszú zsinórdarab egyik vége érdekes mintázatú, egyformán meglepődünk, ha az a baloldali, vagy ha a jobboldali vég. Ehhez hasonlóan, ha egy „tömb-világban” a múlt és a jövő látszólag ugyanazon az alapon létezik, nem volna kevésbé (és nem inkább) meglepő rendezettséget találni a kezdetben, mint a végén.
Amikor azt mondjuk, hogy az univerzum tágul, akkor – természetesen – eleve feltételezzük egy időnyíl létezését, és azt, hogy egy film kockáit (vagy a „tömb-világ” háromdimenziós metszeteit) úgy rendezhetjük, hogy az univerzum szétszórtabb azokban az időkben, amelyeket „későbbi”-nek nevezünk.
Az idő aszimmetriája kapcsolatba hozható az univerzum tágulásával. A 8. fejezetben már leírtam, hogyan növeli meg a tágulás során a gravitáció a sűrűség bármilyen kezdeti egyenetlenségeit, s teszi ezáltal lehetővé struktúrák kialakulását egy kezdetben csaknem teljesen jellegtelen tűzgolyóból. A kezdeti szakaszokban ezt az aszimmetriát semmiféle helyi méréssel nem mutathatnánk ki, mivel akkor olyan nagy lehetett a sűrűség, hogy a mikroszkopikus folyamatok – részecskék közti ütközések, fotonok kibocsátása és elnyelése stb. – a tágulás üteméhez képest túlságosan gyorsan mehettek végbe. Minden időpillanatban minden egyensúlyban lehetett mindennel. Az anyag nem „emlékezett”, vajon korábban sűrűbb volt-e vagy ritkább, és nem hordozhatta az idő irányának semmiféle lenyomatát. De amikor az univerzum hígabbá válik, ezek a folyamatok lelassulnak, a tágulás ekkor már döntő különbségekhez vezet.
Például, ha univerzumunk hőmérséklete hosszabb ideig milliárd K fok maradt volna, vagy ha a nukleáris folyamatok gyorsabban mentek volna végbe, akkor valamennyi atom vassá alakulhatott volna. Szerencsénkre a tágulás elég gyors volt ahhoz, hogy ne engedje tovább futni a magreakciókat, miután a hidrogén 23 százalékát már héliummá alakították át. Ez mutatja, hogy a kozmikus tágulás hogyan teszi lehetővé az egyensúlytól való eltéréseket: ami a valóságban történik, az nem ugyanaz, mint ami egy összehúzódó univerzumban történhetne.
Elsőként Szaharov mutatta meg, hogy létünk olyan megfordíthatatlan folyamaton múlik, amely egy még korábbi időszakban az anyag antianyaggal szemben mutatott csekély túlsúlyára vezethető vissza. Ha nem így lett volna, minden atomos anyag ugyanolyan mennyiségű antianyaggal megsemmisül – egy olyan univerzumot hagyva hátra, amelyben egyetlen atom sincs. Ott nem lehetnének csillagok, még kevésbé bármiféle kémia, amely lehetővé tenné bonyolult szervezetek kialakulását.
Az idő más rejtélyeket is felvet, amelyekkel kapcsolatban egyáltalán nem alakult ki egyetértés. Julian Barbour fizikus a téma szakértőinek véleményét kérte a következő kérdésről: „Hiszi-e, hogy az idő valóban alapvető fogalom... vagy leszármaztatható más, még egyszerűbb fogalmakból (mint ahogy például egy tárgy hőmérséklete leszármaztatható az őt alkotó atomok rendezetlen mozgásából)?” A válaszok csaknem egészen egyenlően oszlottak meg, egy kis többség azt a nézetet részesítette előnyben, amely szerint az idő végül is valami alapvetőbb dologra vezethető majd vissza.

Nagyobb méretekben: felhasogatott dimenziók?

A térnek és az időnek bizonyára bonyolult szerkezete van. Tudjuk, hogy a teret fekete lyukak lyuggatják ki – milliószám a Galaktikában, még nagyobb fekete lyukak más galaxisok közepén –, amelyekben tér és idő összevegyül. De ezek a bonyodalmak olyan kis tartományokra korlátozódnak, amelyek kozmológiai szempontból „helyi” jellegűek. Univerzumunknak a szupergalaxisoknál nagyobb léptékben mutatkozó, közel egyenletes szerkezete azt sejteti, hogy jelenlegi látóhatárunkon belül a tér geometriája sima és egyszerű. Ugyanezt támasztja alá az a tény is, hogy a mikrohullámú háttérsugárzás az egész égbolton csaknem azonos hőmérsékletű.
Matematikusi hajlamú kozmológusok ennek ellenére eltöprengtek azon, vajon mi lenne, ha mindez csak illúzió volna: talán valójában ugyanazt a térrészt látjuk újra és újra, megsokszorozódva, mint egy tükörteremben vagy kaleidoszkópban – a tér igazából „fel van gombolyítva”, vagy valamiféle cella-szerkezete van. Ha valóban egy ilyen furcsa univerzumban élnénk, az ismétlődő geometriai cellák mérete legalább a látóhatár távolságának néhány százaléka kellene, hogy legyen. (Más szavakkal: több mint néhány százmillió fényév kiterjedésű.) Ezt onnan tudhatjuk, hogy ha ennél kisebb lenne, akkor a Virgo galaxishalmazhoz hasonló szerkezeteket ismétlődni látnánk. A mikrohullámú háttérsugárzás hőmérsékletének a teljes égbolton nemrég megmért kicsiny egyenetlenségeiből egy erősebb megszorítás adódik. Mivel ezekben a mintázatokban semmiféle ismétlődés sem mutatható ki, minden, a látóhatár távolságánál sokkal kisebb cellaméret kizárható.
A fény véges sebessége által megszabott látóhatáron túlról a megfigyelések keveset mondanak. A tér bonyolult módon gombolyodhat a 10 milliárd fényévet messze meghaladó méretekben. Még akár a dimenziók száma is változhat. De mindig is csak közvetett sejtéseink lehetnek arról, ami távcsöveink látókörén túl történik.
Mit mondhatunk a nagyon kis méretekről? Itt bizonyára csődöt mondanak egyszerű fogalmaink. Valóban, nagyon bonyolult elképzelésekkel kell megbirkóznunk, extra dimenziókat is beleértve, hogy kellően megértsük a részecskéket, az alapvető erőket és kozmikus számainkat.

