Katie Mack elméleti asztrofizikus, az univerzum kezdetét, evolúcióját és végét kutató csillagászati és fizikai kozmológia számos területével foglalkozik. Kutatásai mellett aktív tudomány-népszerűsítő (több százezer Twitter-követővel), aki szellemes és könnyed stílusban tudja tudományága keveseknek hozzáférhető megállapításait a laikus olvasóközönség számára is érthetően közvetíteni. Könyvében az univerzum végéről való gondolkodás jelenleg rendelkezésünkre álló eredményeit mutatja be: szuperteleszkópok és részecskegyorsítók legfrissebb megfigyelései rajzolják át eddigi ismereteinket elképesztően izgalmas (és egyben félelmetes) új lehetőségekkel, és változtatják meg nézeteinket arról, hogy mi képzelhető el (és mi nem) a kozmosz távoli jövőjében. Költők és filozófusok a történelem kezdete óta vitáznak és tépelődnek azon a kérdésen, hogy miként fog véget érni a világ. Hála a természettudományoknak, ma már pontosan tudjuk a választ: tűz emészti el. Katie Mack segítségével a meredély legszélére állva tekinthetünk le a végtelen sötétségbe – tudományos szempontból.
Katie Mack: A mindenség vége (mármint asztrofizikai szempontból) (részlet)
Ford. Dedinszky Zsófia
A nem is olyan üres tér
A fizika alapjainak világrengető változtatásaihoz képest a kozmológiai állandó nem is volt olyan forradalmi ötlet. Sőt, nem is volt új: eredetileg Einstein találta ki,[1] mert jól beleillett a világegyetem fejlődését leíró gravitációs egyenleteibe. Kitalálása egy alapvető hibában gyökeredzett, és abban a formában nem is lett volna szabad leírni. De Einstein szíve mégis a helyén volt. A kozmológiai állandó bevezetésének indoka ugyanis az volt, hogy megmentse az univerzumot a katasztrofális összeomlástól. Vagy, még pontosabban, attól, hogy az univerzum már addigra katasztrofálisan össze legyen omolva. Einstein a gravitáció szakértőjeként pontosan tudta, hogy az összes elérhető adatból az a kellemetlen következtetés adódik, hogy a gravitációnak már réges-rég el kellett volna pusztítania a világegyetemet. Ez 1917-ben történt, közel fél évszázaddal az ősrobbanás elméletének széles körű elfogadása előtt, amikor még a legtöbben úgy vélték, hogy a kozmosz statikus és változatlan. Csillagok születnek és meghalnak, az anyag néha átrendeződik, de a tér tér marad – az a változatlan háttér, amely előtt ezek a dolgok történnek. Így hát, amikor Einstein észrevette, hogy vannak látszólag mozdulatlan csillagok az égen,
azonnal tudta, hogy az univerzum nagy bajban van.
Tudta, hogy azokat a csillagokat vonzaniuk kellene másik csillagoknak, és így mindennek lassanként egymás felé kellene elmozdulnia. Az sem számít, ha azok a csillagok nagyon messze vannak egymástól, a gravitáció ugyanis végtelen és kizárólag vonzásra képes erő. (Megjegyezném itt, hogy mindez azelőtt történt, mielőtt másik galaxisok létezéséről tudomást szereztünk volna, különben Einstein ugyanezt az érvelést a galaxisokra is alkalmazhatta volna. A probléma ugyanaz.) Egy változatlan univerzumban soha nem lehetünk valamitől túl távol ahhoz, hogy ne érezzük a vonzását valamilyen szinten, és idővel ennek a vonzásnak mindenkit egy helyre kellene húznia. Einstein számításaiból az jött ki, hogy bármilyen világegyetemnek, amelyben nagy tömegű tárgyak vannak jelen, már rég össze kellett volna omlania. A kozmoszunk létezése már önmagában ellentmondás.
