Michio Kaku

Párhuzamos világok

Tartalom

Köszönetnyilvánítás 9

Előszó 13

Első rész: Az Univerzum 17

Első fejezet: Az Univerzum csecsemőkori képe 19

Második fejezet: A paradoxonok univerzuma 37

Harmadik fejezet: Az Ősrobbanás 57

Negyedik fejezet: Infláció és párhuzamos univerzumok 84

Második rész: A multiverzum 113

Ötödik fejezet: Dimenziókapuk és időutazás 115

Hatodik fejezet: Párhuzamos kvantumuniverzumok 145

Hetedik fejezet: Melmélet: minden húrok öreganyja 176

Nyolcadik fejezet: Tervezett univerzum? 229

Kilencedik fejezet: A tizenegyedik dimenzió visszhangjainak keresése 242 Harmadik rész: Menekülés a hipertérbe 267

Tizedik fejezet: A minden vége 269

Tizenegyedik fejezet: Menekülés az Univerzumból 284

Tizenkettedik fejezet: A multiverzumon túl 319

Jegyzetek 335

Kislexikon 348

Irodalom 368

Névmutató 371

Köszönetnyilvánítás

Szeretnék köszönetet mondani a következő tudósoknak, akik voltak szívesek időt áldozni a beszélgetéseinkre. Megjegyzéseik, észrevételeik és ötleteik nagyban gazdagították, elmélyítették és célratörőbbé tették ezt a könyvet.

• Steven Weinberg, Nobeldíjas, University of Texas, Austin

• Murray Gell-Mann, Nobeldíjas, Santa Fe Institute és California Institute of Technology

• Leon Lederman, Nobeldíjas, Illinois Institute of Technology

• Joseph Rotblat, Nobeldíjas, St. Bartholomew's Hospital (nyugdíjban)

• Walter Gilbert, Nobeldíjas, Harvard Uuniversity

• Henry Kendall, Nobeldíjas, Massachussets Institute of Technology (elhunyt)

• Alan Guth, fizikus, Massachussets Indtitute of Technology

• Sir Martin Rees, Nagy-Britannia Királyi Csillagásza, Cambridge University

• Freeman Dyson, fizikus, Institute for Advanced Study, Princeton University

• John Schwarz, fizikus, California Institute of Technology

• Lisa Randall, fizikus Harvard University

• J. Richard Gott III, fizikus, Princeton University

• Neil de Grasse Tyson, csillagász, Princeton University és Hayden Planetárium

• Paul Davies, fizikus, University of Adelaide

• Ken Croswell, csillagász, University of California, Berkeley

• Don Goldsmith, csillagász, University of California, Berkeley

• Brian Greene, fizikus, Columbia University

• Cumrun Vafa, fizikus, Harvard University

• Stuart Samuel, fizikus, University of California, Berkeley

• Carl Sagan, csillagász, Cornell University (elhunyt)

• Daniel Greenberger, fizikus, City College of New York

• V P. Nair, fizikus, City College of New York

• Robert R Kirshner, csillagász, Harvard University

• Peter R Ward, geológus, University of Washington

• John Barrow, csillagász, Cambridge University

• Marcia Bartusiak, tudományos újságíró, Massachussets Institute of Technology

• John Casti, fizikus, Santa Fe Institute

• Timothy Ferris, tudományos újságíró

• Michael Lemonick, tudományos író, Time Magazine

• Fulvio Melia, csillagász, University of Arizona

• John Morgan, tudományos újságíró

• Richard Muller, fizikus, University of California, Berkeley

• Lawrance Krauss, fizikus, Case Western Reserve University

• Ted Taylor, atombomba-tervező

• Philip Morrison, fizikus, Massachussets Institute of Technology

• Hans Moravec, informatikus, Carnegie Mellon University

• Rodney Brooks, informatikus, Massachussets Institute of Technology

• Donna Shirley, asztrofizikus, Jet Propulsion Laboratory

• Dan Wertheimer, SETI@home, University of California, Berkeley

• Paul Hoffmann, tudományos újságíró, Discover Magazine

• Francis Everitt, fizikus, Gravity Probe B, Stanford University

• Sidney Perkowitz, fizikus, Emory Egyetem

Ugyancsak szeretnék köszönetet mondani az itt következő tudósoknak azokért az eltelt évek alatt a fizikáról folytatott ösztönző beszélgetésekért, amelyek nagyban segítettek e könyv tartalmát meghatározni:

• T. D. Lee, Nobeldíjas, Columbia University

• Sheldon Glashow, Nobeldíjas, Harvard University

• Richard Feynman, Nobeldíjas, California Institute of Technology (elhunyt)

• Edward Witten, fizikus, Institute of Advanced Study, Princeton University

• Joseph Lykken, fizikus, Fermilab

• David Gross, fizikus, Kavli Institute, Santa Barbara

• Frank Wilczek, fizikus, Nobeldíjas, University of California, Santa Barbara

• Paul Townsend, fizikus, Cambridge University

• Peter van Nieuwenhuizen, fizikus, State University of New York, Stony Brook

• Miguel Virasoro, fizikus, University of Rome

• Bunji Sakita, fizikus, City College of New York (elhunyt)

• Ashok Das, fizikus, University of Rochester

• Robert Marshak, fizikus, City College of New York (elhunyt)

• Frank Tipler, fizikus, Tulane University

• Edward Tyron, fizikus, Hunter College

• Mitchell Begelman, csillagász, University of Colorado

Szeretném megköszönni Ken Croswellnek számos kommentárját a könyvről. Ugyancsak szeretnék köszönetet mondani a szerkesztőmnek, Roger Schollnak, aki mesterien szerkesztette meg két könyvemet. Biztos keze nagyban emelte a könyveim színvonalát, és észrevételei mindig segítettek tisztábbá tenni és elmélyíteni könyveim tartalmát és olvasmányosságát.

Végül köszönet az ügynökömnek, Stuart Krichevskynek, aki az évek során könyveimet menedzselte.

Előszó

A kozmológia az Univerzumnak mint egésznek a tanulmányozása, beleértve születését és az esetleges végső sorsát is. Nem meglepő módon, számos átváltozáson ment keresztül lassú, fáradságos fejlődése során, és fejlődését gyakran beárnyékolták vallási dogmák és babonák.

A kozmológiában az első forradalmat a távcső használatbavétele jelentette az 1600-as években. A távcső segítségével, Galileo Galilei, a nagy csillagász Kopernikusz és Johannes Kepler munkáira építve, a komoly tudományos vizsgálódások történetében először volt képes hozzáférhetővé tenni az égbolt nagyszerűségét. A kozmológia e korai állapotának fejlődése Isaac Newton munkásságában csúcsosodott ki, aki lefektette az égitestek mozgását meghatározó alaptörvényeket. A mágia és a misztika helyett, úgy tűnt, az égitestek mozgásai alá vannak vetve olyan erőknek, amelyek kiszámíthatók és reprodukálhatók.

A kozmológiában a második forradalmat a 20. századi nagy távcsövek felállítása indította el - mint például a Wilson-hegyi 100 hüvelykes (254 cm-es) tükörteleszkóp üzembe állítása. Az 1920-as években Edwin Hubble csillagász ennek a hatalmas távcsőnek a segítségével évszázados dogmákat - amelyek azt állították, hogy az Univerzum statikus és örök - döntött meg, bebizonyítva, hogy az ég galaxisai irdatlan sebességgel távolodnak a Földtől, vagyis az Univerzum tágulóban van. Ezzel megerősítette az Einstein általános relativitáselméletéből következő eredményt, amelyben a téridő szerkezete nem lapos és egyenletes, hanem mozgalmas és görbült. Ez adta az első elfogadható magyarázatot az Univerzum eredetére, miszerint az Univerzum egy - Nagy Bummnak vagy Ősrobbanásnak nevezett - kataklizmikus robbanásban kezdődött, amely a csillagokat és galaxisokat szétlökte a térbe. George Gamownak és munkatársainak a Nagy Bumm-elméletről, valamint Fred Hoylenak a kémiai elemek keletkezéséről szóló úttörő munkáival kirajzolódott az Univerzum fejlődésének vázlatos képe.

A harmadik forradalom most van kifejlődőben. Mindössze körülbelül ötéves*.

* A könyv megjelenése idején, azaz 2005-ben. (A fordító megjegyzése)

Új, csúcstechnikát képviselő berendezések sorozata vezette be, mint például a műholdak, lézerek, gravitációshullám-detektorok, röntgentávcsövek és nagy sebességű számítógépek. Ma már birtokunkban vannak az eddigi legmegbízhatóbb adatok az Univerzum természetéről, beleértve a korára, az összetételére, és talán a jövőjére és végső halálára vonatkozóak is.

A csillagászok mostanában vették észre, hogy az Univerzum vég nélkül, gyorsuló ütemben, egyre hevesebben tágul, hidegebbé és hidegebbé válva az idő előrehaladtával. Ha ez folytatódik, szembe kell néznünk a Nagy Fagy kilátásával, amikor az Univerzum belemerül a sötétségbe és a hidegbe, és az értelmes élet kihal.

Ez a könyv erről a harmadik nagy forradalomról szól. Különbözik az előző, fizikai tárgyú könyveimtől, az Einstein utántól (Beyond Einstein) és a Hipertértől, amelyek a szuperhúrelméletet és a magasabb dimenziók gondolatait segítettek megismertetni a nagyközönséggel. A Párhuzamos világokban a téridő helyett inkább a kozmológiának az utóbbi években kibontakozott forradalmi fejleményeit mutatom be, amelyek a világ laboratóriumaiból és az űr legtávolibb mélységeiből származó új bizonyítékokon és az elméleti fizika új, áttörő eredményein alapulnak. Az a szándékom, hogy a könyv előzetes fizikai vagy kozmológiai alapismeretek nélkül is élvezhető és megérthető legyen.

A mű első részében az Univerzum felderítésére helyezem a hangsúlyt, összegezve mindazt a haladást, amelyet a kozmológia korai állapotában elértek. Ez az „inflációnak" nevezett elméletben teljesedett ki, ami a Nagy Bumm-elmélet addigi legfejlettebb megfogalmazását jelentette. A második részben, a multiverzum elméletére összpontosítok - egy olyan világéra, amely sok univerzumból áll, amelyek közül az egyik a miénk -, és megvitatjuk a féreglyukak létezésének lehetőségét, a tér-és időláncokat, és azt, hogy a magasabb dimenziók hogyan köthetik össze ezeket. Einstein eredeti elméletén kívül a szuperhúrelmélet és az Melmélet jelenti az első nagy lépést; újabb bizonyítékokat adnak arra nézve, hogy az Univerzumunk csak egyike a sok univerzumnak. Végül, a harmadik részben a Nagy Fagyról és arról lesz szó, hogy a tudósok mit gondolnak Univerzumunk végéről. Továbbá egy komoly, noha spekulatív jellegű áttekintést adok majd arról, hogy egy fejlett civilizáció a távoli jövőben hogyan tudja használni a fizika törvényeit arra, hogy a mostantól számított sok billió év múlva elhagyja Univerzumunkat és egy másik, lakhatóbb univerzumba lépjen át megkezdeni újraszületését, vagy hogyan menjen vissza az időben, amikor az Univerzum még melegebb volt.

Az adatoknak azzal az áradatával, amelyekhez manapság jutunk az olyan új eszközökkel, mint például az egész égboltot végigpásztázó műholdak, az új gravitációshullám-detektorok, és a közeljövőben befejezésre kerülő, városnyi méretű atomzúzók, a fizikusok úgy érzik, hogy nemsokára belépünk a kozmológia aranykorába. Röviden, nagyszerű dolog ma fizikusként részt venni eredetünknek és az Univerzum sorsának kutatásában.

ELSŐ RÉSZ

Az Univerzum

1. Az Univerzum csecsemőkori képe A költő csak kérdi, hogyan tölthetné az eget a fejébe.

A gondolkodó ember viszont megpróbálja az egész égboltot a fejében tartani. És ez az, ami miatt a feje meghasad.

G. K. CHESTERSON

Amikor gyerek voltam, volt egy személyes konfliktusom a hiteim között. Szüleim a buddhista hagyományokban nőttek fel. Én azonban minden héten látogattam a vasárnapi iskolát, ahol örömmel hallgattam a bibliai történeteket cethalakról, bárkákról, sóoszlopokról, bordákról és almákról. Meg voltam bűvölve ezektől az Ószövetségi példázatoktól, amelyek a vasárnapi iskola legkedveltebb részei voltak számomra. Nekem a hatalmas áradásokról, égő bokrokról és elváló vizekről szóló históriák sokkal izgalmasabbak voltak, mint a buddhista meditációk és kántálások. Valójában a hősiességnek és a tragédiáknak ezen ősi történetei élénken mutatták be azokat a mély erkölcsi és etikai tanításokat, amelyek aztán velem maradtak egész életemben.

Egy nap a Teremtésről tanultunk a vasárnapi iskolában. Az égből mennydörgő Istenről olvastunk: „És legyen világosság!", ami sokkal, de sokkal drámaibbnak hangzott, mint csendben meditálni a Nirvánáról. Naiv kíváncsiságból megkérdeztem a vasárnapi iskolai tanárnőmet: „Volt Istennek anyukája?" Általában mindig volt egy szellemes válasza, vagy egy mély erkölcsi példázata. Ez alkalommal azonban meghökkent. Némi hezitálás után azt felelte, hogy nem, Istennek valószínűleg nem volt anyukája. „De akkor Isten honnan érkezett?" - kérdeztem. Azt motyogta, hogy konzultálnia kellene erről a kérdésről a lelkésszel.

Nem fogtam fel, hogy véletlenül belebotlottam a teológia egyik legnagyobb kérdésébe. Zavarban voltam, mert a buddhizmusban egyáltalán nincs Isten, viszont van benne egy kezdet és vég nélküli, időtlen univerzum. Később, amikor elkezdtem tanulmányozni a világon előforduló nevezetesebb mitológiákat, megtanultam, hogy a vallásokban a kozmológia két típusa létezik: az elsőben egyetlen pillanat alatt Isten megteremti az univerzumot, a másodikban az univerzum mindig volt és mindig is lesz. A kettő együtt nem lehet igaz, gondoltam.

Később úgy találtam, hogy ez a téma sok kultúrában megjelenik. Például a kínai mitológiában kezdetben volt egy kozmikus tojás. A gyermekisten P'an Ku majdnem egy örökkévalóságig lakott a tojásban, amely a káosz alaktalan óceánján úszott. Amikor végre a tojás kiköltődött, P'an Ku roppant mód nőni kezdett, többet, mint tíz lábat* naponta, így a tojáshéj felső része lett az ég, az alsó része pedig a föld. 18 ezer év elteltével meghalt, és ezáltal lehetővé tette a mi világunk megszületését: vére a folyóinkká vált, a szemei lettek a Nap és a Hold, és a hangja a mennydörgés.

* Kb. három méter és harminc centiméter.

A P'an Ku-mítosz sok tekintetben egy más vallásokban és ősi mitológiákban is meglevő témát tükröz, miszerint az Univerzum creatio ex nihilo (semmiből való teremtés) útján jött létre. A görög mitológiában, az Univerzum a Káosz egyik állapotából keletkezett (a Káosz szavunk ténylegesen a görögök végtelen mélységet jelentő szavából származik). Ezt a jellegtelen ürességet gyakran egy óceánként írják le, mint például a babilóniaiak vagy a japánok mitológiájában. A téma megtalálható az ősi egyiptomi mitológiában is, ahol a napisten Ré egy úszó tojásból bukkan elő. A polinéz mitológiában a kozmikus tojás helyett kókuszdióhéjjal találkozunk.