A tér és az idő mikro szerkezete: kvantumgravitáció

Egy évszázada már megszokhattuk azt az elképzelést, hogy a közönséges anyagok – szilárd testek, folyadékok és gázok – diszkrét atomos vagy molekuláris szerkezetűek. Lehet valami szemcsésség magában a térben és az időben is? A tér sima, összefüggő folytonosságnak látszik, de ez talán csak azért van így, mert tapasztalataink, sőt még a legkörmönfontabb kísérleteink is túlságosan „durvák” ahhoz, hogy azokhoz a finom méretekhez hatoljanak le, ahol ez a szerkezet megnyilvánulhat.
Nem ismerjük a tér és az idő mikroszerkezetének részleteit, de nagyon általános elvek azt mondják, hogy nem apríthatók fel tetszőlegesen kis darabokra. Finom részletek csak olyan sugárzással volnának megvizsgálhatók, amelynek a hullámhossza kisebb, mint a vizsgált részlet mérete. Például egy bódé nem zárja el a több méteres hullámhosszúságú rádióhullámok útját, viszont éles árnyékot vet a napfényben. A fényhullámok hossza a méter milliomod része, és semmi ennél kisebb nem képezhető le közönséges optikai mikroszkóppal. Finomabb részletek csak rövidebb hullámhosszal vizsgálhatók (vagy pedig más technikával, mint például egy elektronmikroszkóp). De a kvantumelmélet értelmében a rövidebb hullámhosszak nagyobb energiájú kvantumoknak, „energiaadagoknak” felelnek meg.
Az energia alapvető kvantumát a Planck-állandó adja meg (egy szám, amelyet a nagy fizikusról, Max Planckról neveztek el, aki egy évszázaddal ezelőtt a kvantálás gondolatának úttörője volt).
Egy bizonyos pontig egyre finomabb részleteket vizsgálhatunk, egyre nagyobb energiájú kvantumokkal, amelyekhez egyre rövidebb hullámhossz tartozik. De van egy határ. Ez a határ akkor jelentkezik, amikor a szükséges kvantumok energiája már olyan extrém energiakoncentrációt hoz létre, amely fekete lyukká omlik össze. Ez a „Planck-hossz”-nál következik be, amely mintegy 10^19-szer kisebb, mint egy proton; az ilyen parányi hullámhosszú kvantumok mindegyike 10^19 proton nyugalmi energiájának megfelelő energiájú. A fénynek 10-43 másodpercre van szüksége ekkora távolság átszeléséhez, ez a „Planck-idő”, a valaha is mérhető legkisebb időtartam. Így még a tér és az idő is kvantumhatásoknak van kitéve. De a gravitáció gyenge volta miatt ezek a hatások messze kisebb méretekben lépnek fel, mint a közönséges atomokban, ahol az elektromos erők uralkodnak. (Ez következik első kozmikus számunk, N óriási nagyságából.)
Egyes elméleti kutatók jobban szeretnek elmélkedni, mint mások. De még a legmerészebbek is elismerik a „Planck-hosszat”, mint végső határt. Nem tudunk a Planck-hossznál rövidebb távolságot mérni; nem tudunk megkülönböztetni két eseményt (vagy azt eldönteni, melyik történt előbb), ha köztük az időkülönbség a Planck-időnél rövidebb. Ezek a méretek éppen annyiszor kisebbek az atomoknál, amennyiszer az atomok kisebbek a csillagoknál. Ebben a tartományban nincs kilátásunk semmiféle közvetlen mérésre: ehhez olyan részecskékre volna szükség, amelyeknek az energiája millió milliárdszorosa a laboratóriumban előállíthatóénak.
A XX. század tudományának két fő „pillére” a mikrovilágban döntően fontos kvantummechanika és Einstein gravitációs elmélete, amely nem tartalmazza a kvantum fogalmát. De nincs egyetlen olyan keretünk sem, amely összebékítené és egyesítené őket. Ennek hiánya azonban nem hátráltatja a földi tudomány fejlődését, igazából még a csillagászat előrehaladását sem, mivel a legtöbb jelenségben vagy kvantumhatások, vagy a gravitáció játszik szerepet, nem pedig a kettő együtt. Óriási nagyságú N számunk miatt az atomok és molekulák mikrovilágában, ahol a kvantumhatások döntők, a gravitáció elhanyagolható; és viszont: a bolygók, csillagok és galaxisok égi birodalmában, amelyet a gravitáció igazgat, eltekinthetünk a kvantumos bizonytalanságoktól. De a legkezdetibb a kezdetekben a kvantumrezgések megrázhattak az egész univerzumot. És megfordítva: a gravitáció fontossá válhatott egyetlen kvantum szintjén is. Ez 10-43 másodperckor, a Planck-időnél következhetett be. A Nagy Bummot követő első pillanatok, vagy a fekete lyuk „szingularitásához” közeli tér és idő megértéséhez szükségünk van a kvantumelmélet és a gravitáció egyesítésére.
Hétköznapi „hatodik érzékünk” a fényéhez közeli sebességeknél és fekete lyukak közelében csődöt mond. És úgyszintén csődöt mond a nagyon korai univerzum szélsőséges feltételei és a Planck-hosszhoz közeli parányi méretek esetében. Itt meg kell szabadulnunk a térről és időről alkotott, józan észen alapuló, dédelgetett elképzeléseinktől: itt fekete lyukak keletkezhetnek és tűnhetnek el; ilyen parányi méretekben a téridőnek kaotikus, habszerű szerkezete lehet; itt az időnek nincs jól meghatározott iránya. A fluktuációk új tartományokat feszíthetnek ki, amelyek elszigetelt univerzumokká fejlődhetnek. A térnek valamilyen rácsszerkezete lehet, vagy inkább összehurkolt, mint a páncéling. Az idő térré változhat, úgy, hogy bizonyos értelemben értelmét veszti az idő kezdete is.
A kvantumgravitáció egyetlen további küzdőtere a fekete lyukak közepében levő szingularitás, amelyet elfed az eseményhorizont. Nehéz próbára tenni azt az elméletet, amely csak ennyire különleges és hozzáférhetetlen területeken fejti ki hatását. Ahhoz, hogy komolyan vegyük, vagy szilárdan be kell építeni valamilyen mindent magába foglaló elméletbe, amely számos más módon is ellenőrizhető, vagy pedig elkerülhetetlenül egyedülállónak kell tekintenünk.
Számos lehetőséget próbálgatnak, de még nincs egyetértés abban, hogy melyik a jó. (Stephen Hawking most éppen arra „fogad”, hogy húsz éven belül lesz egyesített elmélet, jóllehet elismeri, nemrég kellett kifizetnie egy hasonló, húsz évvel ezelőtt kötött fogadás elvesztéséből adódó tartozását!) A legbecsvágyóbb és leginkább bátorító megközelítésnek a szuperhúrok elmélete látszik, amely közvetlenül valamennyi erő egyesítését célozza, és a kvantumgravitációt szinte jutalomként tartalmazza.