Ez persze elég rosszul festett. Szerencsére Einstein kitalált egy ügyes kis kibúvót az általános relativitáselméletében, amellyel megmentette az univerzumot. Semmi sincs a térben, ami ellen tudna állni a csillagok vonzásának, de talán a tér maga képes rá. Einstein már korábban kidolgozott egy gyönyörűséges egyenletet arra, hogy miként változik a tér alakja a kozmoszban lévő dolgok gravitációs vonzásának hatására. Ahhoz, hogy a tér gravitációs vonzás miatti azonnali összeomlását elkerülje, csupán azt kellett megállapítania, hogy az egyenlete nincs kész – és be kell vezetnie egy olyan tagot, amely képes kifeszíteni a teret a gravitációval bíró testek között, ezzel tökéletesen kisimítva a gravitáció által amúgy okozott ellentmondást. A bevezetett állandó nem az univerzum valami eddig ismeretlen elemét jellemezte, csupán a tér egy új tulajdonságát írta le, amely szerint a tér minden pontjának van valamilyen taszítóereje. Ahol sok a tér és kevés az anyag (például a csillagok vagy galaxisok közötti űrben), ott ez a taszítóerő képes a gravitációs erőt ellensúlyozni.
Tá-dá! Az egyenlet működött. Tökéletesen leírt egy olyan statikus világegyetemet, amely nem omlik azonnal össze a benne lévő csillagok és galaxisok hatására. Einstein ismét nagyot alkotott.
Csak egy bökkenő volt. Az univerzum nem statikus.
Ez néhány évvel később vált nyilvánvalóvá a csillagásztársadalom előtt, amikor kiderült, hogy azok az égen látható maszatok, amelyeket eddig „spirális ködöknek” neveztek, valójában másik galaxisok. Nem sokkal később Hubble ezeknek a galaxisoknak a vöröseltolódásából kiindulva pedig bebizonyította, hogy az univerzum valójában tágul. Míg egy olyan univerzum, amelyben csak gravitációs erő van, pusztulásra van ítélve, a táguló világegyetem megmenthető, legalábbis időlegesen, a saját tágulása révén. A gravitáció ugyan lassítja a tágulást, sőt előbb-utóbb vissza is fordítja, de az univerzum évmilliárdokat nyer a robbanásnak köszönhető kezdeti tágulás, illetve annak következményei miatt. (Hogy miként kezdődött a tágulás, az más lapra tartozik, itt csak azt szeretnénk, hogy az univerzum ne legyen olyan végzetes bajban, hogy már tulajdonképpen most sem lenne szabad léteznie, és erről a kozmológiai állandó és a tágulás is jól gondoskodik.)
A táguló világegyetem felfedezése teljesen új fejezetet nyitott a kozmológiában, és adott egy kis pironkodnivalót Einsteinnek, aki némi vonakodás árán végül is kiszedte a kozmológiai állandót az egyenleteiből, és odébbállt, hogy a fizika más, alapvető területeit forradalmasítsa inkább. Így telt-múlt az idő, és az univerzum fejlődését már-már megérteni véltük, amikor 1998-ban a szupernóvamérés megint mindent összezavart. A gyorsuló tágulás azt jelentette, hogy kozmológiai állandót ismét elő kellett húzni a fiókból, és csak az az egy sovány vigaszunk lehetett, hogy addigra már túl késő volt ahhoz, hogy Einstein a szemünkbe vágja: „Én megmondtam!”
De csak mert a kozmológiai állandó lehetővé teszi az univerzum gyorsuló tágulását, az még nem jelenti azt, hogy ez mindenki szerint okos és elfogadható megoldás.[2] Elméleti szempontból semmi sem magyarázza, miért annyi a kozmológiai állandó értéke, amennyi. Miért létezik egyáltalán, ha csak nem azért, hogy rendbe tegyen nekünk néhány egyenletet? Ha pedig már van egy ilyen kozmológiai állandó, miért nem valami nagyobb szám? Az egyik leglogikusabb az lenne, ha egy ilyen konstans az univerzum vákuumenergiájához kötődne – azaz az üres tér energiáját jellemezné, amely olyan furcsa dolgokért felelős, mint azok a virtuális részecskék, amelyek a létezésbe ki-be képesek járkálni. De a kvantumtérelmélethez szükséges vákuumenergiára a számítások mintegy 10120-szor akkora számot adnak, mint amennyinek a kozmológiai állandót találtuk. Ha nem ismerjük ezt a jelölést: a 10120 annyit tesz, mint a tíz 120-szor megszorozva önmagával. Ez még az asztrofizikában is, ahol néha azért lazábban bánunk a számokkal, nagy eltérésnek számít. Ha tehát a kozmológiai állandó nem a kvantumelmélészek kedvenc vákuumenergiája, akkor micsoda?