A maják ennek a történetnek különböző változataiban hittek, amelyekben az Univerzum megszületik és végül ötezer év múlva meghal, de feltámad, örökké ismételve a születés és pusztulás végtelen ciklusait. Ez a semmiből való teremtés éles ellentétben áll a buddhizmus és a hinduizmus bizonyos formáinak kozmológiájával. Ezekben a mitológiákban az Univerzum időtlen, nincs kezdete sem vége. A létezésnek sok szintje van, de a legmagasabb közülük a Nirvána, amely örökkévaló, és csak a legtisztább meditációval érhető el. A hindu Mahápurána szerint, „Ha Isten teremtette a világot, hol volt Ő a teremtés előtt? ... Tudd meg, hogy a világ teremtetlen, amint az idő maga kezdet és vég nélküli." Ezek a mitológiák éles ellentétben állnak egymással, és ezeket az ellentéteket látszólag nem lehet feloldani. Kölcsönösen kizárják egymást: az egyikben van az Univerzumnak kezdete, a másikban nincs. Úgy tűnik, nincs középút.

Érdekes módon, manapság körvonalazódik egy megoldás, amely egészen új irányból, a tudomány világából érkezik, mégpedig a világűrben repülő hatékony, tudományos célú berendezések új generációjának eredményei felől. Az ősi mitológiák a világ eredetét kifejtő történetmesélők bölcsességén nyugszanak. Manapság műholdak, lézerek, gravitációs hullámdetektorok, interferométerek, nagysebességű szuperszámítógépek, valamint az internet állnak a tudósok rendelkezésére, és ez forradalmasítja az Univerzumunkról való ismeretszerzés módjait, és megadja a keletkezésének legszigorúbb leírását.

Ami ezekből az adatokból fokozatosan felszínre kerül, az ennek a két homlokegyenest különböző mitológiának a nagy szintézise. Talán - így a tudósok - a Teremtés (Genezis) a Nirvána időtlen óceánjában újra meg újra bekövetkezik. Ebben az új képben a mi Univerzumunkat egy olyan, nála sokkal nagyobb óceánban felfúvódó buborékhoz lehet hasonlítani, ahol állandóan új buborékok keletkeznek. Ezen elmélet szerint az univerzumok, mint egy forrásban lévő vízben a buborékok, folyamatos keletkezésben vannak, amelyek egy Nirvánának is nevezhető nagy arénában, a 11 dimenziós hipertérben úsznak. Egyre több fizikus állítja, hogy Univerzumunk valójában egy Nagy Bummnak nevezett heves kataklizmában keletkezett, de egyidejűleg vele együtt létezik a más univerzumok végtelen óceánja. Ha igazuk van, a Nagy Bummok akkor is bekövetkeznek, amikor ezt a mondatot Ön elolvassa.

A fizikusok és a csillagászok manapság azon töprengenek világszerte, vajon hogyan nézhetnek ki ezek a párhuzamos világok, milyen törvényeknek engedelmeskedhetnek, hogyan születnek, és esetleg hogyan halnak meg? Talán ezek a párhuzamos világok meddők, és nem tartalmaznak semmiféle életet. Vagy talán pontosan ugyanúgy néznek ki, mint a mi Univerzumunk, egyetlen egyszerű kvantumeseményben térnek csak el, ami ezeket az univerzumokat más fejlődésre készteti, mint a miénket? Néhány fizikus azon töri a fejét, hogy talán egy nap, amikor a mi Univerzumunkban annak öregedése és hideggé válása miatt az életfeltételek már tarthatatlanokká válnak, dönthetünk-e majd úgy, hogy elhagyjuk és átmenekülünk egy másik univerzumba?

Ezeknek az elgondolásoknak a hajtómotorja a műholdakról ránk ömlő adatok óriási áradata - azokról a műholdakról, amelyek megörökítik az Univerzum keletkezésének megmaradt nyomait. Figyelemreméltó, hogy a tudósok manapság az Univerzum keletkezése utáni kb. 380 ezer év történéseit tanulmányozzák, amikor a keletkezés „utófénye" először ragyogta be az Univerzumot. Ennek a sugárzásnak a valószínűleg leglenyűgözőbb képe egy új, WMAP-nak nevezett műholdról érkezett.

A WMAP műhold

„Hihetetlen!" „Áttörés!" Ezek is szerepeltek azon szavak között, amelyek az egyébként visszahúzódó, maguknak való asztrofizikusok száját hagyták el 2003 februárjában, amikor a legutóbbi műholdjukról érkező nagyon értékes adatokat minősítették. Az úttörő kozmológiai munkát végző David Wilkinsonról elnevezett, 2001-ben felbocsátott WMAP műhold (az angol Wilkinson névből és a map: térképező szavakból, utóbbiak egyben a microwave anisotropy probe, azaz mikrohullámú anizotrópiaszonda szavak rövidítése is volt), az Univerzum 380 ezer éves állapotáról szolgáltatott a tudósoknak egy előre nem várt részletességű képet. Az eredeti tűzgolyót^2 elhagyó kolosszális mennyiségű energia, amely a csillagok és galaxisok születéséhez vezetett, sok milliárd évig keringett köröttünk az Univerzumban. Ezt fogta be végül kitűnő részletességgel a WMAP műhold, egy soha nem látott felbontású térképet eredményezve, és ez a térkép leheletvételnyi finomságával mutatja meg az Ősrobbanás által keltett mikrohullámú sugárzást. A Time magazin ezt hívta a „Teremtés visszhangjának".

2 A „tűzgolyó" érzékletes, de félrevezető kifejezés. Azt sugallja, mintha az Ősrobbanás a tér egy bizonyos pontjában történt volna, ahonnan azután az anyag valamiféle táguló golyóbisként robbant volna bele a környező, üres térbe. Valójában az Ősrobbanás nem egyetlen pontban történt, hanem „mindenütt": az anyag az Univerzumot mindig egyenletesen töltötte ki, és mindenütt ugyanolyan ütemben ritkult, tehát a Nagy Bumm pillanatában is mindenütt egyaránt végtelenül sűrű volt. (A szaklektor megjegyzése)

A csillagászok soha nem fogják az eget még egyszer ilyennek látni. John Bahcall, a princetoni Institute for Advance Study munkatársa kijelentette, hogy a WMAP által szolgáltatott eredmények „a kozmológiát spekulációkból szabatos tudománnyá" teszik. Ez az első alkalom, hogy az Univerzum ilyen korai korszakából származó adatözön megengedte a kozmológusoknak, hogy pontos válaszokat adjanak a legősibb kérdésekre, amelyek azóta hozták zavarba és tették kíváncsivá az emberiséget, amióta csak felnézett és megpillantotta az éjszakai égbolt csodáit. Milyen idős az Univerzum? Miből van? Mi lesz a sorsa?

(Egy korábban működött műhold, a COBE (Cosmic Background Explorer, Kozmikus Háttérsugárzás Vizsgáló) 1992-ben szolgáltatta az első elmosódott képet erről az egész égboltot betöltő háttérsugárzásról. Noha az eredmény forradalmi volt, egyben csalódást keltő is, mert olyan volt a kép, mintha az Univerzumról egy életlen képet szemlélnénk. (Ez nem a műhold hibája

volt, a technika akkori állapotában ilyen felbontást sikerült csak elérni – a fordító megjegyzése.)

Ez nem akadályozta meg a sajtót abban, hogy azt a térképet harsányan „Isten arcának" keresztelje el. De a COBE elmosódott képei nem ezt mutatják, hanem egy sokkal pontosabb megfogalmazás szerint olyanok, amelyek az Univerzum csecsemőkori képe lennének.

Ha az Univerzum ma egy 18 éves fiatalember lenne, akkor a COBE, és később a WMAP úgy mutatják őt, mint egy kevesebb mint egynapos újszülöttet.) Annak oka, hogy a WMAP műhold képei egy csecsemőkorú Univerzum példa nélkül álló képét nyújtják nekünk, az, hogy az éjszakai égbolt mint egy időgép működik. Mivel a fény véges sebességgel halad, a csillagokat nem úgy látjuk, mint amilyenek ma, hanem úgy látjuk őket az égen, amilyenek voltak valaha. Valamivel több mint egy másodpercet vesz igénybe, hogy a fény a Holdról a Földre érjen, így amikor a Holdat nézzük, olyannak látjuk, amilyen egy másodperccel ezelőtt volt. Nyolc percet vesz igénybe, hogy a Napról a fény a Földre érjen. Ehhez hasonlóan, a sok ismerős csillag, amelyeket az égbolton látunk, olyan messze van, hogy tíztől száz évig tart, amíg a fényük eléri a szemünket. (Más szavakkal, tíztől száz fényév távolságra vannak a Földtől. Egy fényév hozzávetőleg 9,5 billió km, azaz a fény egy év alatt megtett útjával egyenlő.) A távoli galaxisok millió, több száz millió vagy milliárd fényévekre is lehetnek tőlünk. Ennek eredményeképpen, „fosszilis" fény érkezik róluk, némely fénysugár korábban hagyta el forrását, mint ahogy a dinoszauruszok a Földön létrejöttek volna. A távcsöveinkkel látható legtávolabbi objektumok közül néhányat kvazárnak neveznek; ezek olyan galaxis méretű „gépezetek", amelyek a látható Univerzum szélén elképzelhetetlen nagy mennyiségű energiát termelnek. 12-13 milliárd fényévre is lehetnek a Földtől. Most pedig a WMAP műhold rögzítette az ennél is jóval korábban, az Univerzum keletkezését okozó tűzgolyó által kibocsátott sugárzást.

-200 T(°K) +200

Ez az Univerzumnak a WMAP műhold által felvett „csecsemőkori fényképe", amikor még csak 380 ezer éves volt a világ. Minden egyes pötty egy kicsi, a keletkezés utófényében létrejött kvantumfluktuációnak felel meg, amelyek a ma látható galaxisokká és galaxishalmazokká tágultak.

Az Univerzum leírásához a kozmológusok előszeretettel használják példaként a Manhattan fölé több mint 100 emelettel magasodó Empire State Building épület tetejéről való lepillantás hasonlatát. Ahogy lenéz valaki a tetejéről, épp hogy látja az utcát. Ha az Empire State Building alja jelképezné az Ősrobbanást, akkor a tetőről lefelé nézve úgy a tizedik emelet magasságában lennének az első galaxisok. A Földről távcsővel tanulmányozható legtávolabbi kvazárok a hetedik emeleten lennének. A WMAP műholddal látott háttérsugárzás nagyjából az utca szintje felett egy centiméterről érkezik hozzánk. A WMAP műhold bámulatba ejtő, 1%-os pontosságú méréseket szolgáltat az Univerzumnak abból a korából, ami úgy 13,7 milliárd évvel ezelőtt volt.

A WMAP program az asztrofizikusok egy évtizeden át tartó kemény munkájának a betetőzése. A WMAP műhold ötletét 1995-ben vetették fel munkájának a betetőzése. A WMAP műhold ötletét 1995-ben vetették fel án egy Delta II típusú rakétán indította útnak a WMAP-et egy, a Föld és a Nap között húzódó pályára. A végállomást a kettes Lagrange-pontban jelölték ki (ebben az L2-vel jelölt pontban egy test megőrizheti a Naphoz és a Földhöz képesti helyzetét). Ebben az előnyös pozícióban a műhold a Naptól, a Földtől és a Holdtól mindig messze elnéz, amelyek ezért nem takarják ki látómezeje nagy részét, és így akadálytalanul alkothat képet az Univerzumról. Hat hónaponként az egész égboltot végigpásztázza. Berendezése csúcstechnikájú volt. Érzékeny szenzoraival képes volt detektálni az Ősrobbanást elhagyó gyenge mikrohullámú sugárzást, amelyben az Univerzum jelenleg is fürdik, de amelyet a légkörünk elnyel. Az alumíniumból készült műhold 3,8-szor 5 méter méretű és 840 kg a tömege.

Egymásnak hátat fordító két távcsöve volt, amelyek a környező égboltterületről érkező mikrohullámú sugárzást gyűjtötték, és időnként lesugározták az adatokat a Földre. Az egész mindössze 419 W elektromos teljesítményű volt (öt közönséges villanykörtéé). Másfél millió kilométerre a Földtől, nagyon távol a Föld légkörének zavaró hatásától, amely leárnyékolja a földlakók számára a halvány mikrohullámú hátteret, a WMAP képes volt az egész égbolt folyamatos megfigyelésére.

A műhold 2002 áprilisában végzett a teljes égbolt első feltérképezésével. Hat hónappal később másodjára is elkészült ezzel. A WMAP adta a valaha elkészítettek közül az eddigi legátfogóbb, legrészletesebb térképet erről a sugárzásról. A WMAP által is megfigyelt mikrohullámú háttérsugárzást George Gamow és csoportja jósolta meg először 1948-ban, akik arra is rámutattak, hogy ennek a sugárzásnak kapcsolatban kell állnia a sugárzás hőmérsékletével.

A WMAP megmérte ezt a hőmérsékletet is, és azt találta, hogy kicsivel az abszolút nulla fok felett van, 2,7249 és 2,7251 K között.

A puszta szemnek a WMAP égbolttérképe jobbára érdektelennek tűnik: csupán csak egy csomó, véletlenszerűen elszórt pont kollekciója. Azonban ez a ponthalmaz néhány csillagászt majdnem a könnyezésig megindított, ugyanis az Univerzum heves kataklizmában való keletkezése utáni pillanatokból származó eredeti fluktuációk, avagy szabálytalanságok lenyomata őrződött meg ebben a térképben. Ezek az apró, csírákhoz hasonlító fluktuációk hatalmasra tágultak, ahogy maga az Univerzum felfúvódott. Mára ezek az apró csírák kivirágzottak az égen ma látható galaxisokká és galaxishalmazokká. Más szavakkal, a mi saját Tejútrendszerünk és az összes galaxis és galaxishalmaz köröttünk egyszer régen egyike volt ezeknek az apró kis fluktuációknak. E fluktuációk eloszlásának tanulmányozása során a galaxishalmazok eredetét látjuk.

Manapság, a csillagászati adatok mennyisége gyorsabban nő, mint ahogy a szakemberek elméletei fejlődnek. Ez az, amit én a kozmológia aranykorába való belépésnek neveztem korábban. (Amilyen mély benyomást kelt a WMAP térképe, olyannyira eltörpülhet majd az Európai Űrkutatási Ügynökség Planck-műholdja által készítendő térkép mellett, amelyet 2009-ben terveznek felbocsátani; a Planck a mikrohullámú háttérsugárzásnak még részletesebb képét fogja szolgáltatni a csillagászok számára.)

Azután, hogy sok évet töltött elbágyadva a vad spekulációk és feltevések ingoványában,a kozmológia kilép az árnyékból és útra kél. Korábban a kozmológusok attól szenvedtek, hogy nem volt túl jó hírük. A hév, amellyel egyre grandiózusabb elméletekkel rukkoltak elő, nyomorúságosan kevés megfigyelési ténnyel találkozott. Ahogy a Nobeldíjas Lev Landau mondogatta gúnyosan, „a kozmológus gyakran téved, de sosincs kétségbeesve". A tudósok között elterjedt a következő szállóige: „Vannak a spekulációk, aztán van még több spekuláció, és végül vannak a kozmológusok."