Szuperhúrok

Kezdeményezői szerint a szuperhúrok elmélete magába foglalja a mikrovilágot uraló három erőhatást – az elektromágnességet, a magerőket és a gyenge kölcsönhatást –, egyúttal számot ad az elemi részecskékről (kvarkokról, gluonokról stb.) is. A gravitáció létezése lényeges alkotórésze az elméletnek, és nem is kelt különösebb bonyodalmakat. Abból indul ki, hogy univerzumunk alapvető egységei nem pontszerűek, hanem apró húrokból görbített karikák, a különféle szubnukleáris részecskék ezeknek a húroknak a különféle alaprezgései – felharmonikusai. A húrok Planck-hossznyi méretűek, más szavakkal: tíz sokadik hatványával kisebbek, mint amit ténylegesen meg tudunk vizsgálni. Ráadásul ezek a húrok nem a mi megszokott (3 + 1) dimenziós terünkben, hanem egy tízdimenziós térben rezegnek.
További extra dimenziók feltételezése nem új elképzelés. Theodor Kaluza és Oskar Klein már az 1920-as években próbálkozott Einstein téridő-elméletének olyan kiterjesztésével, amely az elektromos erőket is magába foglalta volna. Úgy próbálták elképzelni az elektromos mezőt és a töltött részecskék mozgását, hogy szokásos terünk minden pontjához extra szerkezeteket csatoltak. Az elképzelés szerint az extra dimenziók parányi méretre össze vannak tekercselve, és nem nyilvánulnak meg előttünk, ugyanúgy, ahogy egy szorosan feltekercselt papírlap is egyenes vonalnak látszik, jóllehet ténylegesen egy kétdimenziós felület. A Kaluza-Klein-elmélet nehézségekbe torkollott, újabban viszont drámai újjászületését éli. A szuperhúr-elméletekben megszokott terünk minden „pontjának”, Planck-hossznyi méretbe becsomagolva, bonyolult, hatdimenziós geometriai szerkezete van.
Minden fizikai elméletben vannak olyan egyenletek és képletek, amelyek a szakmai részleteket (szerencsére nem az alapvető elképzeléseket) a nem szakemberek előtt homályossá teszik. De a hozzá való matematikát általában már kidolgozták, és a fizikusok azt szükség esetén „leemelhették a polcról”. Például az Einstein elméletében a „görbült téridő”-re felhasznált geometriai elképzeléseket már a XIX. században kidolgozták; hasonló volt a helyzet a kvantumvilág leírására alkalmazott matematikai nyelvezettel.
De a szuperhúrok olyan kérdéseket vetettek fel, amelyek még a matematikusokat is zavarba hozták. Például, hogy van-e valamilyen különleges oka annak, hogy az univerzumnak miért éppen négy „kiterjedt” dimenziója alakult ki (idő, továbbá három térdimenzió), nem pedig ettől eltérő számú? Világunk természetét és a benne uralkodó erőket az határozza meg, hogy a további dimenziók pontosan hogyan vannak „felcsavarodva”. Hogyan alakult ez ki, és vajon lett-e volna másféle lehetőség is?
A szuperhúr-elméletek először az 1980-as években keltettek lelkesedést (jóllehet az elképzelések korábbi évtizedekre nyúlnak vissza), és azóta briliáns matematikai fizikusok egész seregének erőfeszítéseit kötötte le. A kezdeti túláradó lelkesedést az elbátortalanodás időszaka követte, amelyet az elmélet ijesztő bonyolultsága okozott. De 1995 óta a szuperhúrok „másodvirágzásukat” élik. Kiderült, hogy az extra dimenziók a hatdimenziós tér mindössze öt különleges osztályába csomagolhatók; még mélyebb matematikai szinten pedig egy tizenegydimenziós térbe ágyazott, különálló, de egymással kapcsolatba hozható szerkezetek. Továbbá a húrok (egydimenziós egységek) koncepciója kiterjeszthető kétdimenziós felületekre (membránokra); a tízdimenziós térben pedig valójában még magasabb dimenziójú felületek is létezhetnek. Más szavakkal: ha egy kétdimenziós felületet két-bránnak nevezünk, akkor létezhetnek három-bránok, és így tovább. A tízdimenziós húrelmélet és az észlelhető, kimérhető jelenségek világa között azonban még mindig áthidalhatatlan szakadék tátong.
Az elméletek bizonyos előfutárait még akkor is nagyon komolyan kell venni, ha nincs közvetlen tapasztalati alapjuk, különösen akkor, ha ezek páratlanul „elegánsak” vagy „ésszerűek” – meggyőzően igaznak hangzanak. Például az 1920-as években sok fizikus éppen óriási szellemi vonzereje miatt volt fogékony Einstein általános relativitáselméletének befogadására. Mára ezt már pontos megfigyelések igazolták, de a kezdeti időszakban csak szórványos bizonyítékai voltak. Einsteint magát is jobban lenyűgözte elméletének eleganciája, mint bármiféle kísérlet. Napjainkban Edward Witten, a matematikai fizika elismert intellektuális vezéregyénisége jelentette ki, hogy „a tetszetős téves elképzelések különlegesen ritkák, és még sosem láttunk olyan tetszetős téves elképzelést, amely akár távolról is vetekedhetne a húrelméletek fenségével”.
Vannak azonban olyan különleges, nem esztétikai jellegű megfontolások, amelyek a szuperhúrokkal kapcsolatban derűlátásra adnak okot. Az első, hogy Einstein általános relativitáselmélete, amely a gravitációt a négydimenziós téridő görbületeként értelmezi, elkerülhetetlenül be van építve a szuperhúr-elméletbe. Ezért a gravitáció és a kvantumelv között régóta keresett szintézis természetes módon adódik.
És az elmélet máris a fekete lyukak mélyebb megértéséhez vezetett. Ennek története egészen az 1970-es évekig nyúlik vissza. Jacob Bekenstein, a Princetoni Egyetemen dolgozó elméleti fizikus, annak az akkoriban történt felfedezésnek a következményein töprengett, amely szerint a fekete lyukak teljesen szabványos objektumok (mint azt a 3. fejezetben említettük). Ebből az következett, hogy egyáltalán nem emlékeztetnek arra, hogyan alakultak ki. Úgy látszott, mérhetetlenül sok módja van a fekete lyukak kialakulásának – sziklák, bolygók, gáz, sőt elvileg még űrhajók is zuhanhatnak beléjük –, de ennek a történetnek látszólag minden nyoma kiradírozódik. Bekenstein észrevette, hogy ez hasonlít a két gáz keveredésekor fellépő „entrópianövekedéshez”: sok lehetséges kezdeti állapot megkülönböztethetetlen végállapothoz vezet. Az információvesztés az entrópia növekedésének felel meg, és Bekenstein azt feltételezte, hogy a fekete lyuknak van entrópiája, amely a fekete lyuk kialakuláshoz vezető különféle lehetőségek számának mértéke. Ha Bekenstein nem téved, akkor a fekete lyuknak hőmérséklete is van. Ez az elképzelés sokkal szilárdabb alapokat kapott, amikor Hawking kiszámította, hogy a fekete lyukak nem abszolút feketék, hanem valójában sugárzást bocsátanak ki. (A sugárzás messze gyengébb annál, hogysem a csillagászok által felfedezett fekete lyukak esetében mérhető lehetne, de fontos lehet, ha a 3. fejezetben leírt atomnyi méretű „minilyukak”-ról valóban kiderül, hogy léteznek.)
A tér szerkezetét Planck-hossznyi méretekben leíró szuperhúr-elméletek új távlatokat nyitottak. Az Egyesült Államokban Andrew Strominger 1996-ban megmutatta, hogyan képzelhető el, hogy a fekete lyuk (legalábbis egy különleges fajtája) húrméretű elemekből „épül fel”, és hogy miként számítható ki ezekből a parányi alkotóelemekből azoknak az „újrarendeződéseknek” a száma, amelyek ugyanazt a lyukat hoznák létre. Ez pontosan megegyezett a Bekenstein és Hawking által számított értékkel. Bár ez nem tapasztalati bizonyíték, de a hagyományosabb fizikán alapuló számítás megerősíti bizalmunkat az elméletben, egyúttal mélyebb betekintést ad a fekete lyukak rejtélyes vonásaiba.
A másik reménység – jóllehet ma még sokkal vitatottabb és kevésbé megalapozott – az, hogy a szuperhúrok új betekintést engednek a kvantum fogalmába. Richard Feynman állítása szerint „a kvantummechanikát senki sem érti igazán”. Az elmélet remekül működik, a legtöbb tudós szinte teljesen gondolkodás nélkül alkalmazza. Vannak azonban annak olyan „kísérteties” vonatkozásai, amelyeket a legtöbb gondolkodó gyomra – már Einsteintől kezdve – nehezen visel el; alig hihető, hogy ezzel kapcsolatban mostanra már elértük az optimális nézőpontot.
Még ha a plancknyi méreteket nem is tudjuk kitapasztalni, a megfigyelhető fizikai valóság némely vonása – például az a véletlen, hogy a mikrovilágban három alapvető erő működik, hogy sajátos típusú részecskék vannak és így tovább – ugyanúgy „előugorhat” a szuperhúr-elméletből, mint Einstein gravitációs elmélete. Ha ez megtörténne, bizonyára növekedne bizalmunk az egész matematikai konstrukció iránt. A szuperhúr-elmélet, mint azt a következő fejezetben tárgyaljuk, a multiverzum új, átfogó elméletévé válhat.

11. FEJEZET

Véletlen, gondviselés
- vagy multiverzum?

A vallás tekintetében a deizmusra hajlok, de annak bizonyítását inkább asztrofizikai kérdésnek tartom. Az univerzumot megteremtő kozmológiai Isten létezése (ahogy a deizmus elképzeli) lehetséges, és az végül talán anyagi bizonyságok olyan formájában fejeződik ki, amelyekről nem is álmodtunk.

E. O. Wilson: Consilence

Mit jelent a finomhangolás?

Univerzumunkban az egyszerű törvények bonyolult szövevényre bomlanak ki. Arra azonban nincs biztosíték, hogy egyszerű törvények mindig bonyolult következményekre vezetnek. Mint láttuk, hat számunk másféle megválasztása valóban unalmas és meddő univerzumhoz vezethet. Hasonlóan, a matematikai formuláknak lehetnek nagyon gazdag következményei, de általában nincsenek. A Mandelbrot-halmazt például (lásd a 11.1. ábrát), a benne rejlő bonyolult szerkezetek végtelen mélységeivel egy rövid algoritmus adja meg, de más, felületesen hasonlónak látszó algoritmusokból nagyon unalmas mintázatokat kaphatunk.

11.1. ábra
A Mandelbrot-halmaz. A végtelenül bonyolult, rétegről rétegre szövevényes szerkezetekből álló mintázatot egy rövid és egyszerű algoritmus adja meg. Sok más, látszólag hasonló algoritmus viszont unalmas és jellegtelen mintázatot ad. Univerzumunkat mérhetetlenül változatos következményeket lehetővé tévő erők vezérlik. (Az ábra a következő oldalon folytatódik.)