„A kozmológiai állandó problémájára” valaki azt a megoldást javasolta, hogy ez a konstans talán kicsi az általunk megfigyelhető univerzumban, de tőlünk sokkal távolabb talán más értékeket vesz fel, és csak a véletlenen múlik, hogy mi hol mérjük. (Vagy nem is a véletlenen múlik, hanem szükségszerűen alakult így, hiszen a kozmológiai álladó radikálisan eltérő mértéke talán az élet és az intelligencia kialakulása ellen dolgozna, például mert az űr azokon a helyeken túl gyorsan tágulna ahhoz, hogy abban egyáltalán galaxisok formálódhassanak.) Egy másik lehetőség, hogy ez nem is egy kozmológiai állandó, hanem valamifajta kozmológiai állandót mímelő energiamező, amely idővel változhat, és ebben az esetben elképzelhető, hogy más okból fejlődött azzá, amilyen ma.
Mivel nem tudhatjuk, hogy igazi kozmológiai állandó vagy sem,
általában minden olyan feltételezett jelenséget, amely az univerzum tágulását gyorsítja, sötét energiának nevezünk.
Hogy még néhány szakkifejezést bedobjak itt, a változó (azaz nem konstans) sötét energiát gyakran hívják kvintesszenciának is, szó szerint ez „az ötödik elem”, amely eredetileg a középkorban a misztikus filozofálgatások kedvelt témája volt, és amelyről ma sem tudunk sokkal többet, mint akkor. A jó dolog a kvintesszencia-hipotézissel kapcsolatban az, hogy ebből egy olyan elmélet építhető fel, amely sok párhuzamot mutat az idő kezdetén lezajlott kozmikus infláció elméletével. Tudjuk, hogy akármi is indította be kezdetben a kozmikus inflációt, az később leállt, tehát elképzelhető, hogy egy ehhez hasonló, „gyorsuló tágulást okozó mező” kapcsolódott be ismét, és az okozza a ma megfigyelhető tágulást. (A kvintesszencia-hipotézis egy apró problémája, hogy elméletileg lehetőséget ad arra is, hogy a változó sötét energia erőszakosan elpusztítsa a világegyetemet. Például, ha ez az akármi, ami a világegyetem tágulását ma gyorsítja, egyszer csak meggondolja magát, az képes lehet a tágulást leállítani, majd visszájára fordítani, és visszaküldeni minket egy nagy reccshez. Ez szerencsére elég valószínűtlennek tűnik, de azért nem zárható ki teljesen.)
Akárhogyan is, a jelenlegi megfigyeléseink alapján nagyon is úgy tűnik, hogy a sötét energia egy kozmológiai állandó: a téridő egy olyan változatlan jellemzője, amely csak mostanában (értsd: az utóbbi néhány milliárd évben) kezdte befolyásolni a világegyetem fejlődését. A kezdeti időkben, amikor a kozmosz sokkal kompaktabb volt, egyszerűen nem volt elég hely ahhoz, hogy a kozmológiai állandó (amely az üres térre jellemző) bármit is csináljon, így a tágulás elkezdett lelassulni, ahogy az számításaink alapján is elvárható. De úgy ötmilliárd évvel ezelőtt az anyag, a normális kozmikus tágulásnak köszönhetően, már olyan szétszórttá vált, hogy a tér kozmológiai állandónak köszönhető nyúlása egyre nyilvánvalóbb lett. Ma már képesek vagyunk megfigyelni egy olyan távol történő szupernóva-robbanást is, amely még a tágulás felgyorsulása előtti időszakban történt, ami azt jelenti, hogy majdnem pontosan meg tudjuk állapítani azt a pontot, ahol a lassulás gyorsulásba váltott. Még mindig elképzelhető, hogy a sötét energia valamilyen új és dinamikus mező, de a kozmológiai állandó eddig tökéletes összhangban van az adatokkal.
Ám ha az eddigieket a logikus végkövetkeztetésig visszük, kissé meghökkentő eredményhez jutunk. Az derül ki ugyanis, hogy az az állandó, amelyet Einstein a világegyetem megmentésére vezetett be, végül is a pusztulását írja majd le.
[1] Még ha mi, fizikusok néha utáljuk is beismerni, Einsteinnek azért elég jó ötletei voltak.
[2] Onnan is tudni lehet, hogy egy tudományterületen nagyok az elvárások, ha már AZ UNIVERZUM MEGMENTÉSE is kevés egyeseknek.