A Harvard fizikus hallgatójaként az 1960-as évek végén röviden eljátszottam a gondolattal, hogy kozmológiával foglalkozzam. Gyerekkorom óta mindig is megigézett az Univerzum keletkezésének gondolata. De már a területre vetett rövid pillantás is azt mutatta, hogy a kozmológia zavarba ejtően primitív állapotban van. Semmiképp sem volt egy kísérleti adatokkal alátámasztott tudományág, ahol valaki a hipotéziseit pontos berendezésekkel tesztelheti, hanem inkább laza, nagyon is spekulatív elméletek gyűjtőháza. Akkoriban a kozmológusok dühödt vitákban támadták egymást azokban a kérdésekben, hogy vajon az Univerzum egy kozmikus robbanásban született, vagy mindig is létezett és mindig ugyanabban az állapotban volt. De olyan kevés volt a megfigyelés, hogy az elméletek gyorsabban változtak, mint ahogy az adatok gyűltek. Minél kevesebb volt a megfigyelési tény, annál hevesebbek lettek a viták.

A kozmológia egész történetén keresztülvonult a megbízható adatoknak a hiánya, és ez a csillagászok között elkeseredett, hosszan tartó viszályokhoz vezetett, melyek gyakran évtizedekig dühöngtek. (Például, amikor a Mount Wilson Observatory munkatársát, Allén Sandage-t felkérték, hogy tartson egy előadást az Univerzum koráról, akkor az előző előadó szarkasztikusan megjegyezte: „Minden, amit hallani fognak, hibás." Sandage pedig, értesülvén arról, hogy egy rivális kutatócsoport mekkora hírverést kapott, azt süvöltötte: „Ez csak egy csomó süketség! Ez háború ez háború!")

Az Univerzum kora

A csillagászok mindig rendkívül szerették volna tudni, milyen idős az Univerzum. Évszázadokon át skolasztikusok, papok és teológusok próbálták az Univerzum korát megbecsülni az egyetlen módszerrel, ami rendelkezésükre állt: az emberiségnek Ádámig és Éváig visszavezetett családfája alapján. A múlt században a Föld korának legjobb becslését a geológusok adták, a földi szikrákban és kőzetekben előforduló radioaktív maradványsugárzásból.

Manapság a WMAP műhold által mért visszfény tulajdonságai

szolgáltatják az Univerzum korára a legmegbízhatóbb értéket. A WMAP adatok arra vezettek, hogy az Univerzum egy heves robbanásban született 13,7 milliárd évvel ezelőtt.

(Egészen az 1950-es évek közepéig, a kozmológusokat bosszantó egyik legkínosabb eredmény az volt, hogy - ma már tudjuk, a hibás adatok miatt

- az Univerzum általuk számított kora kisebb volt, mint a benne lévő bolygóké és a csillagoké. A legkorábbi becslések szerint az Univerzum kora 1 vagy 2 milliárd év, amely ellentmondásban volt a Föld korával (4,5 milliárd év) és a legidősebb csillagok korával (12 milliárd év), hiszen az Univerzum nem lehet fiatalabb, mint a benne lévő alkotórészei. Ezek az ellentmondások idővel eltűntek.)

A WMAP adatok egy új, bizarr adalékot is adtak ahhoz a vitához, hogy miből áll az Univerzum: ezt a kérdést a görögök már kétezer éve feltették. A múlt század végén a tudósok azt hitték, hogy már megtudták a választ. Alapos kísérletek ezreinek elvégzése után arra következtettek, hogy az Univerzum alapvetően úgy százféle atomból áll, amelyek egy szabályos periódusos rendszerbe szervezhetők, kezdve a legegyszerűbb hidrogénnel. Ez az alapja a modern kémiának, és minden középiskolában tanítják. A WMAP megdöntötte ezt a képet.

Megerősítve a korábbi mérési eredményeket, a WMAP megállapította, hogy a köröttünk lévő látható anyag (beleértve a hegyeket, a bolygókat, a csillagokat és a galaxisokat) az Univerzum teljes anyagés

energiatartalmának mindössze csekély négy százalékát teszi ki. (Ennek a négy százaléknak a legnagyobb része hidrogén és hélium, és valószínűleg csak három százalék esik az ennél nehezebb elemekre.) Az Univerzum túlnyomórészt rejtélyes, láthatatlan anyagból áll, amelynek eredete teljesen ismeretlen.

A számunkra ismerős kémiai elemek, amelyek felépítik az ismert világot, csak az Univerzum kb. 3 százalékát teszik ki. Bizonyos értelemben, a tudomány több évszázadnyit, az atomok létezését megjósló hipotézisek felállítása előtti korba lépett hátra, mivel a fizikusok azzal a ténnyel viaskodnak, hogy az Univerzum legfőbb alkotóelemei teljesen új, ismeretlen anyagés energiaformák.

A WMAP eredményei szerint az Univerzum 23%-a egy különös, határozatlan tulajdonságú, sötét anyagnak nevezett valamiből áll, amelynek van tömege, és a galaxisokat gigantikus méretű halóként^3 veszi körül, de teljességgel láthatatlan. A sötét anyag olyan bőséggel hatja át a világot, hogy például a mi Tejútrendszerünkben az összes csillagénál tízszer nagyobb a tömege. Noha láthatatlan, ezt a különös sötét anyagot a csillagászok közvetett úton mégiscsak észlelik: elhajlítja a csillagfényt, mintha csak üvegből készült lencse lenne, és ezért mennyisége megbecsülhető abból, hogy mennyire hajlítja meg csillagfény útját.

3 A görög eredetű „haló" szó jelentése: dicsfény, halvány derengés. Ennek nyomán a kifejezést a csillagászatban a galaxisok feltűnő, fényes részén túl, a rendszer perifériáján elhelyezkedő összetevőkre alkalmazzák. Az e könyvben emlegetett, csak gravitációs hatása alapján detektálható fajtája a sötét halo. (A szaklektor megjegyzése)

A WMAP műholdról kapott eredmények furcsaságára reflektálva a csillagász John Bahcall azt mondta, hogy „egy valószerűtlen, őrült univerzumban élünk, de olyanban, amelynek jellemző tulajdonságait most már ismerjük." De talán a WMAP adatokból származó legnagyobb meglepetés, amelyről a tudományos közvélemény értesült, az, hogy az Univerzum maradék 73%-a, azaz a legnagyobb része egy sötét energiának nevezett, tökéletesen ismeretlen összetevőből áll, amely az űrt kitöltő vákuumban rejlik. Maga Einstein vezette be 1917-ben ezt a tagot egyenleteibe (és később a legnagyobb tévedésének tartotta), amelyet illetnek a sötét energia, a semmi energiája vagy az üres tér energiája névvel is, és amely manapság újra előbukkan a kozmológiában mint a teljes Univerzum hajtóereje. A sötét energiáról ma azt gondoljuk, hogy egyfajta antigravitációs mezőt létesít, amely egymástól távolabbra kergeti a galaxisokat. Az Univerzum végső sorsát a sötét energia szabja meg.

Jelenleg senkinek nincs semmilyen elképzelése arról, hogy „a semmi energiája" honnan származik. „Őszintén és nyíltan megmondom, mi ezt nem értjük. Tudjuk, milyen hatásai vannak, de mi teljes tanácstalanságban vagyunk... és mindenki más is" - mentegetőzött a Seattle-ben lévő University of Washington egyik csillagásza, Craigg Hogan.

Ha vesszük a szubatomi részecskék legújabb elméletét és megpróbáljuk kiszámolni, hogy mekkora is ez a sötét energia, az így kapott érték 10^120- szorosa a ténylegesnek (azaz az egyest még 120 nulla követi). Ez az eltérés elmélet és tapasztalat között messze a legnagyobb a tudomány történetében. Rettenetesen kínos, hogy a legjobb elméletünk sem képes az egész Univerzum legnagyobb energiaforrását kiszámítani. Bizonyos, hogy Nobeldíj-eső vár azokra a vállalkozó kedvűekre, akik megpróbálják feltárni a sötét anyag és a sötét energia titkait.

Infláció

A csillagászok jelenleg még mindig csak próbálnak átvergődni a WMAP adatözönén. Ahogy az Univerzumról alkotott régi elgondolásainkat félresöpörjük, egy új kozmológiai kép tűnik fel. „Lefektettük az Univerzum egységes és koherens elméletének sarokköveit" - deklarálta Charles L. Bennett, aki azt a nemzetközi kutatócsoportot vezeti, amelyik segítette a WMAP műhold építését, és később részt vállalt az adatelemzésben. Mindeddig a vezető elmélet az az Ősrobbanás-elmélet egy jelentős továbbfejlesztése, a „felfúvódó univerzum elmélete", amelyet először a fizikus Alan Guth javasolt. A felfúvódásos elképzelés szerint a másodperc trilliomod részének trilliomod része alatt egy rejtélyes antigravitációs erő átmenetileg az Univerzumnak a korábban gondoknál sokszorta gyorsabb tágulását okozta. A felfúvódási (avagy inflációs) korszak

elképzelhetetlenül heves volt, az Univerzum a fénynél is gyorsabban tágult. (Ez nem jelenti Einstein törvényeinek megsértését, sem azt, hogy bármi is gyorsabban mozgott akkor a fénynél, mivel csak az üres tér tágult. Az anyagszerű objektumokra a fénysebesség mint határsebesség, nem léphető át.) A másodperc törtrésze alatt, az Univerzum egy elképzelhetetlen, 1050-szeres faktorral tágult ki.

Az inflációs korszakban történtek jobb megértéséhez képzeljünk el egy gyorsan felfújódó léggömböt, amelynek a felszínére valaki galaxisokat festett.

Az Univerzum tele van csillagokkal és galaxisokkal, amelyek nem ennek a léggömbnek a belsejében vannak, hanem a felszínén. Most rajzoljunk egy nagyon kicsi, mikroszkopikus méretű kört a léggömbre. Ez az apró kör jelenti az általunk megfigyelhető Univerzumot, mindent, amit a távcsöveinkkel láthatunk. (Összehasonlításképpen: ha az egész általunk belátott Univerzum olyan kicsi lenne, mint egy szubatomi részecske, akkor a valódi Univerzum sokkal nagyobb lenne, mint a köröttünk most belátott Univerzum.) Más szavakkal, az inflációs tágulás olyan nagy volt, hogy az Univerzumnak vannak olyan részei az általunk belátott Univerzumon túl, amelyek mindig is messzebb lesznek, mint ameddig valaha is elláthatunk majd.

A felfúvódás roppant nagy volt: valójában a léggömb ma már teljesen síknak tűnik a mi környezetünkben - ezt a tényt a WMAP műhold kísérletileg igazolta. Ugyanúgy, ahogy a Föld síknak tűnik a felszínén állva, mert magasságunk nagyon kicsi a Föld sugarához képest, az Univerzum is csak azért látszik síknak, mert csak sokkal nagyobb skálákon görbült. Ha feltesszük, hogy a korai Univerzum tényleg keresztülment ezen a korai inflációs szakaszon, viszonylag könnyedén meg lehet magyarázni az Univerzum sok furcsaságát, például hogy miért tűnik síknak és egyenletesnek.

Joel Primack fizikus így kommentálta az inflációs elméletet: „Ehhez foghatóan szép elmélet még sohasem bizonyult hibásnak."

A multiverzum

Az inflációs elmélet, noha a WMAP műhold adataival egyezésben van, még mindig nem válaszolja meg a kérdést: mi okozta magát az inflációt? Mi váltotta ki ezt az antigravitációs erőt, amely felfújta az Univerzumot? Több mint ötven magyarázat létezik arra, hogy mi kapcsolta be a felfúvódást

- ami olyanná tette az Univerzumot, amilyennek ma mi látjuk -, és pontosan mi okozta a végét. De ebben a kérdésben nincs egyetértés. Sok fizikus képzelete szaladgál a rendkívül rövid inflációs időszak központi gondolata körül, de nincs határozott válasz arra a kérdésre, hogy milyen mechanizmus áll az infláció mögött.

Mivel senki sem tudja, hogy az infláció hogyan kezdődött, mindig megvan rá a lehetőség, hogy ugyanaz a mechanizmus újra működésbe lépjen

- azaz, az inflációs periódusok megismétlődhetnek. Ezt az ötletet, a Stanford University fizikusa, az orosz Andrej Linde vetette fel először akármilyen mechanizmus is okozta az Univerzum hirtelen felfúvódását, esetleg még ma is működhet ez a mechanizmus, és talán véletlenszerűen az Univerzum távoli helyein ugyancsak inflációt okoz.

Ezen elmélet szerint, egy univerzum egy kis darabkája hirtelen inflálódik (felfúvódik), és „kirügyezik", egy „leányuniverzumot", amely még egy „gyerekuniverzumot" hajthat ki magából, és ez a keletkezési folyamat a végtelenségig folytatódhat. Képzeljen el egy felfújt szappanhabot a levegőben.

Ha eléggé jól felfújtuk a szappanbuborékot, akkor azt vehetjük észre, hogy ketté fog válni és újabb szappanbuborékok fognak létrejönni. Hasonló módon, az univerzumok is folyamatosan életet adhatnak újabb univerzumoknak. Ebben a folyamatban az ősrobbanások folyamatosan megtörténnek. Ha igaz, mi az ilyen univerzumok tengerében élünk, ahogy a csepp úszik más cseppek óceánjában. Valójában, helyesebb lenne „multiverzumot" vagy „megaverzumot" mondani az univerzum szó helyett. Linde ezt az elméletet örök, önismétlő inflációnak vagy „kaotikus inflációnak" nevezi, mivel számára ez a párhuzamos világok, azaz a folyamatos infláció soha véget nem érő mechanizmusának lehetőségét villantja fel. Alan Guth - aki elsőként értekezett az inflációs elméletről

– kijelentette, hogy „az infláció többé-kevésbé ránk kényszeríti a sok univerzum gondolatát".

Elméleti meggondolásokat végeztek a multiverzumok létezésének igazolására, amelyekben az egész univerzum folyamatosan hajtásokat hoz létre, avagy

„kirügyezik", más univerzumokat eredményezve. Ha ez igaz, két nagy vallási

hiedelmet lehetne egyesíteni, a Teremtés könyvét és a Nirvánát. A Nirvána időtlen gyárában folyamatosan új Teremtés-könyvek jönnének létre.

Ez az elmélet azt is jelenti, hogy a mi Univerzumunk néha a saját gyermekuniverzumát keltheti életre. Talán a mi saját Univerzumunk is egy ősibb, korábbi univerzumból született.

Amint Sir Martin Rees, angol királyi csillagász mondta: ,Amit konvencionálisan Univerzumnak hívunk, az egy sokaság egyike lehet. Számtalan út létezhet, amelyekben a természeti törvények különbözőek. Az Univerzum, amelyben mi felemelkedtünk, szokatlan formációhoz tartozik, amely megengedi a komplexitást és az értelem kifejlődését."