11.2. ábra

Hat számunk látszólag nagyon finom beállítását különféle módokon fogadhatjuk. Egy gyakorlatias válasz szerint itt sem lehetnénk, ha ezek a számok nem lettek volna „különleges” módon éppen megfelelő értékre beállítva: mivel azonban nyilvánvaló, hogy itt vagyunk, a beállításon utólag nem is kell csodálkoznunk. Sok tudós vallja ezt a nézetet, de engem nem elégít ki. Nagy hatással volt rám a kanadai filozófus, John Leslie egyik metaforája. Képzeljük el, hogy egy kivégzőosztag előtt állunk. Ötven lövész vesz célba, de mindegyik elvéti a lövést. Ha nem hibáztak volna valamennyien, nem maradhattunk volna életben, és nem töprenghetnénk a történteken. De aligha érnénk be ennyi magyarázattal – még mindig zavarban lennénk, és jó szerencsénk további okait keresnénk.
Mások a számok „hangolását” egy jótékony Teremtőnek tulajdonítják, aki azzal a különleges szándékkal alkotta meg az univerzumot, hogy létrehozzon minket (vagy kevésbé emberközpontúan: hogy lehetővé tegye bonyolult szerkezetek kibontakozását). William Paley és más szószólók hagyományosan az úgynevezett „szerkezetre alapozott” érveléssel bizonygatják Isten létezését. Ennek újabb változatait olyan teológus tudósok is magukévá tették, mint John Polkinghorne, aki azt írja, hogy az univerzum „nem csupán 'valamilyen öreg világ', hanem különleges valami, ami finoman rá van hangolva az életre, mert a Teremtő alkotása, aki azt akarta, hogy így legyen.”[21]
Ha valaki nem fogadja el a „gondviselés” érvét, akkor van egy másik nézőpont, amelyet – bár még csak sejtéseken alapul – én ellenállhatatlanul vonzónak találok. Eszerint a mi Nagy Bummunk nem az egyedüli ősrobbanás lehetett. Elszigetelt univerzumok különféleképpen hűlhettek le, s végül másféle törvények kormányozhatják és eltérő számok határozhatják meg őket. Ez nem látszik túl „gazdaságos” elképzelésnek – valójában semmi sem tűnhet különcebb megoldásnak, mint a többszörös univerzumok segítségül hívása –, de ez természetes módon levezethető néhány (noha inkább bölcselkedő) elméletből, és új távlatba helyezi a mi univerzumunkat, amely így csupán a végtelen multiverzum egyetlen kiválasztott „atomja”.

A multiverzum

Vannak olyan beállítottságú emberek, akik elutasítják a „metafizikai” okoskodásokat. (Egy fizikus szemszögéből ez elmarasztaló lefokozásnak számít.) Én azonban úgy vélem, hogy a multiverzum fogalma természetes módon beletartozik a tudomány működési körébe, még akkor is, ha egyelőre nem több mint tapogatódzó feltételezés. Ez azért van, mert már körvonalazható, milyen kérdéseket kell feltennünk ahhoz, hogy hihetőbb alapokra helyezzük; s ami még fontosabb (mivel minden jó tudományos elméletnek cáfolhatónak kell lennie), előre látható néhány olyan fejlemény, amellyel kizárhatóvá válhat ez az elképzelés.
Az első buktató a Nagy Bummot követő kezdeti pillanatok szélsőséges fizikájával kapcsolatos tanácstalanságunk. Egyre inkább okunk van arra, hogy táguló univerzumunk magyarázataként komolyan vegyük a „felfúvódást”: az elmélet leghatározottabb és legáltalánosabb jóslatát, hogy az univerzum „sík”, szemmel láthatóan megerősítik a legújabb adatok (noha nem a legegyszerűbb formában: három alkotóelem – atomok, sötét anyag, és a vákuum λ energiája – járul hozzá a „sík” euklidészi jelleg kialakulásához). A felfúvódás tényleges részletei az első 10-35 másodpercben uralkodó fizikai törvényektől függenek, amikor olyan szélsőséges feltételek érvényesültek, amelyek messze kívül esnek a közvetlen kísérleti lehetőségeink hatókörén. De két lehetőség is adódik arra, hogy élethűen kitapasztaljuk, milyenek voltak ezek a feltételek. Először is, a nagyon korai univerzum feltűnő „ősmaradványokat” hagyhatott hátra mai univerzumunkban. Például a galaxishalmazoknak és szuperhalmazoknak – amelyeknek részletes tulajdonságait a csillagászok ma már tanulmányozni tudják – a „csírái” a felfúvódás során kialakuló mikroszkopikus fluktuációk voltak, így azok megfigyelése kulcsot adhat a korai fluktuációk kialakulásakor uralkodó egzotikus fizikához. Másodszor, egy egyesített elmélet is hitelesebbé válhat, ha új betekintést kínál a mikrovilág ma önkényesnek és titokzatosnak tűnő vonásaiba – például a különféle szubatomi részecskék (kvarkok, gluonok és így tovább) tulajdonságaiba és viselkedésébe. Ez esetben magabiztosabban alkalmazhatjuk az elméletet a felfúvódás időszakára is.
E két úton előrehaladva közelebb juthatunk a nagyon korai univerzum meggyőző leírásához. Ebben az esetben azok a számítógépes szimulációk, amelyek azt utánozzák, hogyan alakult ki univerzumunk mikroszkopikus méretekből, éppen olyan hihetővé válnak, mint mostani számításaink arról, hogyan keletkezett a hélium és a deutérium a tágulás első perceiben (5. fejezet), vagy hogy a kis fluktuációkból miként alakultak ki a galaxishalmazok és szuperhalmazok (8. fejezet).
Linde és mások már megpróbálkoztak „virtuális multiverzumok” szimulációjával, de a könyv megírása idején a számításokba bevitt adatok kiválasztása még nagyon önkényes volt: elméletileg túl sok lehetőség áll nyitva, és még nincs módunk választani közülük. Ezek az „örökké tartó felfúvódás”-sal kapcsolatos vizsgálódások (a 9. fejezetben szóltunk róluk) annyit már elárultak, hogy bizonyos, minden más ismeretünkkel összeférő feltételezés-csoportok sok univerzumra vezetnek, amelyek a téridő egymással össze nem függő tartományaiban végbemenő, elszigetelt Nagy Bummokból sarjadnak ki. Ezeket az univerzumokat közvetlenül sosem figyelhetjük meg, még elvileg sem. Arról sincs értelme beszélni, vajon a sajátunk „előtt”, „után” vagy „mellette” léteznek. Ha azonban a sokrészű világmindenséget (multiverzumot) megjósoló elmélet kiállná a „tűzkeresztséget” azzal, hogy meggyőzően magyarázna megfigyelhető jelenségeket, akkor a többi (megfigyelhetetlen) univerzumot ugyanolyan komolyan kellene vennünk, mint ahogyan megbízunk az atomon belüli kvarkokat vagy a fekete lyukak belsejébe zárt tartományokat leíró mostani elméleteinkben.
Ha valóban sok univerzum létezik, felvetődik a következő kérdés: mennyire változatosak ezek? A válasz ismét a fizikai törvények egyelőre még feltáratlan, mélyebb és egységesebb szinten megnyilvánuló jellegétől függ. Lehetséges, hogy egy „végső elmélet” mind a hat számunkra egyértelmű szabályt szolgáltat. Ha így adódna, akkor az összes többi univerzum, még ha létezik is, lényegében a miénk hasonmása volna, és a látszólagos „hangolás” ugyanolyan rejtélyes volna, mint ha a mi egyedüli univerzumunk lenne az egész valóság. Még mindig ugyanúgy zavarba ejtő volna, hogy a Nagy Bumm szélsőséges körülményei között bevésődött számsorozat miért esik történetesen éppen abba a keskeny tartományba, amely 10 milliárd év múltán ilyen érdekes következményekre vezethetett.
De van egy másik lehetőség is. Lehetséges, hogy a multiverzumban érvényesülő alaptörvények sokkal engedékenyebbek. Mindegyik univerzum külön úton fejlődhet, amelyet a saját univerzumunkban oly döntő fontosságú számkészlettől eltérő számok jellemeznek. Megszoktuk, hogy az előre nem látható dolgokat „történeti véletlennek” magyarázzuk itt a Földön (például, hogy miért van valahol egy különös hegység), de még a világűrben is (milyen egy köd alakja, vagy milyen egy galaxis formája). Az efféle dolgokat nem tudjuk mélyebben megmagyarázni, jóllehet nincs kétségünk afelől, hogy bizonyos mélyebb törvényszerűségekből adódnak. Ezt kiterjesztve, az elemi részecskék tömege és kölcsönhatásaik erőssége (ugyanúgy mint Ω, Q, és λ) másodlagos következménye lehet az egész multiverzumot uraló végső elméletnek (amely esetleg a szuperhúr-elméletek egyik változata).
Van egy párhuzam a „fázisátalakulásokkal”, azaz olyan mindennapos jelenségekkel, mint például a víz jéggé fagyása. Amikor egy egyedi univerzum felfúvódási szakasza véget ér, maga a tér (a „vákuum”) kíméletlen változáson megy keresztül. Az alapvető – a gravitációs, a nukleáris és az elektromágneses – erők a hőmérséklet csökkenését követően sorra „kifagynak”, és ezáltal N és ε értékét éppen úgy „véletlenszerűnek” tűnő módon rögzítik, ahogy véletlen mintázatot alkotnak a víz megfagyásakor keletkező jégkristályok. A Q szám, amelyet a mikroszkopikus méretű univerzumban kialakuló fluktuációk határoznak meg, szintén ezeknek az átalakulásoknak a lefolyásától függhet.
Bizonyos univerzumokban a dimenziók száma eltérően alakulhat, attól függően, hogy a kezdeti kilenc térbeli dimenzióból tágulás helyett mennyi gömbölyödött össze. Még a háromdimenziós terekben is másként alakulhat a mikrofizika, talán λ értéke is eltérő, attól függően, hogy a többi dimenzió milyen jellegű hatdimenziós térbe csavarodik fel. Az univerzumokban eltérő lehet Ω értéke (amely azt méri, mennyire sima az univerzum, s ezáltal meghatározza, milyen struktúrák alakulhatnak ki benne). Némelyekben a gravitációt a λ vákuumenergia taszító hatása annyira elnyomhatja, hogy nem alakulhatnak ki bennük csillagok és galaxisok. Vagy a magerők eshetnek kívül a kívánatos (ε = 0,007-hez közelítő) tartományon, amely lehetővé teszi, hogy elemek, például a szén és az oxigén stabilak legyenek és megtermelődhessenek a csillagokban; ez esetben nem létezhetne periódusos rendszer és kémia. Bizonyos univerzumok rövid életűek, és életük során mindvégig annyira sűrűk volnának, hogy minden a hőtani egyensúlyhoz közeli állapotban maradna, mindenütt egyforma hőmérséklettel.
Más univerzumok pedig egyszerűen túl kicsik és egyszerűek volnának ahhoz, hogy bennük bármilyen bonyolult szerkezet kialakulhasson. Kiemeltem egy alapvető, elképesztően nagy számot, N-t, – az egyes után harminchat zérus áll. Ennek nagysága a gravitáció gyengeségét tükrözi; nagyon nagyszámú részecske gyűlhet össze, még mielőtt a gravitáció fontossá válna – mint a csillagokban (amelyek gravitációsan kötött fúziós atomreaktorok). Az már a méret egyenes következménye, hogy a csillagoknak roppant hosszú élettartama lehetővé teszi a fotoszintetikus és evolúciós folyamatok kibontakozását a körülöttük keringő, erre alkalmas bolygókon. A 3. fejezetben elképzeltünk egy univerzumot, amelyben N nem érte el a hatalmas, 10^36 értéket, de egyébként minden más (beleértve a többi öt számot is) változatlan maradt. Csillagok és bolygók ekkor még létezhetnek, de kisebbek és a fejlődésük gyorsabb lett volna. Nem kínáltak volna elegendően hosszú időt az evolúciónak. A gravitáció mindent lerombolt volna, ami elég nagy ahhoz, hogy bonyolult szerkezetté fejlődjön.
Bármely „érdekes” univerzum receptjében kell lennie legalább egy nagyon nagy számnak: nyilvánvalóan nem sok történhet egy annyira összepréselt univerzumban, hogy csak kevés részecske lehet benne. Minden bonyolult tárgynak nagyszámú atomot kell tartalmaznia, a bonyolult fejlődéshez pedig elegendően hosszú ideig kell fennállnia – sokkal, sokkal hosszabb ideig, mint egyetlen atomi történés.
De a részecskék sokasága és a hosszú időtartam önmagában még nem elegendő. Még egy a miénkhez hasonlóan nagykiterjedésű, hosszú életű és stabil univerzumban is lehetséges, hogy csupán a sötét anyag élettelen részecskéi vannak, akár mert a fizika az atomoknak még a keletkezését sem teszi lehetővé, akár mert azonos számú antiatommal együtt már valamennyien megsemmisültek.

λ rejtélye

Ezek az elméleti megfontolások új távlatba helyezik λ-t, azt a kulcsfontosságú számot, amely az üres tér energiatartalmát fejezi ki. Azt tételezzük fel, hogy a vákuumban rejlik az az energia, amely a felfúvódást vezérli. Vagyis a távoli múltban A, tíz százhuszadik hatványával nagyobb lehetett, mint ma. Innen nézve meglepőnek látszik, hogy λ értéke ennyire közel kerülhetett a zérushoz. Ennek a rejtélynek a megoldására három lehetőség is kínálkozik.
Az egyik az, hogy a tér (amelyet esetleg apró, egymáshoz kapcsolódó fekete lyukak sokaságából álló „hab” tölt ki) mikroszerkezete valami módon pontosan ehhez a változáshoz igazította önmagát. A másik ötlet, hogy a csökkenés fokozatosan ment végbe, valami módon „követte” a hagyományos anyag sűrűségét, ezért nem véletlen, hogy a vákuum járuléka ma csaknem pontosan ugyanakkora, mint a rendes anyagé. Így Ω értéke 0,3 körüli, de a vákuumban még van elegendő energia ahhoz, hogy biztosítsa a hiányzó 0,7-et, amivel a teljes sűrűség elérheti a „sík” univerzumhoz szükséges kritikus értéket.
A harmadik lehetőség, hogy λ kicsiségének a mi univerzumunkban nincs más sarkalatos magyarázata, mint hogy „finomhangolása” (csakúgy, mint többi számunké) létezésünk nélkülözhetetlen előfeltétele. λ-t olyan hatásként képzelhetjük el, amely egy meghatározott sűrűségnél semlegesíti a gravitációt; ez történne abban a statikus univerzumban, amely a fogalom megalkotásakor Einstein gondolatait vezérelte. Így, miközben az univerzum tágul, és a közönséges anyag egyre gyérebbé válik, elérkezik egy olyan szakasz, amelyben a sűrűség egy küszöbérték alá esik, és a taszítás kezdi „legyőzni” a gravitációt. Saját univerzumunk átléphette ezt a határt, ezért a többi galaxis most már gyorsulva távolodik tőlünk. De képzeljünk el egy pontosan úgy „felállított” univerzumot, mint a miénk, csupán λ volt sokkal nagyobb. Akkor a taszítás sokkal hamarabb szót kapott volna. Ha ez az átalakulás még a galaxisok kialakulása előtt következett volna be, akkor később azok már sosem alakulhattak volna ki – egy ilyen univerzum meddő lenne.
A multiverzumban λ sokféle értéket vehetne fel: ez lehetne diszkrét számok sorozata (amelyet az extra dimenziók felcsavarodásának módja határoz meg), vagy a lehetőségek egy összefüggő sokasága. A legtöbb univerzumban λ sokkal nagyobb lehetne, mint a miénkben. De univerzumunk jellegzetes tagja lehet annak az alcsoportnak, amelyben galaxisok létrejöhetnek.