A multiverzum tárgykörében végzett összes kutatás alkalmat adott arra, hogy azon gondolkozzunk, vajon ezek a más univerzumok milyenek lehetnek, van-e bennük alkalmas hely az életre, és különösképpen: van-e lehetőség kapcsolatteremtésre? A számításokat a CalTechen (California Institute of Technology, Pasadena, California), az MIT-n (Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts), Princetonban és még néhány tudományos intézetben végezték, hogy eldöntsék, más, párhuzamos univerzumokba való átlépés összeegyeztethető-e a fizika törvényeivel.

Az Melmélet és a tizenegy dimenzió

A párhuzamos univerzumok ötletét a tudósok valamikor meglehetős gyanúval kezelték, a bolondéria, a sarlatánság és a misztika világába tartozó elgondolásként. Minden olyan tudós, aki a párhuzamos világokon dolgozott, a nevetségessé válás kihívásával nézett szembe, kockáztatta a karrierjét, hiszen még ma sincs semmiféle megfigyelési bizonyíték a párhuzamos világok létezése mellett.

Mostanra azonban a helyzet drámaian megváltozott, mert bolygónk legkitűnőbb szakemberei ádázul dolgoznak a témán. A hirtelen változás oka az, hogy egy új elmélet jelent meg, a húrelmélet, és ennek legújabb változata, az Melmélet, amely nemcsak annak lehetőségét rejti magában, hogy a multiverzum természetét majd feltárja, de megengedi az „Isten gondolataiban való olvasást" is, ahogy azt Albert Einstein egyszer ékesszólóan megfogalmazta. Ha az elmélet korrektnek bizonyul, akkor a fizikában végzett utóbbi kétezer év kutatási eredményeinek megkoronázását jelenti majd, hiszen még a görögök kezdték el az Univerzum egyszerű, közérthető elméletének keresését.

A húrelméletben és az Melméletben közreadott tanulmányok száma mellbevágó: több tízezer. A témakörben nemzetközi konferenciák százait tartották. A világon minden nagyobb egyetemen van egy kutatócsoport, amely a húrelméletet tanulmányozza, vagy reménytelenségbe süppedve próbálják legalább megtanulni. Noha az elmélet a mai, ehhez még gyenge berendezéseinkkel jelenleg nem ellenőrizhető, nagy érdeklődést váltott ki a matematikusokból, fizikusokból, és azokból a kísérletezőkből, akik azt remélik, hogy a nem túl távoli jövőben az elmélet határain belül sikerül kísérleti eredményekhez jutni a világűrben elhelyezett gravitációs hullámdetektorokkal és hatalmas atomhasítókkal.

Végeredményben pedig, ez az elmélet választ adhat arra a kérdésre, amely a legkitartóbban üldözi a kozmológusokat azóta, amióta csak az Ősrobbanás elméletét felvetették: mi történt a Nagy Bumm előtt? Ez a kérdés azt igényli, hogy a fizikában az elmúlt évszázadok alatt tett összes felfedezésünket, a fizikai tudásunk teljes tárát csatasorba állítsuk. Más szóval, „a minden elméletére" van szükségünk, minden, az Univerzumban működő fizikai erő elméletére. Einstein élete utolsó harminc esztendejét ennek az elméletnek a hajszolásával töltötte, de végül is kudarcot vallott.

Mostanság a vezető (és egyetlen) elmélet, amely képes megmagyarázni az Univerzumot irányító erők változatosságát, a húrelmélet vagy annak egy legújabb inkarnációja, az Melmélet. (Az M a membrán rövidítése, de lehetne a „misztikum", „mágia", vagy akár a „mama" szavaké is. Noha a húrelmélet és az Melmélet lényegében azonos, az Melmélet rejtelmesebb és fejlettebb keretbe foglalja a különböző húrelméleteket.)

A görögök kora óta gondoltak a filozófusok arra, hogy az anyag végső építőkockái az atomoknak nevezett parányi részecskék lehetnek. Manapság erős atomhasítókkal és részecskegyorsítókkal az atomot szeparálni tudjuk elektronokra és atommagra, amely tovább bontható szubatomi (atomnál is kisebb) részecskékre. De ahelyett, hogy egy elegáns és egyszerű képet kaptunk volna, aggodalomra adott okot, hogy a részecskegyorsítókból szubatomi részecskék százai kerültek elő, amelyeknek különös neveket adtak, mint például neutrínók, kvarkok, mezonok, leptonok, hadronok, gluonok, W-bozonok és így tovább. Kicsit nehéz elhinni, hogy a természet a legalapvetőbb szinten bizarr szubatomi részecskék teljesen áttekinthetetlen dzsungeléből állna.

A húrelmélet és az Melmélet arra az egyszerű és elegáns ötletre épül, hogy a szubatomi részecskék zavarba ejtő változatossága helyett az Univerzum hasonló egy hegedűhúrhoz, vagy egy dob tetején lévő membránhoz. (Természetesen ezek nem közönséges húrok és membránok: tíz vagy tizenegy dimenziós hipertérben léteznek.)

Hagyományosan a fizikusok az elektront egy végtelenül kicsiny, elhanyagolható méretű pontnak tekintették. Ehhez hasonlóan be kellett vezetniük különböző pontokat a szubatomi részecskék százainak mindegyikére, ami rettenetesen zavaros volt. A húrelmélet szerint, ha lenne egy szupermikroszkópunk, amellyel az elektron szívébe tudnánk pillantani, azt látnánk, hogy az elektron többé nem pontszerű részecske, hanem egy apró, rezgő húr. Csak azért látszik pontnak, mert a mostani eszközeink ehhez a finom felbontású képhez túl kezdetlegesek.

Ez az aprócska húr felváltva vibrál különböző frekvenciákkal és rezonanciákban.

Ha meghúznánk ezt a vibráló húrt, akkor megváltoztatná az

állapotát és egy másik szubatomi részecskévé válna, például egy kvarkká. Még egyszer megrántva, neutrínóvá válik. Ily módon a szubatomi részecskék sokaságát nem másképp, mint egy húr különböző hangjaiként magyarázhatjuk meg. A laboratóriumban látott szubatomi részecskék százait

felcserélhetjük egyetlen objektummal, a húrral.

Ebben az új szóhasználatban, a fizika törvényei, amiket több ezer évnyi kísérletezéssel tudtunk meg, nem mások mint a harmónia törvényei, amelyeket bárki húrokkal és membránokkal írhat le. A kémia törvényei a melódiák, amelyeket valaki ezeken a húrokon játszhat el. Az Univerzum a húrok szimfóniája. „Isten gondolatai", ahogy Einstein olyan szépen megfogalmazta, a kozmikus zenéknek az egész hipertéren átvonuló rezonanciája. (Amely elvezet minket egy másik kérdéshez: ha az Univerzum a húrok szimfóniája, akkor van egy zeneszerző is? Ezt a kérdést a 12. fejezetben tárgyaljuk.)

ZENEI ANALÓGIA MEGFELELŐJE A HÚROKBAN Zenei jelek Matematika

Hegedűhúrok Szuperhúrok

Hangok Szubatomi részecskék A harmónia törvényei Fizika

Melódiák Kémia

Univerzum A húrok szimfóniája „Isten gondolatai" A hipertérben csengő muzsika Zeneszerző ?

Az Univerzum vége

A WMAP nemcsak az eddigi legpontosabb képet villantotta fel a korai Univerzumról, de a legpontosabb adatokat szolgáltatta Univerzumunk majdani haláláról is. Ahogy a misztikus antigravitációs erő a kezdetek óta eltávolította egymástól a galaxisokat, ugyanez az antigravitációs erő tolja az Univerzumot a végső sorsa felé. Korábban a csillagászok azt gondolták, hogy az Univerzum tágulása fokozatosan lassulni fog. Most észrevettük, hogy az Univerzum valójában gyorsulva tágul, egyre növekvő sebességgel löki szét a galaxisokat. Az Univerzum 73%-át alkotó sötét energia gyorsítja az Univerzum tágulását, még nagyobb távolodásra késztetve a galaxisokat. A Space Telescope Institute munkatársa, Adam Riess mondta, hogy „az Univerzum ahhoz a sofőrhöz hasonló, aki csak lassít, ha piros lámpát lát, és amikor a lámpa zöldre vált, azonnal rátapos a gázra."

Hacsak nem történik valami, ami visszafordítja ezt a tágulást, akkor 150 milliárd éven belül a mi Galaxisunk nagyon magányossá válik, mivelhogy a most látható galaxisok 99,99999 százaléka a belátható Világegyetem szélén is túl lesz már. Az éjszakai égbolt ismerős galaxisai nagy rohanásban lesznek, olyan messze tőlünk, hogy a fényük soha nem ér el hozzánk.

A galaxisok maguk nem tűnnek el, de túl messze lesznek a távcsöveink számára, hogy valaha is lássuk őket még egyszer. Noha a belátható Világegyetem hozzávetőleg 100 milliárd galaxist tartalmaz, 150 milliárd éven belül csak a lokális szuperhalmaz néhány ezer galaxisa lesz látható. Még messzebb tekintve az időben, csak a mi lokális galaxiscsoportunk 36

tagja (ma már hatvannál is több tagja ismert - a fordító megjegyzése) fogja alkotni az egész

Univerzum látható részét, miközben galaxisok milliárdjai lesznek a belátható Univerzum határán túl. (Ez azért van így, mert a lokális galaxiscsoporton belül ható gravitációs erők elegendően nagyok ahhoz, hogy a csoport szétesését meggátolják. Ironikus, de ahogy a galaxisok egyre távolabb úsznak egymástól, éppen ebben a távoli, sötét korszakban élő csillagászok nem tudják majd észlelni az Univerzum tágulását, mert a Lokális Galaxiscsoport tagjai maguk nem vesznek részt a tágulásban. A távoli jövőben, ha a csillagászok nem ismernék elődeik eredményeit, az éjszakai égboltot vizsgálók nem tudnák meg, hogy az Univerzum tágul, és arra az eredményre jutnának, hogy az Univerzum statikus és csak néhány galaxisból áll.)

Ha ez az antigravitációs erő a jövőben is hatni fog, akkor az Univerzum végül is a Nagy Faggyal ér véget. Az Univerzum összes intelligens életformája végső soron egy elhúzódó, hosszú agóniában megfagy, ahogy a világűr hőmérséklete az abszolút nulla fok felé közeledik, ahol maguk a molekulák egyre nehezebben mozognak. A mostantól számított nagyon nagyon sok év múlva, a csillagok abbahagyják fénykibocsátásukat, nukleáris tüzük kialszik ahogy az üzemanyaguk kifogy, és az égbolt örök sötétségbe borul. A kozmikus tágulás nem hagy mást maga után, csak hideg, halott és sötét csillagokat, neutroncsillagokat és fekete lyukakat. Még távolabbra tekintve az időben, azt találjuk, hogy a fekete lyukak lassan elpárolognak, maguk után csak élettelen, szétrepülő részecskék hideg ködét hagyják. Ebben a fagyos, kietlen univerzumban az értelmes élet, legyen az értelmes élet bármely elképzelhető formája, fizikailag lehetetlen. A termodinamika vastörvényei szerint ilyen hideg környezetben az információ áramlása tilos, ezért az összes életforma szükségszerűen kipusztul.

Először a 19. században vették észre, hogy az Univerzum fagyhalállal érhet véget. Charles Darwin így ír arról a lehangoló tényről, hogy a fizika törvényei látszólag az összes értelmes életforma végső pusztulását jelentik: „Ha valaki hiszi, miként én, hogy az ember a távoli jövőben még sokkal tökéletesebb lény lesz, mint ma, akkor szinte elviselhetetlen a gondolat, hogy ilyen hosszan tartó, lassú fejlődés után minden érző lény tökéletes megsemmisülésre van kárhoztatva." Sajnálatos módon, a WMAP adatai Darwin legrosszabb érzéseit látszanak megerősíteni.4

4 A 19. században a termodinamika 2. főtétele alapján megjövendölt ún. hőhalál a hőmérséklet univerzális kiegyenlítődését jelenti. Ez a kiegyenlítődés a csillagok kihunyása után egy alacsony, de nem zéró szinten történne meg — így a Világegyetem tágulásából következő Nagy Fagyra valamelyest emlékeztet ugyan, de azzal nem azonos. (A szaklektor megjegyzése)

Menekülés a hipertérbe

A fizika egyes törvényeiből világosan következik, hogy az Univerzumbeli értelmes élet sorsa szükségképpen a kipusztulás. De ugyanakkor az evolúció törvénye is létezik, amely szerint ha a környezet lassan megváltozik, akkor az életnek is vele együtt kell változnia, hozzá kell szoknia az új körülményekhez vagy ki kell pusztulnia. Mivel lehetetlen a halálosan kihűlő Univerzumhoz hozzászokni, az egyetlen lehetőség a kihalás - vagy elhagyni magát az Univerzumot! Amikor az Univerzum végső halálával kell szembenéznünk, vajon lehetségese, hogy trillió évek múlva létező civilizációk elkészítik az Univerzum elhagyásához szükséges technológiát, mint egy méretes „életmentő csónakot", és egy másik, sokkal fiatalabb és melegebb univerzumba átsodortatják magukat? Vagy arra használják ezt a nagyon fejlett technológiájukat, hogy készítenek egy „időgépet", és visszamennek a saját múltjukba, amikor a hőmérséklet még magasabb volt?

Néhány fizikus a máig elért legfejlettebb fizikai eredményeket felhasználva lehetséges, de nagyon spekulatív terveket javasolt, amelyek a más univerzumokba vezető, dimenziók közötti kapuk vagy átjárók

legrealisztikusabb megközelítéseit szolgáltatnák. A fizikusok laboratóriumaiban világszerte álló táblák tele vannak elvont egyenletekkel, amelyekkel azt számolják, hogy lehetségese vagy sem a fekete lyukakat vagy „egzotikus energiát" használva egy másik univerzumba utazni. Lehetségese, hogy a mostantól számított millió vagy milliárd évek múlva egy fejlett civilizáció kiaknázza a fizika törvényeiben rejlő lehetőségeket, és átlép egy másik univerzumba?

A Cambridgeben dolgozó kozmológus, Stephen Hawking egyszer így tréfálkozott: „A féreglyukak, ha csakugyan léteznek, ideálisak lennének a gyors űrutazásokra. Egy féreglyukon keresztül elmehetsz a galaxis túloldalára, és vacsorára hazaérhetsz."

Ha pedig a féreglyukak és a dimenziók közötti kapuk túl szűk keresztmetszetűnek bizonyulnának, és nem tennék lehetővé az Univerzum elhagyását jelentő végső Exodust, van még egy lehetőség: az intelligens, fejlett civilizáció összes tudását jelentő információtartalmat molekuláris szintűre kell összenyomni, és ezt kell az átjárón keresztülküldeni, ami majd a túloldalon önmagát felépíti. Ezen az úton, a dimenziók közötti kapukon és átjárókon keresztül az egész civilizáció beolthatja csíráival a másik univerzumot, és újraalkothatja önmagát teljes dicsőségében. A hipertér, a fizikusok játékszere helyett, potenciálisan egy haldokló univerzumban az intelligens életformák végső megmentője lehet.

Mielőtt azonban teljesen megértenénk ennek az eseménynek a jelentőségét, először azt kell megértenünk, hogy a kozmológusok és a fizikusok hogyan jutottak el ezekhez a meghökkentő gondolatokhoz. A Párhuzamos világok olvasása során először áttekintjük a kozmológia történetét, hangsúlyozva azokat a paradoxonokat, amelyek századok óta betöltik a kozmológiát, és amelyek az infláció elméletében csúcsosodnak ki, és amelyek

- ha és amennyiben összeférnek a kísérleti adatok mindegyikével arra kényszerítenek minket, hogy foglalkozzunk a sok-sok univerzum gondolatával.