Egy kepleri érvelés

Az univerzum létrejötte még kozmológiai kívánalmak szerint is titokzatosnak tűnhet, de ezt befolyásolja, milyen súlyt tulajdonítunk az Ω és λ értékéről jelenleg folyó vitának. Néhány elméleti szakembernél mindenekfeletti előnyt élvez a legegyszerűbb univerzum, amelyben a sötét anyag mennyisége (ellentétben a jelenlegi bizonyítékokkal) éppen annyi, hogy Ω értéke pontosan egységnyi legyen. Ebből az univerzum kezdeti szakaszában olyan behangolás adódik, amely nem csupán figyelemre méltó, hanem teljesen tökéletes. Számukra kényelmetlenül zavaró, hogy Ω értéke mondjuk 0,3, és még inkább zavarók a λ nem zérus értékéből adódó különleges bonyodalmak. De mint láttuk, most úgy tűnik, hogy az ilyen egyszerűség iránti sóvárgásunkat fel kell adni.
Talán párhuzamba állíthatjuk ezt egy 400 évvel ezelőtti vitával. Kepler felfedezte, hogy a bolygók nem kör, hanem ellipszis alakú pályákon keringenek. Galileit ez mélységesen megrázta. Így írt: „Az univerzum részei közti tökéletes rend fenntartásához ki kell mondanunk, hogy a mozgó testek csak körkörösen mozoghatnak.”[22]
Galilei számára a körök szebbnek tűntek, és egyszerűbbek voltak – csupán egyetlen számmal, a sugárral jellemezhetők, miközben az ellipszishez egy további, az alakját („excentricitását”) jellemző számot is meg kell adni. Newton azonban később megmutatta, hogy valamennyi elliptikus pálya egyetlen egységes gravitációelmélettel értelmezhető. Ha Galilei a Principia megjelenésekor még élt volna, Newton éleselméjűsége bizonyára megnyugtató módon összebékítette volna az ellipszisekkel.
A párhuzam nyilvánvaló. Egy univerzum, amelyben Ω kicsi, λ nem zérus, és így tovább, csúnyának és bonyolultnak tűnhet. De ez talán csak korlátozott szemléletmódunk miatt van így. Földünk a végtelen sok lehetőség közül kiválasztott ellipszispályán mozog, pályáját csupán az a követelmény korlátozza, hogy rajta az evolúció számára kedvező környezet alakulhasson ki (ne legyen a Naphoz sem túl közel, sem túl távol). Ehhez hasonlóan univerzumunk is csupán egy lehet az összes lehetséges univerzumok együttesében, amelyet csupán egyetlen követelmény korlátoz, hogy tegye lehetővé felemelkedésünket. Ezért úgy vélem, könnyű végigmenni Ockham[23] beretváján: az „egyszerű” kozmológiák iránti részrehajlás éppen olyan szűklátókörűség, mint Galilei belehabarodása a körökbe.
Ha valóban különféle „kozmikus számokkal” jellemezhető univerzumok sokasága létezik, akkor mi az egyik kicsi és nem jellegzetes alcsoportban vagyunk, amelyben a hat szám bonyolult evolúciót tesz lehetővé. Univerzumunk látszólag „megszerkesztett” vonásain nem lepődhetünk meg jobban, mint amennyire meglepődünk az univerzumban elfoglalt különleges helyzetünkön. Egy olyan bolygón vagyunk, amelynek légköre van, anyacsillagától különleges távolságban kering, úgyhogy ez valóban nagyon „különleges”, egyáltalában nem tipikus hely. A térben véletlenszerűen kiválasztott hely távol esne minden csillagtól – igazából az a legvalószínűbb, hogy valahol az intergalaktikus térben volna, több millió fényévnyire a legközelebbi galaxistól.
A könyv megírásának idején az a felfogás, hogy hat számunk a kozmikus történelem véletlene, nem több puszta megérzésnél. De szilárdabb alapokat kaphat, ahogy egyre jobban megértjük az alapjául szolgáló fizikát. Még fontosabb, hogy mint minden valóban tudományos feltételezés, megcáfolható: ha e számokról kiderülne, hogy még annál is különlegesebbek, mint amit jelenlétünk megkíván, akkor más értelmezést kellene keresnünk.
Tételezzük fel például, hogy l, (a mostani bizonyítékok ellenére) 0,001-nél kevesebbel járul hozzá a kritikus sűrűséghez, és így ezerszer kisebb, mint ami pusztán annak a biztosításához szükséges, hogy a kozmikus taszítás ne gátolja meg a galaxisok kialakulását. Ez fokozná a gyanút, hogy valamilyen alapvető okból mégis pontosan zérus. Hasonlóképpen, ha a Föld pályája pontosan kör alakú volna (noha ugyanilyen kényelmesen élhetnénk egy szerény mértékben excentrikus pályán), az az olyasféle magyarázatoknak kedvezne, amilyet Kepler és Galilei is előnyben részesített volna, miszerint a bolygók pályáit pontos matematikai arányok rögzítik.
Ha az alapvető törvények egyértelműen meghatározzák valamennyi kulcsszámot úgy, hogy matematikailag nem egyeztethető össze velük semmilyen más univerzum, akkor kellene elfogadnunk, hogy a „hangolás” pusztán véletlen tény volt, vagy maga a Gondviselés. Másfelől, ha a végső elmélet megengedné olyan multiverzum létezését, amelynek fejlődését ismétlődően Nagy Bummok szaggatják meg, akkor az alapvető törvények, az egész multiverzumra alkalmazva, egyedi univerzumok sokféleségét tennék lehetővé.

Haladás és kilátások: összegzés

A nagyon korai univerzum leírása és a multiverzum fogalmának tisztázása a XXI. század kihívása. Ezek a kihívások kevésbé elbátortalanítók, ha visszanézünk arra, mit értünk el a XX. században. Száz évvel ezelőtt rejtély volt, miért ragyognak a csillagok, fogalmunk sem volt mindarról, ami Tejútrendszerünkön túl található, amelyről feltételezték, hogy egy megállapodott rendszer. Ezzel szemben jelenlegi látóhatárunk 10 milliárd fényévig nyúlik, és történetét időben visszafelé a „kezdetet” követő töredékmásodpercig nyomon tudjuk követni.
Fizikai tapasztalataink még saját Naprendszerünkre korlátozódnak, de távcsöveink és érzékelőink már olyan távoli galaxisok tanulmányozását is lehetővé teszik, amelyeknek a fénye a Nagy Bummtól számított időtartam 90 százalékában már útban volt felénk. Feltérképeztük, legalábbis körvonalaiban, az általunk elvileg elérhető térfogat nagy részét, jóllehet gyanítjuk, hogy látóhatárunkon túl univerzumunkat jóval hatalmasabb térfogat fogja körül, amelyből a fénynek még nem volt ideje (és talán soha nem is lesz) elérni hozzánk.
Részletes megfigyelésekből (amelyek nem csupán a közeli galaxisokra, hanem olyan távoli galaxispopulációkra is kiterjedtek amelyeket olyannak látunk, amilyenek 10 milliárd évvel ezelőtt lehettek) megtanultuk, hogyan alakultak ki a kozmikus struktúrák, és hogyan fejlődtek a galaxisok.
Ezt a fejlődést az az előre nem látható véletlen tette lehetővé, hogy az alapvető fizikai törvények megérthetők, és nem csupán a Földön érvényesülnek, hanem a legtávolabbi galaxisokban is, és nem csupán most, hanem univerzumunk tágulásának első néhány másodpercében is. Csak a kozmikus tágulás első ezredmásodpercében és mélyen a fekete lyukak belsejében találjuk szembe magunkat olyan feltételekkel, amelyeknek az alapvető fizikája egyelőre ismeretlen.
A kozmológusok már nincsenek kiéhezve adatokra. A jelenlegi fejlődés sokkal inkább a megfigyelőknek és kísérletezőknek köszönhető, mintsem a karosszékben üldögélő elméleti kutatóknak. De a jövőben lesznek karosszékben ülő „megfigyelők” is. A galaxis felmérések eredményei, az égbolt részletes „térképei” stb. elektronikusan bárki számára hozzáférhetők lesznek, aki képes elérni és letölteni őket. Egy sokkal nagyobb közösség vehet majd részt kozmikus lakóhelyünk felkutatásában, amelynek tagjai ellenőrizhetik saját „megérzéseiket”, új mintákat kereshetnek, és így tovább.
Megfigyeléseink egyenletesen javulnak, de megértésük zegzugos úton halad előre. Az előrehaladás fűrészfogszerűen követi az elméletek felemelkedését, majd azok bukását, de az általános irányzat emelkedő. A fejlődés még hatékonyabb távcsöveket és egyre nagyobb teljesítményű számítógépeket igényel, ami valószerűbb szimulációkat tesz lehetővé.
A tudománynak három nagy határterülete van: a nagyon nagy, a nagyon kicsi és a nagyon összetett. A kozmológia valamennyit magába foglalja. Néhány éven belül a kozmikus számokat – λ-t, Ω-t és Q-t – olyan pontosan megmérjük, ahogyan a Föld alakját és méretét meghatároztuk a XVIII. századtól kezdődően. Akkor megoldhatjuk majd a „sötét anyag” problémáját is.
De alapvető kihívás marad a kezdet kezdetének megértése – ezzel meg kell várnunk a „végső elmélet”-et, talán a szuperhúr-elméletek egy változatát. Egy ilyen elmélet lezárná azt a szellemi kalandozást, amely Newtonnal kezdődött, s Maxwellen, Einsteinen és követőikön keresztül folytatódott. Ez ugyanúgy elmélyítené a térrel, az idővel és az alapvető erőkkel kapcsolatos ismereteinket, mint ahogyan megmagyarázná a nagyon korai univerzumban és a fekete lyukak belsejében végbemenő folyamatokat.
Lehet, hogy ez a cél elérhetetlen. Lehet, hogy nincs „végső elmélet”, vagy ha mégis van, megragadása meghaladhatja szellemi teljesítőképességünket. De – még ha el is érnénk ezt a célt – lehet, hogy ez nem vetne véget a tudomány kihívásainak. A kozmológia nem csupán „alapvető” tudomány, hanem a legnagyobb környezeti tudomány is. Célja az, hogy megértsük, miként fejlődött ki egy egyszerű „tűzgolyóból” az a bonyolult kozmikus lakókörnyezet, amelyet magunk körül látunk – és hogy itt a Földön, s talán sok más bioszférában szerte a világmindenségben miként fejlődtek ki olyan teremtmények, akik képesek azon töprengeni, hogyan emelkedtek fel.
Richard Feynman, hogy megvilágítsa a kérdést, gyakran hivatkozott egy tetszetős hasonlatra. Képzeljük el, hogy korábban sosem láttuk, hogyan játsszák a sakkot, mégis néhány játszma megfigyelése után ki tudnánk következtetni a játék szabályait. A fizikusok hasonlóképpen fejtik meg a természet alapelemeit uraló törvényeket és átalakulásokat. A sakkban a lépések megtanulása csupán jelentéktelen bevezető az egyre teljesebb odaadást igénylő fejlődésben, amely a kezdőtől a nagymesterig vezet. Ennek mintájára, még ha ismernénk is az alapvető törvényeket, annak felderítése, hogy következményeik hogyan bontakoztak ki a kozmikus történelem során, véget nem érő kutatást kívánna. Tudatlanok vagyunk a kvantumgravitáció, a szubnukleáris fizika területén, hasonlóan korlátozottak ismereteink a „kezdet” kezdetével kapcsolatban. De a mindennapi világ értelmezéséhez és a csillagászok által megfigyelt jelenségekhez kapcsolódó nehézségek a jelenségek bonyolultságából fakadnak. Minden a szubatomi szinten végbemenő folyamatok eredménye, de még ha ismernénk is a mikrovilágot irányító, idevágó egyenleteket, gyakorlatilag akkor sem tudnánk őket egy molekulánál összetettebb szerkezetre megoldani. Sőt még ha tudnánk is, az eredményként „levezetett” magyarázat nem világítaná meg a dolgokat. A bonyolult jelenségek értelmezésére új, „kiemelt” fogalmakat vezetünk be. (Például a turbulencia, a folyadékok nedvessége, a szilárd testek szerkezete egyaránt az atomok kollektív viselkedéséből ered, és az atomfizikára „vezethető vissza”, de ezek önállóan is létező, fontos fogalmak; még inkább ilyenek a „szimbiózis”, a „természetes kiválasztódás” és egyéb biológiai folyamatok.)
A sakk-hasonlat valami másra is emlékeztet minket. Nincs rá esély, hogy véges, megfigyelhető univerzumunk, noha 10 milliárd fényéves kiterjedésben vesz körül minket, már „kijátszotta” volna minden lehetőségét. Ez azért van, mert minden becslés az események lehetséges láncolatainak számára hamar vezet még sokkal nagyobb számokra, mint amekkorákkal eddig találkoztunk. Az egymástól különböző sakkjátszmák száma, még a két játékos három-három lépése után is 9 millió. Sokkal több negyven lépéses játszma van, mint a látóhatárunkon belül eső 10^78 atom: még ha a világmindenség valamennyi anyagából sakktáblákat készítenénk is, a lehetséges játszmák többségét akkor sem tudnánk egyszerre lejátszani. És egy táblásjáték lehetőségeinek sora nyilvánvalóan elenyésző a természet által megengedett változatossághoz képest.
Még a legegyszerűbb élettelen rendszer is általában túlságosan „kaotikus” ahhoz, hogy viselkedése kiszámítható legyen. Newtonnak valójában szerencséje volt, hogy a bolygók pályájában megtalálta a természet azon kevés megnyilvánulásának egyikét, amely pontosan előrelátható! Bármely biológiai folyamat egy sakkjátszmánál félelmetesen több változatot foglal magába, s miközben bonyolultsága kibomlik, minden lépésnél egyre több elágazási pont van. Ha minden galaxisban több millió Föld-szerű, életnek otthont adó bolygó volna, mindegyik bioszféra különböző lenne. (Látóhatárunkon messze túl azonban, szó szerint végtelenül nagy terület lehet, ahol a körülmények minden lehetséges kombinációja megvalósulhat – és csakugyan végtelenül gyakran ismétlődhet.[24]) Ez a kilátás óva inthet minket a tudományos önhittségtől – attól, hogy eltúlozzuk, mennyit is érthetünk meg valójában a természet bonyolultságából.
E könyv témája a mikrovilág és a világmindenség bensőséges kapcsolata volt, amelyet az ouraborus jelképezett (1.1. ábra). Mindennapi világunk, amelyet félreérthetetlenül a szubatomi erők öntöttek formába, létezését ugyanúgy köszönheti annak is, hogy univerzumunk tágulási üteme jól van hangolva, bizonyos folyamatok létrehozták a galaxisokat, kialakult régvolt csillagok kohójában a szén és az oxigén, és így tovább. Néhány alapvető fizikai törvény felállította a „szabályokat”: felemelkedésünk érzékenyen függött egy egyszerű Nagy Bummtól induló hat „kozmikus szám”-tól. Ha ezek a számok nem lettek volna „jól hangolva”, a bonyolultság rétegről rétegre történő fokozatos kibontakozása megakadt volna. Vajon létezik-e végtelen sok másik univerzum, amelyek „rosszul hangoltak”, és éppen ezért meddők? A mi teljes univerzumunk csupán egy „oázis” lenne egy multiverzumban? Vagy más okokat kell keresnünk hat számunk gondviselésszerű értékeire?

Jegyzetek

[1] Univerzumunk teljes, a legnagyobbtól a legkisebbig terjedő méretskáláját bemutató képsorozat először a holland Kees Bieke Cosmic View: the Universe in Forty Jumps (Kozmikus látvány: az univerzum negyven ugrásban, John Day, 1957) című könyvében jelent meg, de később továbbfejlesztették, és szélesebb körben is ismertté vált Powers of Ten (A tíz hatványai) című filmben és könyvben, amelyet Charles és Ray Eames irodája, továbbá Philip és Phylis Morrison forgalmazott. (W. H. Freeman, 1985.)

[2] Egy alternatív módszerrel a csillag helyzetét ismétlődően olyan pontossággal határozzák meg, amelyből következtethetnek az „imbolygására”. (Míg a Doppler-eljárásnál a látóvonal irányába eső mozgásokat mérik, ezzel a módszerrel az égbolt síkjára merőleges mozgásokat határozzák meg.)

[3] Az ökológiai niche fogalma egyrészt azt a teret jelenti, ahol az adott faj él, másrészt a funkcionális kapcsolatokat és a szerepkört is. (A szerk.)

[4] Ez az a mechanikai munkavégzés, amellyel egy gömbből egy atom eltávolítható. Úgy képzelhető el, mint egy „inverz négyzetes” erő, amelynek nagysága (tömeg)/(sugár)2 szorozva azzal a (sugár)-ral arányos távolsággal, amelyen az erő kifejti hatását. Ez „kötési energia” néven is ismeretes. Nagysága a (tömeg)/(sugár) arányában változik, azaz (tömeg)2/3-dal, mert állandó sűrűség mellett a (sugár) a (tömeg)1/3-ával arányos.

[5] The End of Time (Az idő vége). Weidenfeld & Nicolson, 1999.

[6] A szingularitás közelében fellépő rendkívüli feltételek bizonytalan volta nem ingatja meg a fekete lyukak létezésébe vetett hitünket vagy külső tulajdonságaik megértését. Ahogy a kvarkok rejtélye sem csökkenti bizalmunkat az atomok standard fizikája iránt, amely az elektronok jóval nagyobb méretekben megnyilvánuló tulajdonságain alapul.

[7] Livio et al. (Nature, 340, 281 1989.) kiszámították, mennyire érzékeny a szén kialakulása a magfizikai változásokra.

[8] Einstein elméletének megfelelően a gravitációs vonzás nem egyedül a sűrűségtől függ, hanem [(sűrűség)+3(nyomás)/c^2]-től. A második tag figyelmen kívül hagyása egy kettes szorzóval arányos eltérést okoz olyankor, amikor a sugárzás nyomása fontossá válik. De a 7. fejezetben látni fogjuk, hogy még vákuumban (az üres térben) is lehet valamennyi energia. Ha van, akkor annak a nyomása negatív (azaz olyan, mint egy „feszültség”). A második tag ekkor kiejti az elsőt, ami nagy minőségi változást okoz: a tágulás valójában nem lassul, hanem gyorsul. Ez a józan észnek ellentmondó eredmény fontossá válik a korai felfúvódó univerzumban, és jelenleg is, amikor az üres tér energiája (λ – lásd a 7. fejezetben) válik uralkodóvá.

[9] A Nap középső és külső rétegei között nincs keveredés, ezért a belső részében több hélium keletkezhet a magfúzió során, amely történetének eddigi 4,5 milliárd éve alatt a Nap a sugárzását fenntartotta.