2. A paradoxonok Univerzuma

Ha jelen lettem volna a teremtésnél, adtam volna néhány jó tanácsot és az Univerzum szervezettebb lett volna.

BÖLCS ALFONZ KIRÁLY

Nyavalyás Naprendszer. Kevés a fény; a bolygók túl messze vannak; az üstökösök zaklatnak; gyenge a szerkezet; én jobb Univerzumot csináltam volna.

LORD JEFFREY

Shakespeare az ,Ahogy tetszik"-ben írta a következő halhatatlan szavakat:

Színház ez az egész világ s merő Szereplő mind a férfi, nő: Mindenki föl-és lelép;

(RÁKOSI JENŐ FORDÍTÁSA)

A középkorban a világot valójában egy színpadnak képzelték, ami kicsi és állandó jellegű, és az apró, sík Földből áll, amely körül tökéletes pályáikon mozognak a titokzatos égitestek. Az üstökösök a király halálát előrejelző ómenek voltak. Amikor az 1066-ban látható üstökös keresztülhaladt Anglia egén, elborzasztotta Harold király szász katonáit, akik villámgyorsan vesztettek Hódító Vilmos előrenyomuló, győzedelmes gyalogosaival szemben, megnyitva az utat a modern Anglia kialakulása felé. Ugyanez az üstökös ismét feltűnt Anglia egén 1682-ben, megint csak félelmet és rettegést keltve egész Európában. Mindenkit, a jobbágyoktól a királyokig, megigézett a váratlan égi látogató, ami keresztülsöpört az éggömbön.

Honnan jött ez az üstökös? Merre megy és mit jelent?

A vagyonosnak számító Edmund Halley-t, aki amatőrcsillagász is volt, annyira izgatott az üstökös látványa, hogy megtudakolta a kor legnagyobb tudósának számító Isaac Newton véleményét. Amikor megkérdezte Newtont, vajon milyen erő hatására mozoghat az üstökös, Newton higgadtan azt felelte, hogy a fordítottan négyzetes erőtörvény hatására az üstökös ellipszispályán mozog (ami annyit tesz, hogy az üstökösre ható erő az üstökös Naptól mért távolsága négyzetével csökken). Newton elmondta, hogy az általa tervezett távcsővel követi az üstököst (ez volt az a távcsőtípus, amelyet a későbbi korok csillagászai is nagyon sokszor, és még ma is használnak), és az útja követte azt a nyomvonalat, amelyet az általa húsz évvel korábban felfedezett gravitációs törvény kijelölt számára. Halley ettől hihetetlenül elképedt. „Honnan tudja?" - követelődzött Halley. „Mert kiszámoltam" - felelte Newton. Halley a legvadabb álmaimban sem gondolta soha, hogy a gravitáció új törvénye feltárhatja az égitestek titkait, minthogy amióta csak az emberiség először az égre tekintett, ezek az égitestek misztikusnak tűntek.

A nagyszerű áttörés jelentőségétől meghökkenve, Halley nagylelkűen támogatta az új elmélet nyilvánosságra hozását könyv alakban. 1687-ben, Halley bátorításával és anyagi támogatásával, Newton kiadta a Philosophia Naturalis Principia Mathematica (A természetfilozófia matematikai alapjai) című könyvét. Számtalan alkalommal ünnepelték ezt a könyvet, mint a valaha megírt legfontosabb könyvet. Egyetlen csapásra a tudósok képesek voltak attól kezdve hajszálpontosan előre jelezni az égitestek mozgását, míg addig teljesen tudatlanok voltak a Naprendszer törvényei iránt. A Principia sikere olyan hatalmas volt Európa királyi udvaraiban és szalonjaiban is, hogy a költő Alexander Pope azt írta:

A természet és törvényei az éj sötétjébe merült, De Isten szólt: Legyen Newton! És mindenre fény derült.

Halley egyébként észrevette, hogy ha az üstökös pályája ellipszis, akkor ki lehet számolni azt is, mikor fog ismét feltűnni és mikor lehetett látni a múltban. Régi feljegyzéseket lapozgatva felismerte, hogy az 1531-ben, 1607-ben és 1682-ben látott üstökös valójában egy és ugyanazon üstökös visszatérései voltak. Ugyanezt az üstököst - amely olyan sarkalatos szerepet játszott a mai Anglia megteremtésében - lehetett látni 1066-ban, és korábban sokszor máskor is, például még Július Caesar idejében is feltűnt.

Halley megjósolta, hogy az üstökös 1758-ban vissza fog térni, jóval azután, hogy Halley és Newton még élnének. Az üstökös 1758 karácsonyán valóban ismét láthatóvá vált, és ekkor nevezték el ezt az objektumot Halley-üstökösnek.

Newton a tömegvonzás általános érvényű törvényét húsz évvel korábban fedezte fel, amikor a fekete halál (a pestis) felütötte a fejét Cambridgeben, arra kényszerítve őt, hogy Woolsthorpe-ban lévő vidéki birtokára vonuljon vissza. Kedvesen idézte fel, hogy amikor birtokán sétált körbekörbe, megpillantott egy almafát. Feltette magában azt a kérdést, amely az egész emberiség történetét megváltoztatta: ha egy alma leesik, akkor a Hold is leesik?

Newton zseniális gondolata volt, hogy az almák, a Hold, és az összes bolygó egyaránt alá van vetve a gravitációnak, és ezek mindegyike úgy esik, ahogy azt a négyzetes törvény mondja. A 17. században megalapozta a matematika egy új ágát, az integrál-és differenciálszámítást, hogy meghatározza velük az almák esését és a Hold mozgását.

Newton a Principiában ugyancsak leírta a mechanika alaptörvényeit, amelyek meghatározzák az összes földi és égi test pályáit. Ezek a törvények elvezettek aztán a gépek megszerkesztéséhez, a gőz erejének

hasznosításához, a mozdonyok építéséhez, amely mind-mind segített az ipari forradalom és a modern civilizáció útjának alapköveit letenni. Ma minden felhőkarcolót, minden hidat, minden rakétát a Newton-törvényeket felhasználva tervezték meg.

Newton nemcsak a mozgás mindig érvényes törvényeit tárta elénk: megváltoztatta az egész világszemléletünket is. Az Univerzumnak egy radikálisan új képe bontakozott ki, amelyben az égitesteket kormányzó misztikus törvények azonosak lettek a Földön érvényesekkel. Az élet színpadát többé nem borzalmas égi előjelek vették körbe; az egyes színészekre érvényes törvények érvényesek az egész színitársulatra.

A Bentley-paradoxon

Mivel a Principia nagyon jelentős mű volt, az Univerzum szerkezetéről szóló első zavaró paradoxonokat is ez a mű vetette fel. Ha az Univerzum egy színház, mégis, milyen nagy? Végtelen vagy véges? Ez utóbbi egy nagyon régi kérdés: már a régi római filozófust, Lucretiust is elbűvölte. Ő azt írta, hogy „Az Univerzumnak egyik irányban sincs vége. Ha vége lenne, akkor szükségszerűen valahol kellene lennie egy határnak. De világos, hogy egy dolognak nem lehet határa, hacsak nincs valami kívüle, ami határolja őt... Bármely irányban is, ezen az oldalon vagy a túlsón, lefelé vagy felfelé, semerre az Univerzumban nincsen vég."

Newton elmélete, legyen bár az Univerzum véges vagy végtelen, további paradoxonokat is rejtett. A legegyszerűbb kérdés is az ellentmondások ingoványos talajára vezetett. Newton még mindig a Principia által hozott hírnévben sütkérezett, de már felfedezte, hogy gravitációelmélete szükségképpen tartalmaz paradoxonokat. 1692-ben egy anglikán tiszteletes, Richard Bentley egy lefegyverzően egyszerű, de ugyanakkor nagyon aggasztó levelet írt Newtonnak. Mivel a gravitáció mindig vonzó és sohasem taszító jellegű, írta Bentley, ez azt jelenti, hogy a csillagok bármely halmaza természetszerűleg egymásba omlik össze. Ha az Univerzum véges lenne, akkor ahelyett, hogy örökkévaló és állandó állapotban maradna, egy hihetetlen mészárlásnak kellene bekövetkeznie, ahogy a csillagok beleszántanak egymásba és egyesülnek egy forró szupercsillagban. De Bentley arra is rámutatott levelében, hogy ha az Univerzum végtelen lenne, akkor a bármelyik égitestre ható erők azt jobbra-balra rángatván ugyancsak végtelen nagyságúak lennének, és ezért ezek az erők egy heves kataklizmában a csillagokat most foszlányaikká kellene, hogy szaggassák.

Elsőre úgy tűnik, Bentley Newtont sakk-mattolta akár véges az Univerzum (ekkor egy tűzgömbben összeomlik), akár végtelen (amely esetben meg a csillagok darabokká esnének szét). Mindegyik lehetőség végzetes csapás volt a Newton által javasolt elméletre. Ez a probléma – a történelemben először - rámutatott azokra a kényes, de velejáró kérdésekre, amelyek akkor kerülnek felszínre, amikor a gravitációelméletet az egész Univerzumra alkalmazzuk.

Némi meggondolás után Newton azt írta vissza, hogy talált egy kibúvót az okoskodás alól. Végtelen Univerzumot javasolt, de olyat, ami teljesen egyenletesen van kitöltve csillagokkal. Ekkor, ha az egyik csillagot végtelen számú csillag jobbra rángatná el, ezt semlegesíti más végtelen számú csillag, amely meg balra húzza épp annyit. Minden irányban az erők egyensúlyban vannak, és így az Univerzum állandó állapotban van. Ezért, ha a gravitáció mindig vonzó, Bentley-paradoxonjának egyetlen megoldása csakis az, hogy az Univerzum végtelen és egyenletesen van kitöltve csillagokkal.

Newton valójában keresett, és talált is Bentley érvelése alóli kibúvót. De Newton elég okos volt ahhoz is, hogy észrevegye a saját válaszának gyengeségét. Egy levelében elismerte, hogy az ő megoldása, noha technikailag helyes, természeténél fogva mégis instabil. Newton egyenletes, de végtelen Univerzuma kártyavárhoz volt hasonló: stabilnak tűnik ugyan, de a legkisebb zavarra összedől. Ki lehet számolni, hogy ha csak egyetlen csillag egy picinykét elugrik a helyéről, az láncreakciót indít be és a csillaghalmaz azonnal nekikezd az összeomlásnak. Newton gyengécske válaszában egy „isteni erőhöz" fordult, amely megóvja a kártyavárat az összedőléstől.

„Folyamatos csoda szükséges, hogy a Napot és az állócsillagokat megóvja attól, hogy a gravitáció hatására egymásba rohanjanak" - írta. Newton számára az Univerzum olyan volt, amelyet az Isten a kezdetekkor, mint egy óraszerkezetet felhúzott és azóta ketyeg Newton három törvényének megfelelően, isteni közbeavatkozás nélkül. Néha azonban, magának Istennek kell közbeavatkoznia és csavarnia egy aprónyit az Univerzumon, hogy megőrizze az összeomlástól. (Más szavakkal, Isten alkalmanként azért avatkozik közbe, hogy megóvja a színpadi társulatot attól, hogy a színház a színészek fejére essen.)

Az Olbers-paradoxon

Bentley paradoxonján túl van még egy sokkal fontosabb paradoxon is, amely bármely végtelen Univerzumban fellép. Az Olbers-paradoxon azzal kezdődik, hogy valaki megkérdezi: miért van sötét éjjel? Már Johannes Kepler korában is felismerték a csillagászok, hogy ha az Univerzum egyenletes és végtelen lenne, akkor bárhova is nézünk az égen, végtelen számú csillagot kell látnunk abban az irányban. Bármely irányba nézve az Univerzumban, a látóirány mentén végül is csillagokba fogunk ütközni, mégpedig előbb-utóbb végtelen számúba és ekkor végtelen mennyiségű fény jut a szemünkbe, így az égboltnak fénylőnek kellene lennie! A tény, hogy az éjszakai égbolt sötét és nem világos, egy kényes, de alapvető kozmikus paradoxon maradt évszázadokig.

Olbers paradoxona, akárcsak Bentley-é, megtévesztőén egyszerű, de a csillagászok és a filozófusok generációit megőrjítette. A Bentley-és Olbers-paradoxonok is a végtelennel és az észlelt tényekkel állnak kapcsolatban: egy végtelen Univerzumban a gravitációs erők és a fények is összegződnek, és ez végtelent adhat eredményül, ami ellentmond az észleléseknek.

Évszázadokon át adtak helytelen válaszokat a fenti kérdésekre. Keplert olyannyira zavarba hozta ez a paradoxon, hogy egyszerűen inkább végesnek tartotta az Univerzumot, amelyet egy vékony köpeny zár le, így csak véges mennyiségű csillagfény érheti el a szemeinket.

Ez a paradoxon annyira bonyolult, hogy - mint egy 1987-es tanulmány megmutatta - a csillagászati tankönyvek körülbelül 70%-a helytelen választ tartalmaz.

Az Olbers-paradoxont először azzal próbálták feloldani, hogy a csillagközi felhők elnyelik a csillagfényt. Ez volt maga Wilhelm Heinrich Olbers válasza is 1823-ban, amikor először világosan megfogalmazta a kérdést. Olbers a következőket írta: „Milyen szerencsés dolog is, hogy nem érkezik az égboltozat minden egyes pontjáról csillagfény a Földre! Persze, olyan elképzelhetetlenül fényes és forró helyre is, amely 90 000-szer nagyobb annál, mint amit most tapasztalhatunk, a Mindenható könnyen tervezhetett volna ilyen extrém környezethez alkalmazkodó organizmusokat."

Annak érdekében, hogy a Föld ne fürödjön „a Napkorongéval egyenlő ragyogású háttérben", Olbers azt vetette fel, hogy porfelhők nyelik el azt a hőmennyiséget, amely egyébként lehetetlenné tenné a Földön az életet. Például a mi saját Tejútrendszerünk centruma, amely az éjszakai égboltot uralja fényességével, porfelhők mögött rejtőzik el. Ha a Nyilas csillagkép irányába nézünk, amerre a Tejútrendszer centruma található, nem látunk ragyogó tűzgömböket, csak fényes és halvány csillagocskákat. Valójában azonban a porfelhők nem tudják feloldani az Olbers-paradoxont. Végtelen idő elteltével, ezek a fényelnyelő porfelhők végtelen számú csillagról érkező fényt fognak magukba szívni, és maguk is olyan fényesen fognak világítani, mint a csillagok, így a porfelhők az éjszakai égbolton tündökölni fognak.

Hasonlóképpen, valaki elképzelheti, hogy minél távolabbi egy csillag, annál halványabb. Noha ez nagy általánosságban igaz, ez sem lehet az válasz. Ha az égbolt egy kis darabkáját nézzük, a távolabbi csillagok valóban halványabbak, de sokkal több is van belőlük, ahogy messzebbre nézzünk.