[10] A kritikus sűrűség pontos értéke, és valójában néhány más, itt idézett sűrűség is, az univerzum jelenlegi méretétől függ – attól az adattól, amit a „Hubble-állandó” meghatározásának nehézségei miatt csak 10-20 százalék pontossággal ismerünk. Ezek a kérdések maguk is egy teljes könyvet érdemelnének. A szakemberek kedvéért azonban megemlítem, hogy az itt idézett számok (szokásos egységekben) a Hubble-állandó 65 kilométer/másodperc/megaparszek értékének felelnek meg.

[11] Egy sokkal érdekesebb kérdés, vajon az inverz-négyzetes törvény érvénye nagyon kis méretekben megtörik-e – vagy ami többé-kevésbé ugyanazt jelenti –, a néhány méternél kisebb méretekben szerepet kap-e egy különleges „ötödik erő”. A szuperhúr-elméletekkel kapcsolatos okoskodások (lásd a 10. fejezetet) azt sejtetik, hogy a rendkívüli térdimenziók ezen az úton észrevehetően megnyilvánulhatnak. Erre azonban ismét csupán soványka, a kívánatosnál sokkal pontatlanabb kísérleti bizonyítékok vannak, mivel a laboratóriumi méretű tárgyak közt gyenge a gravitáció.

[12] Kevesebb deutérium nagyobb sűrűség mellett látszólag fonák eredmény, de valójában teljesen természetes. Minél nagyobb a sűrűség, az atommagok annál gyakrabban ütköznek, és a magreakciók annál gyorsabban alakítják át az (egyprotonos) hidrogént (kétprotonos és kétneutronos) héliummá. Az (egy protont és egy neutront tartalmazó) deutérium közbenső termék. Ha a sűrűség nagy volna, nem sok maradna meg belőle, mert a reakciók olyan gyorsan mennének végbe, hogy a deutérium nagy része héliummá alakulna. Ha viszont a sűrűség kisebb volna, több deutériumra számíthatnánk, ami univerzumunk létezésének első három percének „maradványa”. Az összefüggés nagyon érzékeny, ezért bármely, a deutérium hányadát ésszerű pontossággal megadó mérés megadhatja az univerzum atomjainak átlagos sűrűségét.

[13] A bizonyítékok ténylegesen a neutrínó két fajtájának tömegnégyzete közt lévő különbséget adják meg. A Kamiokande egy régebbi változata tizenegy olyan eseményt jegyzett fel, amely a 4. fejezetben említett, közeli, 1987-es szupernóva nagyenergiájú neutrínóitól származott; egy ohiói sóbányában végzett amerikai kísérlet további nyolcat jelzett. Ezeket a számokat megelégedéssel nyugtázták az asztrofizikusok, mivel jól egyeztek a szupernóva-elméletek jóslataival.

[14] Bármely atom vagy molekula fényének egymást követő hullámhegyei az atom vagy molekula – amely lényegében egy mikroszkopikus óra – rezgéseiből származnak. Ha a forrás távolodik, a hullámhegyek lassabban érkeznek meg, a hullámhossz megnyúlik.

[15] A Nature's Imagination (A természet képzelőereje) című könyvből. Szerkesztette J. Cornwell, Oxford University Press, 1998.

[16] Ez első pillantásra látszólag ellentmond annak az állításnak, hogy Q minden léptékben ugyanakkora. Q-t ténylegesen úgy határozzák meg, hogy az átlagsűrűséget megszorozzák a távolságlépték négyzetével. Newton gravitációs törvénye értelmében egy gömb felszínén a gravitációs kötési energia a tömeg/sugár aránytól függ. Azonos sűrűségű, de eltérő tömegű gömbök esetében a tömeg (sugár)3-bel arányos, így a kötési energia a (sugár)2-tel arányosan változik. Ezért nagyobb méretekben a sűrűségfluktuációk amplitúdója kisebb.

[17] Elcsodálkozhatnánk azon, miért törlődnek el a galaxisokon belüli alszerkezetek, miközben maguk az egyes galaxisok a galaxishalmazokban (amelyek nem válnak egyetlen „szupergalaxissá”) is megmaradnak. Ennek az az oka, hogy a lépcsőzetes felépülés későbbi lépcsőfokain a gáz már túlságosan forró és szétszórt ahhoz, hogy csillagokba sűrűsödjön. A csillagképződés folyamata a galaxisoknál nagyobb méretekben „elcsitul”.

[18] Különösen zavaró lett volna, ha a COBE által milliméteres hullámhosszakon mért intenzitás gyengébbnek adódik, mint amit a centiméteres hullámhosszakon már megbízhatóan meghatározott értékek kiterjesztése alapján jósoltak. Nagyon sok folyamat adhat többletjárulékot a milliméteres hullámhosszú sugárzáshoz – például portól, vagy nagyon nagy vöröseltolódású csillagoktól származó sugárzás –, éppen ezért azon nem kellett volna meglepődnünk, ha intenzitása erősebb, mint egy hasonló hullámhosszakon sugárzó fekete testé. De nehéz lett volna értelmezni egy milliméteres hullámhosszhoz tartozó olyan hőmérsékletet, amely alacsonyabb, mint a centiméteres hullámhosszhoz tartozó.

[19] The Inflationary Universe. Kiadta Jonathan Cape, 1997.

[20] Time's Arrow. Kiadta Jonathan Cape, 1991.

[21] John Polkinghorne: Quarks, Chaos and Christranity (Kvarkok, káosz és kereszténység). SPCK Triangle Press, 1994.

[22] Párbeszédek a világ két fő rendszeréről.

[23] Ockhami Vilmostól (William of Ockhamtol) származik az a nézet, mely szerint (latinból fordítva): „Ne sokszorozd meg a lényeget többször, mint ahányszor feltétlenül szükséges.”

[24] Miként azt John Barrow kozmológus gúnyosan megjegyezte: „ha ez az állítás igaz, bizonyára nem eredeti”.

Tartalom

- Előszó

- Köszönetnyilvánítások

- Az univerzum és a mikrovilág

- Hat szám

- A világ egy gumiobjektíven keresztül

- Nagy számok és eltérő léptékek

- Remélhetjük, hogy megértjük univerzumunkat?

- Kozmikus lakóhelyünk I

- Protobolygók

- Más bolygórendszerek?

- Az anyagtól az életig

- Az egyszerű élettől az értelemig

- Idegenekkel közös kultúra?

- A nagy N szám

- Kis és nagy léptékű gravitáció

- Mi az N, és miért olyan nagy?

- Newtontól Einsteinig

- Erős gravitáció és fekete lyukak

- Atomi méretű fekete lyukak

- Csillagok, a periódusos rendszer és az ε

- A csillagok mint „magfúziós reaktorok”

- Alkímia a csillagokban

- A galaktikus ökológiai rendszer

- Nukleáris hatásfok: ε = 0,007

- Az ε behangolása

- Kozmikus lakóhelyünk II

- Galaxisok univerzuma

- Univerzumunk szövete: a kozmikus háló

- A tágulás

- A múltba visszanézve

- A galaxisok előtt

- Magreakciók a Nagy Bummban

- Finoman hangolt tágulás

- Kritikus sűrűség

- Mennyi sötét anyag van?

- Mi lehet a sötét anyag?

- Az egzotikus részecskék kérdése

- A választék szűkítése

- Miért anyag és nem antianyag?

- A kezdeti tágulás behangolása

- A λ szám

- Távoli szupernóvákra vadászva

- Gyorsuló univerzum?

- A zérustól különböző λ esete

- A hosszútávú jövő

- Elsődleges „fodrozódások”

- Gravitáció és entrópia

- A Nagy Bummtól a galaxisokig

- Fodrozódások a mikrohullámú utánizzásban

- „Virtuális” univerzumok fejlődése

- Mennyit jósolhatunk meg?

- Q behangolása

- Kozmikus lakóhelyünk III

- Mennyire hihető a Nagy Bumm története?

- A mikrovilág egységesítése

- Az „inflációs” elképzelés

- Ellenőrizhető-e az inflációs elmélet?

- Más maradványok

- A „semmiből”?

- Látóhatárunkon túl, a multiverzumok felé

- Három dimenzió (és még több)

- Miért különleges a D=3?

- Idő és az idő nyila

- Nagyobb méretekben: felhasogatott dimenziók?

- A tér és az idő mikro szerkezete: kvantumgravitáció

- Szuperhúrok

- Véletlen, gondviselés

- Mit jelent a finomhangolás?

- A multiverzum

- λ rejtélye

- Egy kepleri érvelés

- Haladás és kilátások: összegzés

- Jegyzetek