Egyenletesen kitöltött univerzumban ez a két hatás pontosan semlegesíti egymást, és ez esetben az éjszakai égboltnak ismét csak világosnak kellene lennie. (Ugyan a csillagok fényessége távolságuk négyzetével fordítottan arányos csökken, de ezt semlegesíti, hogy a csillagok száma a távolságuk négyzetével nő.)

Különösképpen az első, aki megoldotta ezt a paradoxont, az amerikai misztikus író, Edgar Allan Poe volt, aki nagyon érdeklődött a csillagászat iránt. Nem sokkal azelőtt, hogy meghalt, sokféle gondolatát közölte egy kusza, filozofikus, Eureka: A Prose Poem című művében. Egy figyelemreméltó szakaszban ezt írta:

„Ha a csillagok sora végtelen volna, akkor az égi háttér egyenletesen fényes lenne, miként azt a Tejúton látjuk - mivel az egész háttérnek egyetlen pontja sem lehetne, melyben ne volna csillag. A dolgok ilyetén állása mellett az üresség, melybe távcsövünk mindenfelé ütközik, csakis úgy érthető meg, ha feltesszük, hogy a láthatatlan háttér távolsága oly hatalmas, hogy onnét még fénysugár hozzánk el nem érhetett.” Végezetül még hozzátette, hogy az ötlet „túl szép ahhoz, hogy ne legyen lényegében helyes".

Ez a kulcs a helyes válaszhoz. Az Univerzum nem végtelenül idős. Volt egy Genezis. Van egy véges határ, ahonnan kezdve nem érkezik fény a szemünkbe. Még nem telt el elég idő, hogy a legtávolabbi csillagokról a fény ideérjen. Edward Harrison kozmológus, aki felfedezte, hogy Poe megoldotta az Olbers-paradoxont, azt írta, hogy „Amikor először olvastam Poe szavait, teljesen meglepődtem: Hogyan tudta egy író, jobb esetben is csak egy amatőr tudós, megtalálni a helyes megoldást 140 évvel ezelőtt, amikor iskoláinkban... még ma is tanítják a helytelen választ?" A skót fizikus Lord Kelvin 1901-ben szintén megtalálta a helyes választ. Észrevette, hogy amikor az égboltot nézzük, akkor nemcsak ránézünk, de a múltjába is nézünk, nem pedig a jelent látjuk, mert a fény sebessége noha földi fogalmainkkal mérve roppant nagy, kb. 300 000 km másodpercenként - véges, és ezért időbe lelik, amíg a csillagokról a fény a Földre ér.

Kelvin kiszámolta, hogy ahhoz, hogy az éjszakai égbolt világos legyen, az Univerzumnak több száz trillió fényévnyi nagyságúnak kellene lennie. Mivel azonban az Univerzum nincs több trillió év korú, az égbolt szükségképp sötét. (Van egy másik szintén fontos ok is, ami hozzájárul ahhoz, hogy az éjszaka sötét: a csillagok élettartama, amelyet milliárd években mérünk, véges.)

Újabban lehetőség nyílt arra, hogy Poe megoldásának helyességét műholdak segítségével, például a Hubbleűrtávcsővel kísérleti úton is igazolják. Ezek a hatékony távcsövek pedig lehetővé teszik egy már gyerekek által is feltenni szokott kérdés megválaszolását: melyik csillag van a legtávolabb?

És mi van a legtávolabbi csillagon túl? E kérdések megválaszolása céljából a csillagászok a Hubble-űrtávcsövet történelmi feladattal bízták meg: készítsen egy pillanatfelvételt az Univerzum legtávolabbi pontjáról. Az Univerzum legtávolabbi sarkaiból érkező nagyon halvány sugárzás felfogására az űrtávcsőnek egy addig példa nélkül álló feladatot is végre kellett hajtania: összességében több száz órán keresztül nagyon pontosan kellett megcéloznia az égboltnak ugyanazon pontját az Orion csillagképben, aminek időtartama összesen négyszáz Föld körüli keringést igényelt. A feladat olyan nehéz volt, hogy négy hónap alatt tudták csak végrehajtani.

Eredményképp 2004-ben egy káprázatos fotó került nyilvánosságra, amely az egész világon a címlapokra került. Tízezernyi gyermekkorú galaxis kollekcióját mutatta a felvétel, ahogy az Ősrobbanást követő kaotikus viszonyokból éppen kifejlődnek. A Space Telescope Science Institute (STSI) munkatársa, Anton Koekemoer kijelentette, hogy „láthatjuk a kezdet végét." A felvételen a Földtől 13 milliárd fényévre lévő halovány galaxisok egyvelege volt látható - ami azt jelenti, hogy 13 milliárd évre volt szükség ahhoz, hogy e galaxisok fénye elérje a Földet. Mivel az Univerzum maga csak 13,7 milliárd éves, ezek a galaxisok durván félmilliárd évvel az Univerzum keletkezése után jöttek létre, akkor, amikor az első csillagok és galaxisok kiváltak az Ősrobbanás által maga után hagyott „gázlevesből".

„A Hubble kőhajításnyira helyezett minket magától az Ősrobbanástól"

- mondta az STSI csillagásza, Massimo Stivavelli.

Ez azonban felveti a kérdést: mi helyezkedik el a legtávolabbi galaxisokon túl? Erre a bizonyos képre pillantva rögtön feltűnik, hogy az itt látható galaxisok között is csak sötétség van. Ez az a sötétség, amely az éjszakai égbolt sötétségét okozza. A legtávolabbi csillagok fénye érkezik innét. A sötétség pedig valójában a kozmikus mikrohullámú sugárzás, amit a szemünkkel nem látunk. Tehát a végső válasz arra a kérdésre, hogy az éjszakai égbolt miért sötét az, hogy valójában nem teljesen sötét. (Ha a szemünk képes lenne nemcsak a látható fénysugarakat, hanem valamiképp a mikrohullámokat is látni, akkor látnánk az Ősrobbanásból származó, az egész égboltot betöltő sugárzást. Bizonyos értelemben, az Ősrobbanásból érkező sugárzás minden éjszaka előjön. Ha olyan szemünk lenne, ami látja a mikrohullámokat, akkor a legtávolabbi csillagokon túl, a Teremtést magát is látnánk.)

Einstein, a lázadó

Newton törvényei annyira pontosak voltak, hogy a tudománynak két évszázadába telt, amíg a következő életbevágóan fontos lépést megtette: ez a lépés Albert Einstein munkássága volt. Einstein úgy kezdte pályafutását, mint aki tökéletesen alkalmatlannak tűnik egy ilyen horderejű forradalomhoz. Miután 1900-ban a zürichi Műszaki Főiskolán megszerezte diplomáját, reménytelen munkanélküliségben találta magát. Professzorai akadályozták a karrierjét, mert nem szerették ezt a szemtelen és beképzelt diákot, aki gyakran hagyta ki az óráikat. Lehangolt, védekező jellegű levelei mutatják a válságot, amibe belekerült. Saját magát bukottnak tekintette, aki anyagilag teher szülei nyakán. Egy megrendítő levelében bevallotta, hogy még az életének is véget akart vetni: „Szegény szüleim szerencsétlenségére, akiknek oly' sok éven át egyetlen boldog pillanatuk sem volt, nagy terhet jelentek nekik... Semmi más nem vagyok, csak teher a rokonaimnak... Bizonyosan jobb lenne, ha nem élnék tovább" - írta leverten.

Azon gondolkodott, hogy egy más pályát választ, és egy biztosítótársaság alkalmazottja lett. Elvállalt egy munkát, gyerekeket tanított, de szóváltásba keveredett a munkaadójával és elküldték. Amikor barátnője, Mileva Maric váratlanul terhes lett, kénytelen volt tudomásul venni, hogy gyermekük törvénytelen lesz, mert nem rendelkeznek a házassághoz szükséges anyagiakkal. (Senki sem tudja, hogy végül is mi történt ezzel a törvénytelen gyerekkel, Lieserallal.) Sohasem forrt be az az érzelmi seb, amelyet édesapja váratlan halála okozott. Apja úgy halt meg, hogy fiát csak szerencsétlennek tudhatta.

Noha az 1901-1902-es évek jelentették talán Einstein életében a legrosszabb időszakot, mégis ami megmentette a nevét a feledéstől, az éppen az egyik volt évfolyamtársa, Marcel Grossmann ajánlása volt, aki néhány követ megmozgatva biztosított neki egy szerény ügyintézői állást a Bernben található Svájci Szabadalmi Hivatalban.

A relativitáselmélet paradoxonjai

Látszólag egy szabadalmi hivatal a legvalószínűtlenebb hely, ahonnan elindulhat a fizika Newton kora óta legnagyobb forradalma. De a hivatalnak megvoltak a maga előnyei. Miután gyorsan elintézte az asztalán heverő szabadalmi kérvényeket, Einstein hátradőlhetett és visszatérhetett egy gyerekkori álmához. Fiatal korában Einstein elolvasta Aaron Bernstein A természettudományok népszerű könyve című művét, amelyet

„lélegzetvisszafojtva olvastam el", emlékezett vissza. Bernstein arra kérte az olvasót, hogy képzeletben száguldjon együtt az elektromossággal, amint az végigszalad a távírókábelen. Amikor 16 éves volt, Einstein hasonlót kérdezett magától: milyen lenne a fénysugár, ha el tudná kapni? Einstein visszaemlékezett, hogy „ilyen alapvető eredményt hozott az a paradoxon, amely már 16 évesen eszembe jutott: ha én üldözök egy fénysugarat a fény c sebességével (c a fény sebessége vákuumban), akkor egy olyan fénysugarat kellene látnom, amiben az elektromágneses tér oszcillálna. De ilyesmi, úgy tűnik, nem létezik sem a tapasztalat, sem Maxwell egyenletei szerint." Gyermekként tehát Einstein úgy gondolta, hogy ha versenyezhetne egy fénysugárral, akkor az megfagyni látszana: olyanná lenne, mint egy mozdulatlan hullám. Azonban soha senki nem látott megfagyott fényt, ezért valami bizonyosan nagyon rosszul van az elméletben.

A századfordulón két tekintélyes oszlopon nyugodott a fizika: az egyik

A századfordulón két tekintélyes oszlopon nyugodott a fizika: az egyik as években James Clerk Maxwell skót fizikus megmutatta, hogy a fény rezgő elektromos és mágneses térből áll, amelyek állandóan átmennek egymásba. Amit Einstein felfedezett, és ami olyan sokkoló volt, az annyi, hogy ez a két oszlop egymásnak ellentmond, és ezért az egyiknek hibásnak kell lennie.

Tíz évig kísértette Einsteint a Maxwell-egyenletek rejtvényének megoldása. Einstein megtalálta azt, amit Maxwell hiányolt: a Maxwell-egyenletekből az következik, hogy a fény sebessége állandó, és ezért nem jelent problémát, hogyan kapjuk el. A fény sebessége ugyanis, bárhonnét nézzük is, mindig ugyanaz az érték az összes inerciarendszerben (azaz minden olyan rendszerben, amely állandó sebességgel halad). Akár álldogálunk, akár vonaton robogunk, vagy egy rohanó üstökösön ülünk, a fénysugár mindig előttünk fog futni ugyanazzal a sebességgel.

Akármilyen gyorsan mozgunk is, soha nem érhetjük utol a fényt. Ez azonban rögtön paradoxonok sűrűjébe vezetett. Egy pillanatra képzeljük el, hogy egy űrhajós megpróbálja elkapni a sebes fénysugarat. Az űrhajós begyújtja a rakétáit, és fej-fej mellett halad a fénysugárral. Ebben az elképzelt esetben a Földön álló megfigyelő azt látja, hogy egymás mellett halad a fénysugár és az űrhajós. Az űrhajós viszont valami egészen mást mondana, mégpedig azt, hogy a fénysugár előtte van, hiszen magához képest az űrhajó nyugalomban van, nem mozog.

Einstein számára zavaró kérdés volt, hogy két megfigyelő ugyanazt az eseményt hogyan láthatja különbözőképpen? Newton elméletében bárki bármikor elkaphatja a fénysugarat; Einstein világában azonban ez lehetetlen.

Hirtelen megvilágosodott előtte, hogy a fizika legalapvetőbb hiányosságáról van itt szó. 1905 tavaszán, ahogy Einstein emlékezett: „gondolatrohamaim voltak". Az egyik ilyen gondolatrohamban végül megtalálta

a megoldást: az idő különböző ütemben telik, attól függően, milyen sebességgel mozgunk. Ténylegesen, minél gyorsabban mozgunk, annál lassabban telik az idő. Az idő nem abszolút, ahogy Newton gondolta. Newton szerint az idő egyenletesen telik az egész Univerzumban, ezért egy másodperc a Földön ugyanannyiba telik, mint a Jupiteren vagy a Marson. Az órák egyszerre ütnek az egész Világegyetemben. Einstein szerint viszont, a Világegyetem órái különbözőképpen járnak.

Einstein észrevette, hogy ha az idő függ a sebességtől, akkor más fizikai mennyiségek, mint például a hosszúság, a tömeg, az energia nagysága szintén változni fog. Azt találta, hogy minél gyorsabban mozog valaki, annál jobban rövidülnek a távolságok (ezt a hosszrövidülést hívják LorentzFitzgerald-féle hosszkontrakciónak). Hasonlóképpen, minél gyorsabban mozog valaki, annál nehezebbé válik. (Valójában ahogy közelítünk a fénysebességhez, az idő elkezd lelassulni, majd a fénysebesség elérésekor megáll, a hosszúságok semmivé rövidülnek, és a tömegek végtelen naggyá válnak, ami eléggé abszurd. Ez az oka annak, hogy senki nem érheti el a fénysebességet, ami az egész Univerzumra nézve végső határsebesség.) A térnek és időnek e torzulása egy költőt a következő sorok írására indított:

Volt egy fiatal fickó, Lüke, Akinek a vívása rendkívüli fürge, Olyan gyors volt akciója,

Hogy Fitzgerald kontrakciója Után arasznyira lapult a tőre.

Newton áttörése a földi fizikát egyesítette az égi fizikával - Einstein pedig a teret az idővel. Még azt is megmutatta, hogy az anyag az energiával egyenértékű, és a kettő egymásba átalakítható. Ha egy objektum nehezebbé válik, ahogy gyorsabban mozog, akkor ez azt jelenti, hogy a mozgásá- nak megnövekedett energiája anyaggá válik. A folyamat megfordítható: az anyag átalakulhat energiává. Einstein kiszámolta, mennyi energia válik anyaggá, és eközben megkapta az E energia, m tömeg és a c fénysebesség négyzete között fennálló E=mc^2 formulát, ami szerint ha még csak pici is a tömeg, nagyon nagy számmal, a fénysebességgel négyzetével szorzódik, amikor ez az apró tömeg energiává válik. A csillagok korábban titokzatos energiaforrása is így vált megérthetővé, miszerint ennek az egyenletnek megfelelően az anyag energiává válik, ami aztán bevilágítja az egész Univerzumot.

A csillagok titka visszavezethető volt arra az egyszerű állításra, hogy minden inerciarendszerben a fénysebesség ugyanannyi.

Newtonhoz hasonlóan Einstein is megváltoztatta gondolkodásunkat az élet színpadáról. Newton világában minden színész tudta, hogy mennyi az idő és mekkora távolságok vannak. Az óra járása és a színpad mérete sohasem változott meg. A relativitáselmélet ellenben a térnek és az időnek egy bizarr értelmezését nyújtja. Einstein világában minden színésznek megvan a saját karórája, amelyről különböző időket olvasnak le. Azaz, a színpadon nem lehetséges az összes órát összehangolni. Ha a próba idejét délre teszik, akkor ez különböző időpontokat jelent majd a színészeknek. Különös dolgok történnek majd, amikor a színészek a színpadra sietnek. Minél gyorsabban mozognak, annál lassabban jár az órájuk, és testük nehezebbé, laposabbá válik.

Éveket vett igénybe, amíg a tudományos világ magáévá tette Einstein nézeteit. Eközben Einstein továbblépett: a relativitás új elméletét magára a gravitációra akarta alkalmazni. Gyorsan felismerte ennek nehézségeit. A kvantummechanika megalapozója, Max Planck figyelmeztette őt: „Mint egy idősebb barátnak, azt kell tanácsolnom Neked, ne foglalkozz vele, mert ez lesz az első, amiben nem aratsz sikert, de ha mégis eredményre jutnál, senki sem fog Neked hinni."

Einstein felismerte, hogy az ő elmélete mást mond a gravitációról, mint Newtoné. Newtonnál a gravitáció azonnal érezteti hatását mindenütt az Univerzumban. Ez elvezet a gyermeki kérdéshez: „Mi történne, ha a Nap eltűnne?" Newton szerint az egész Univerzum azonnal megtapasztalná a Nap eltűnését. De a speciális relativitáselmélet szerint ez lehetetlen, mert a fény sebessége határt szab az eltűnésnek. A relativitáselmélet szerint a Nap hirtelen eltűnése a gravitációban egy gömbszerűen kifelé tartó, fénysebességgel terjedő hullámot kelt. A hullámon kívül lévők a Napot még ragyogni látják, mivel a Nap gravitációja eltűnésének hatása még nem érte el őket. De a hullámfronton belül lévő észlelők a Napot már nem látják. E probléma megoldására Einstein a tér és idő egészen újszerű felfogását javasolta.

Az erő, amely görbíti a teret

Newton a teret és az időt egy hatalmas, üres arénaként fogta fel, amelyben az ő mozgástörvényei szerint történnek meg az események. A színpad csodás és misztikus volt, de mozdulatlan és álló, a természet táncának passzív szemlélője csak. Einstein azonban a feje tetejére állította ezt az elképzelést.

Általa a színpad az élet egy fontos részévé vált. Einstein világában a tér és az idő nem nyugodt és nem állandó, ahogy Newton feltételezte, hanem dinamikus, különös utakon meghajlított és görbült. Az élet színpadát mintha egy gumiból álló ugróasztalra cserélte volna, amelybe a szereplők a saját súlyuknál fogva finoman belesüppednek. Egy ilyen arénában azt látjuk, hogy a színpad ugyanolyan fontossá válik, mint maguk a szereplők.

Gondoljunk el egy ágyon heverő nehéz tekegolyót, amely finoman belesüpped a gumimatracba. Gurítsunk el egy üveggolyót a matrac elgörbített felületén. A golyó egy görbült vonalon fog mozogni, a tekegolyó körül keringve. Egy newtoni gondolkodású személy, aki az üveggolyónak a tekegolyó körüli mozgását figyeli, azt mondaná, hogy egyféle erő az, amelyik a nagy tekegolyóból a kis üveggolyóra hatni igyekszik. Véleménye szerint a tekegolyó igyekszik pillanatról pillanatra magához rántani a kis golyót, és ez az erőhatás mozgatja a középpont felé a kis üveggolyót. A relativista számára, aki az üveggolyó mozgását az ágyról, nagyon közelről szemléli, nyilvánvaló, hogy itt semmiféle erőről nincs szó. Csupán az ágy görbülete az, ami a kis golyót egy görbült vonalon történő mozgásra kényszeríti. Szerinte nincsen vonzás, csak nyomás, amelyet a görbült ágy fejt ki a kis golyóra. Cseréljük ki gondolatban a kis golyót a Földdel, a tekegolyót a Nappal és az ágyat az üres téridővel - és máris látjuk, hogyan mozog a Föld a Nap körül, de nem a gravitációs vonzás hatására, hanem mert a Nap meggörbíti a teret a Föld körül, ami így nyomást fejt ki és a Föld emiatt mozog a pályáján.

Einsteint ez vezette arra, hogy azt higgye: a gravitáció egy láthatatlan erő helyett inkább egy szövetféle, amely minden pillanatban jelen van az egész Univerzumban. Ha valaki hirtelen megrázza ezt a szövetet, hullámok keletkeznek rajta és egy jól meghatározott sebességgel terjednek tovább a szövet felszínén. Ez megoldja a Nap hirtelen eltűnésének paradoxonját. Ha a gravitáció csak magának a téridő szövete görbületének egy látszólagos leképeződése, a Nap eltűnése ahhoz hasonló, ha a tekegolyót hirtelen felemeljük az ágyról. Ahogy az ágy ruganyosan visszanyeri eredeti alakját, hullámzó mozgás indul meg és valamilyen sebességgel halad tova az ágy széléig, így, a gravitációt a tér és az idő görbületére cserélve Einsteinnek sikerült összeegyeztetnie a gravitációt és a relativitást.

Képzeljük el, hogy egy hangya egy gyűrött papírlapon próbál keresztülsétálni.

Mint egy részeg tengerész, jobbról balra és balról jobbra dülöngél majd, ahogy a terep ráncain próbál átjutni. A hangya természetesen tiltakozni fog, hogy ő nem részeg, hanem valami misztikus erő rángatja őt ide-oda, jobbra-balra. A hangya számára az üres tér tele van misztikus erőkkel, amelyek megakadályozzák, hogy egyenes vonalban haladjon. Közelről szemlélve a hangyát azonban mi azt látjuk, hogy semmiféle ilyen erő nincsen. Csupán csak az összegyűrt papír redői taszigálják őt ide-oda. A hangyára ható erő egy illúzió, amit magának a térnek a görbültsége okoz. A „taszigáló" erő valójában a papír redői által okozott nyomóerő. Más szavakkal: nem a gravitáció vonz; a tér taszít.

1915-re Einstein elkészült azzal, amit ő az általános relativitás elméletének nevezett; azóta ez vált azzá az alapkővé, amelyre az összes kozmológiai elképzelésünket alapozzuk. Ebben az elképesztően új képben a gravitáció nem az Univerzumban jelenlévő független erőhatás, hanem csak a téridő szövetének meggörbültségéből származó látszólagos effektus. Elmélete annyira átütő erejű volt, hogy egy mindössze kb. 1 cm hosszú egyenletben össze tudta foglalni. Ebben az új, briliáns elméletben a tér és az idő görbületét egyértelműen meghatározza a benne lévő anyagés

energiamennyiség.

Gondoljuk el, hogy egy kavicsot dobunk egy tóba: a becsapódás helyétől kiáradva fodrozódni kezd a víz felszíne. Minél nagyobb a kavicsdarab, annál nagyobbak lesznek a vízfelszínen a fodrok. Ehhez hasonlóan, minél nagyobb tömegű egy csillag, annál nagyobb lesz körülötte a téridő görbülete.

A kozmológia születése

Az előbb vázolt képet felhasználva, Einstein megpróbálta leírni az Univerzum egészét. Anélkül, hogy tudott volna róla, szembe kellett néznie Univerzum egészét. Anélkül, hogy tudott volna róla, szembe kellett néznie as években a legtöbb csillagász úgy hitte, hogy az Univerzum változatlan és statikus. Ezért Einstein abból indult ki, hogy feltételezte, az Univerzum porral és csillagokkal egyenletesen van kitöltve. A modell ahhoz hasonlítható, mintha az Univerzum egy nagy léggömb vagy buborék lenne. Mi a léggömb felszínén élünk. A minket körbevevő csillagok és a galaxisok a léggömb felszínére festett pöttyökhöz hasonlíthatók.

Meglepetésére amikor megoldotta egyenleteit, azt találta, hogy az Univerzuma mozgásba jön. Einstein a Bentley által 200 évvel korábban megfogalmazott problémával került szembe. Mivel a gravitáció mindig vonzó hatású, sohasem taszító, egy véges számú csillagból álló rendszer mindig összeomlik egy heves kataklizmában. Ez azonban ellentmondásban volt az akkoriban uralkodó nézetekkel, miszerint az Univerzum statikus és változatlan.

Einstein ugyan forradalmár volt, de nem hitt abban, hogy az Univerzum mozgásban lenne. Newtonhoz és másokhoz hasonlóan egy statikus univerzumban hitt. Ezért 1917-ben Einstein kénytelen volt bevezetni egy további tagot az egyenleteibe, egy „mismásoló-tényezőt", amely egy új erőt vezetne be az elméletébe, egyfajta „antigravitációt", amely eltávolítaná a csillagokat egymástól. Einstein ezt a tagot „kozmológiai állandónak" nevezte el, ami rút kiskacsaként jelentkezett az elmélet továbbgondolásakor.

1919-ben két csoport is bizonyította Einstein jóslatának helyességét, miszerint egy távoli csillagfénye elhajlik, ha a Nap közelében halad el. Ezért a Nap közelében a csillagok pozíciója látszólag elmozdul az égbolton a normál pozíciójához képest. Ezt az okozza, hogy a Nap meghajlítja maga körül a téridőt. Ezért a gravitáció ténylegesen nem „vonzás", inkább „nyomás".

Einstein teljesen önkényesen úgy választotta meg a kozmológiai állandó nagyságát, hogy tökéletesen semlegesítse a gravitáció hatását, és így egy statikus univerzum jöjjön létre. Más szavakkal, az Univerzum parancsszóra vált statikussá: a gravitáció okozta, befelé ható vonzást a sötét energia kifelé ható ereje semlegesíti. (Hetven éven át ez a gravitáció elárvult valami volt, mígnem néhány éve ténylegesen is felfedezték.)

1917-ben egy holland fizikus, Willem de Sitter az Einsteinegyenlet egy másik megoldását produkálta, amelyben az Univerzum végtelen volt ugyan, de teljesen üres; az ő Univerzuma tulajdonképpen csak energiát tartalmazott, amely a kozmológiai állandóban volt jelen, anyagot semmit. Ez a tiszta antigravitációs erő elegendő lenne ahhoz, hogy az Univerzumot gyors, exponenciális jellegű tágulásra késztesse. Még anyag nélkül is, csak maga a sötét energia képes volna egy táguló Univerzumot létrehozni.

A fizikusok komoly dilemmával kerültek szembe. Einstein univerzumában volt anyag, de nem volt benne mozgás. De Sitter univerzuma mozgásban volt, de nem volt benne anyag. Einstein univerzumában a kozmológiai állandóra szükség volt, hogy semlegesítse a gravitációs vonzást és hogy az Univerzum statikus legyen. De Sitter Univerzumában viszont önmagában a kozmológiai állandó elegendő volt egy táguló univerzumhoz. Végül 1919-ben, amikor Európa az I. világháború vérontásából és romhalmazából igyekezett a kivezető utat megtalálni, csillagászcsoportok mentek a világ minden tájára Einstein elméletét ellenőrizni. Einstein már korábban megjósolta, hogy a Nap körüli téridő-görbület elegendően nagy ahhoz, hogy a Nap szomszédságában elhaladó fénysugarak pályáját elgörbítse.

A csillagok fénysugara a Nap körül pontosan kiszámítható mértékben fog elhajolni, hasonlóan ahhoz, ahogy egy lencse megtöri a fénysugarakat. De mivel a Nap ragyogása lehetetlenné teszi a csillagok nappali megfigyelését, a tudósoknak egészen egy teljes napfogyatkozás beköszöntéig várniuk kellett a döntő fontosságú kísérlet elvégzéséig.

A brit asztrofizikus, Arthur Eddington által vezetett egyik csoport a Nyugat-Afrika partjainál lévő guineai öbölben található Principe-szigetekre hajózott, hogy a soron következő napfogyatkozás alkalmával megfigyelje a csillagfény elhajlását a Nap körül. Egy másik, Andrew Crommelin által vezetett csoport az észak-brazíliai Sobralba utazott el. Az általuk gyűjtött adatok azt jelezték, hogy a Nap körül 1,79 ívmásodperccel térül el a csillagok fénysugara - Einstein elmélete 1,74 ívmásodpercet jósolt. A két érték a mérési hibahatáron belül megegyezett. Más szavakkal, a fénysugár a Nap közelében elgörbül. Eddington később azt mondta, hogy Einstein elméletének igazolása volt élete legnagyszerűbb pillanata.

1919. november 6-án Londonban a Royal Society és a Royal Astronomical Society közös ülésén az előbbi Nobeldíjas elnöke, J. J. Thompson ünnepélyesen kijelentette, hogy ez volt „az emberi gondolkodás történetének egyik legnagyobb teljesítménye. Nem egyszerűen egy félreeső szigetet, hanem a tudományos gondolkodás egy egészen új kontinensét fedezték fel. Ez a gravitációval kapcsolatos legnagyobb felfedezés azóta, hogy Newton kihirdette törvényeit."

(A legenda szerint Eddingtont egyszer egy újságíró megkérdezte, hogy „a fáma szerint Einstein elméletét az egész világon mindösszesen csak hárman értik. Ön bizonyára az egyikük." Eddington elgondolkodott, mire az újságíró azt mondta: „Ne legyen szerény, Mr. Eddington". Eddington vállat vont és így szólt: „Ugyan már! Csak azon tűnődtem, ki lehet a harmadik?")

A következő napon a London Times nagy hűhót csapva jelentette meg fő címében: „Forradalom a tudományban - az Univerzum új elmélete - Newton elmélete megdöntve". A fő cím jelezte, hogy Einstein világhírűvé vált, a csillagok hírnökévé.

A bejelentés olyan nagy hatású volt, és Einstein eltávolodása Newtontól olyan nyilvánvaló, hogy kiváló fizikusok és csillagászok kritizálták az új elméletet. Charles Lane Poor csillagász (University of Columbia) a relativitáselmélet kritikájaként azt találta mondani, hogy „úgy érzem, mintha Alice-szal barangolnék Csodaországban és a Sült Bolonddal teáznék".

Annak oka, hogy a relativitáselmélet sérti a józan eszünket, nem az, hogy rossz, hanem hogy a józan eszünk nem a valóság maga. Mi az Univerzum csodabogarai vagyunk. Különös lakóházban élünk, ahol a hőmérséklet, a sűrűség és a sebességek nagyon is jóindulatúak. De a „valódi Univerzumban" a hőmérséklet észbontóan nagy a csillagok középpontjában, ugyanakkor dermesztően hideg van a világűrben, és szubatomi részecskék cikcakkoznak keresztül-kasul közel fénysebességgel az űrön át. Másképp szólva, a mi józan eszünk nagyon is szokatlan, az Univerzumban rendkívül ritkán előforduló körülmények között a Földön alakult ki; egyáltalán nem meglepő, hogy a józan eszünk képtelen felfogni az igazi Univerzumot.

A probléma tehát nem a relativitásban van, hanem abban, hogy azt feltételezzük, a józan eszünk a valóságot írja le.

Az Univerzum jövője

Noha Einstein elmélete sikeres volt olyan csillagászati jelenségek megmagyarázásában, mint a csillagfény Nap körüli elhajlása, vagy a Merkúr bolygó pályájának elfordulása, kozmológiai következményei igencsak zavarosak voltak. A dolgokat nagyban tisztázta Alexander Friedmann orosz fizikus, aki megtalálta az Einsteinegyenletek lehető legáltalánosabb és legrealisztikusabb megoldásait. Ezeket az egyetemek általános relativitáselmélet kurzusain még ma is tanítják. (Friedmann ezeket a megoldásokat 1922-ben fedezte fel, és 1925-ben halt meg; munkája ezután évekre feledésbe merült.)

Az Einsteinegyenletek általában rendkívül bonyolult egyenletek rendszeréből állnak, amelyek megoldása gyakran igényel számítógépet. Friedmann azonban feltette, hogy az Univerzum dinamikus és felhasznált két egyszerűsítő feltevést (ezeket kozmológiai elveknek nevezik): az első, hogy az Univerzum izotróp (azaz irányfüggetlen, tehát hogy függetlenül attól, hogy merrefelé nézünk, ugyanazt látjuk), a második, hogy az Univerzum homogén (tehát az Univerzum mindenütt ugyanolyan, függetlenül attól, hogy hol vagyunk benne).

Ezzel a két egyszerűsítő feltevéssel az Einsteinegyenletek sokkal kezelhetőbbé válnak. (Valójában Einstein és de Sitter megoldásai Friedmann általánosabb érvényű megoldásának a speciális esetei csak.)

Figyelemreméltó, hogy Friedmann megoldásait mindössze három tényező határozza meg:

1. h, amely meghatározza az Univerzum tágulási sebességét. (Manapság ezt az állandót Hubble-állandónak nevezzük, annak a csillagásznak a neve után, aki először mérte meg az Univerzum tágulását.)

2. Ω ,(omega), amely az Univerzumban az anyag átlagos sűrűségét jellemzi.

3. Λ (lambda), amely az üres tér energiája, más nevén a sötét energia, de emlegetik kozmológiai állandóként is.

Sok kozmológus és csillagász tette fel egész karrierjét arra, hogy megpróbálja ennek a három mennyiségnek a pontos értékét meghatározni. Ez a három mennyiség együttesen nagyon pontosan meghatározza az egész Univerzum jövőjét. Például a gravitáció vonzóerő, így az Univerzum sűrűségét megadó Ω egyfajta fékként hat, amely az Univerzum tágulását lassítja, visszájára fordítva az Ősrobbanás keltette tágulást. Gondoljunk arra, hogy egy kavicsdarabkát a levegőbe dobunk fel. Alapesetben a gravitáció eléggé erős hatású ahhoz, hogy a kavics mozgásirányát megfordítsa, és a kavics visszahullik a földre. De ha valaki elég nagy kezdősebességgel dobná fel azt a követ, akkor az elhagyná a Földet, felszállna a világűrbe és örökre ott is maradna. Ehhez a kavicshoz hasonlóan, az Ősrobbanás adta kezdősebességgel az Univerzum is tágul, de az anyag (amit az Ω-val jellemzünk) fékként hat az Univerzum tágulására, pontosan ugyanúgy, ahogy a Föld gravitációja is fékezi a feldobott kavicsot.

Egy pillanatra tegyük fel, hogy az üres tér energiája, azaz Λ nullával egyenlő. Legyen továbbá Ω egyenlő az Univerzum sűrűsége osztva a kritikus sűrűséggel. (Az Univerzum kritikus sűrűsége hozzávetőleg 10 hidrogénatomot jelent köbméterenként. Hogy tisztán lássuk, milyen ritka is az Univerzum: a kritikus sűrűség azt jelenti, hogy egy három kosárlabda nagyságú térfogatban mindössze egyetlen magányos hidrogénatomot találnánk.)

Ha Ω kisebb 1-nél (azaz az Univerzum sűrűsége kisebb a kritikusnál), akkor a tudósok arra jutottak, hogy az Univerzumban nincsen elegendő anyag ahhoz, hogy az Ősrobbanás keltette kezdeti tágulást az anyag vonzása visszafordítsa. (Ez annak felel meg, hogy ha a Föld tömege kicsi, akkor a levegőbe dobott kő elhagyja a Földet.) Eredményképpen az Univerzum örökké tágulni fog, és az Univerzum a Nagy Fagy állapotába jut, mígnem átlagos hőmérséklete az abszolút nulla fokot közelíti meg. (Ez a működési elve a légkondicionálóknak és a hűtőgépeknek is. Amikor a gáz kitágul, lehűl. Az Ön légkondicionálójában például gáz kering egy csőrendszeren keresztül, és a csőrendszer bizonyos helyein kitágul, lehűtve a csövet és azon keresztül a szobát.)

Az Univerzum fejlődése három különböző változatot követhet. Ha Omega kisebb l-nél (és Lambda nulla), akkor az Univerzum örökké tágul, és a Nagy Fagy bekövetkezik. Ha Omega nagyobb 1-nél, akkor az Univerzum egy adott méret elérése után összeomlik, és a Nagy Reccsben ér véget. Ha Omega pontosan 1, akkor az Univerzum sík és örökké tágul. (A WMAP műhold adatai azt mutatják, hogy Q + A = 1, azt jelezve, hogy az Univerzum sík. Ez összhangban áll az inflációs elmélettel.)

Ha Ω nagyobb 1-nél (azaz az Univerzum sűrűsége nagyobb a kritikusnál), akkor elegendő anyag és általa kifejtett gravitációs vonzás van az Univerzumban ahhoz, hogy a kozmikus tágulást visszájára fordítsa. Ennek eredményeképpen az Univerzum tágulása lassul, majd megáll, és ezután az Univerzum elkezd összehúzódni. (Ez ahhoz hasonlít, amikor a feldobott kő fokozatosan lelassul, majd eléri a földfelszín feletti legnagyobb magasságát, és utána visszaesik a felszínre: a Föld tömege ebben az esetben elegendő akkora gravitációs vonzás kifejtésére, hogy a kő visszaessen.)

A hőmérséklet nőni kezd, ahogy a galaxisok egymás felé rohannak. (Bárki, aki már fújt fel biciklikereket, tudja, hogy az összenyomott gáz felmelegszik. A pumpába befektetett mechanikai munka hőenergiává alakul. Ugyanígy, az Univerzum összehúzódása a gravitációs energiát majd hőenergiává alakítja át.) Végül a hőmérsékletet olyan naggyá válik, hogy minden élet kipusztul, ahogy az Univerzum a heves „Nagy Reccs" felé halad. (Ahogy Ken Crosswell csillagász mondta egy ilyen Univerzumra: ,A Kreációtól (Teremtéstől – a ford.) a Krematórium felé [haladunk].")

Ha Omega kisebb 1-nél (és Lambda nulla), akkor az Univerzum nyílt és a görbület negatív, mint egy nyeregfelületen. A párhuzamosok soha nem találkoznak, és a háromszögek belső' szögeinek összege kevesebb 180 foknál.

A harmadik lehetőség az, hogy Ω pontosan egyenlő 1-gyel (az Univerzum sűrűsége pontosan egyenlő a kritikussal). Az Univerzum ekkor a két szélső eset között lebeg, de mindörökké tágulni fog. (Amint látni fogjuk, ez az eshetőség az inflációs kép következménye lenne.)

Végezetül lehetőség van arra is, hogy az Univerzum a Nagy Reccs után újra létrejöjjön egy újabb Nagy Bummban. Ezt az elképzelést az „oszcilláló univerzum" névvel illetik.

Friedmann megmutatta, hogy az összes fentebb vázolt lehetőség egyedül a téridő görbületének egyértelmű következménye. Ha Ω kisebb 1-nél, és így az Univerzum örökké tágul, akkor az idő és a tér is végtelen. Az ilyen Univerzumot „nyitott"-nak nevezzük, mivel a tér és az idő számára is a végtelenbe nyitott. Amikor Friedmann kiszámolta a görbületét, azt negatívnak találta. (Ez egy nyereg vagy egy trombita felszínéhez hasonlít. Ha egy rovar egy ilyen felszínen élne, azt találná, hogy a párhuzamos egyenesek soha nem metszik egymást, és egy háromszög belső szögeinek összege kevesebb 180 foknál.)

Ha Omega 1-nél nagyobb, akkor az Univerzum zárt és görbülete pozitív, mint egy gömb felszínén. A párhuzamosok mindig metszik egymást, és egy háromszögben a belső' szögek összege 180 foknál nagyobb.

Ha Ω nagyobb 1-nél, akkor az Univerzum egy Nagy Reccsben végződik. Az idő és a tér is véges. Friedmann a görbületet ebben az esetben pozitívnak találta (mintha a rovar egy gömb felszínén élne). Végül, ha Ω egyenlő 1-gyel, a tér sík, és mind a tér, mind az idő határtalan. A görbület ekkor nulla.

Friedmann nemcsak az Einsteinegyenletek kozmológiai következményeinek első érthető megfogalmazását adta meg, hanem az ítélet Napjának első realisztikus leírását is, az Univerzum végső sorsát, legyen az akár Nagy Fagy, akár forró Nagy Reccs, akár oszcilláló univerzum. A precíz válasz a kritikus paraméterektől függ: a vákuum energiájától és az Univerzum sűrűségétől.

De Friedmann munkája egy tátongó lyukat is hagyott maga után. Ha az Univerzum tágul, akkor ennek a tágulásnak kellett legyen egy kezdete. Einstein elmélete semmit, de semmit nem mond erről a hirtelen kezdetről. Ami hiányzott a leírásból, az a Teremtés pillanata, vagyis a Nagy Bumm. Ennek az ősrobbanásnak a lenyűgöző képét végül három másik tudós adta meg.

3. Az Ősrobbanás

Az Univerzum nemcsak furcsább, mint feltételezzük, de még annál is furcsább, mint amit egyáltalán fel tudunk tételezni." J. B. S. HALDANE

Amit mi, emberek a teremtéstörténetben keresünk, az a világ megtapasztalásának olyan módja, ami megnyitja számunkra a transzcendenst, ismereteket ad és egyidejűleg formál vele minket. Ez az, amit az emberek akarnak. Ez az, amiért a lelkük sóvárog.

JOSEPH CAMPBELL

1995. március 6-án a Time magazin címlapján az M100 jelű nagy spirálgalaxis volt látható, és a cím azt hirdette, hogy „A kozmológia káoszban van". A kozmológia az addiginál is izgalmasabb lett, mivel a Hubble űrtávcső legfrissebb adatai azt mutatták, hogy az Univerzum maga fiatalabb, mint a legidősebb csillag - ez persze tudományosan képtelenség. Az adatok arra utaltak, hogy az Univerzum kora 8 milliárd és 12 milliárd év között lehet, miközben a legidősebb csillagról azt gondolták, hogy 14 milliárd éves. „Nem lehetsz idősebb, mint a mamád" - csipkelődött a University of Arizona munkatársa, Christopher Impey.

De ha valaki a részleteket is elolvassa, látja, hogy az Ősrobbanás elmélete nagyon is helytálló. Az Ősrobbanás elméletét megcáfolni látszó teória egyetlen, magányos galaxisra, az M100-ra volt alapozva. Nagyon is veszélyes így tudományt csinálni. A kibúvók, amint azt a cikk maga is beismeri, „elég tágak ahhoz, hogy az Enterprise Csillaghajót keresztülvigyék rajta." A Hubbleűrtávcső adataira alapozva az Univerzum korát nem lehet 10 vagy 20 százaléknál pontosabban meghatározni.

Hangsúlyozni szeretném, hogy az Ősrobbanás elmélete nem spekuláció, hanem különböző eljárásokkal kapott mérési adatok százaira alapozott elmélet, és ezek az adatok egybehangzóan támogatnak egy egyszerű, ellentmondásmentes elméletet. (A tudományban nem minden elmélet egyenrangú. Mivel bárkinek jogában áll, hogy az Univerzum keletkezésének saját maga által megfogalmazott verzióját tálalja elénk, megköveteljük, hogy az elmélet a sokszáz mérési adat mindegyikét megmagyarázza, és ezek jelenleg az Ősrobbanás elméletével egyeznek.)

A három legfontosabb bizonyíték az Ősrobbanás elmélete mellett három nagyformátumú tudós munkájára alapul, akik az érintett területeken meghatározót alkottak: Edwin Hubble, George Gamow és Fred Hoyle.

Edwin Hubble, az előkelő csillagász

Míg a kozmológia elméleti alapjait Einstein rakta le, a modern megfigyelő kozmológia majdhogynem kizárólag Edwin Hubble érdeme, aki talán a 20. század legjelentősebb csillagásza volt.

Missouri államnak az Isten háta mögötti Marshfield városkájában született Hubble ambiciózus vidéki fiatalember volt. Ügyvéd és biztosítási ügynök édesapja arra kényszerítette, hogy ügyvédi karriert építsen. Hubblet azonban Verne Gyula könyvei babonázták meg, és le volt nyűgözve a csillagos égbolttól. Falta a tudományosfantasztikus könyvek klasszikusait, a Nemo kapitány (Húszezer mérföld a tenger alatt) és az Utazás a Holdba című könyveket. Remek bokszoló is volt, azt akarták, hogy váljon profi sportolóvá és küzdjön meg a nehézsúlyú világbajnokkal, Jack Johnsonnal a világbajnoki címért.

Elnyerte a tekintélyt adó Rhodes-ösztöndíjat Oxfordba, ahol jogot tanult. Itt kezdte magára felszedni a brit felső tízezrének modorát. (Ekkor kezdett el gyapjúöltönyt hordani, pipázni, felvette a brit akcentust, és beszélni kezdett egy párbajban szerzett sebhelyről, amelyet a szóbeszéd szerint saját maga okozott magának.)

De Hubble boldogtalan volt. Ami őt valójában motiválta, azok nem a perek és jogi esetek voltak, hiszen már kora gyerekkora óta a csillagokba volt beleszerelmesedve. Bátran foglalkozást váltott és átment a chicagói egyetemre, majd a kaliforniai Mount Wilson Observatoryba, amelyben akkoriban a világ legnagyobb távcsöve, a 250 cm átmérőjű tükrös távcső működött. Mivel karrierjét későn kezdte el, Hubble sietett. Hogy ne vesztegesse az időt, rögtön a csillagászat legizgalmasabb, legmisztikusabb, legalapvetőbb kérdéseire kezdte el keresni a válaszokat.

Az 1920-as években az Univerzum otthonos hely volt; széles körben azt hitték, hogy az egész Univerzum mindössze a Tejútrendszerből, egy, az égboltot keresztülszelő ködös fénycsomóból áll, amely szétfröccsent tejre égboltot keresztülszelő ködös fénycsomóból áll, amely szétfröccsent tejre ban rendezték a „Nagy vitát" két csillagász, a Harvardon dolgozó Harlow Shapley és a Lick Observatoryban ténykedő Herbert Curtis között „Az Univerzum méretei" címmel. A Tejútrendszernek, és magának az egész Univerzumnak a méretére voltak kíváncsiak. Shapley arra az álláspontra helyezkedett, hogy az egész látható Univerzum a Tejútrendszerből áll. Curtis viszont abban hitt, hogy a Tejútrendszeren túl vannak a „spirálködök", ezek a kavargó, örvényszerű, szép, de különös alakzatok. (Már az 1700-as években a filozófus Imannuel Kant azon töprengett, hogy ezek a ködök „szigetuniverzumok" lehetnének.)

Hubblet felizgatta ez a vita. A kulcsprobléma az volt - és maradt máig is -, hogy a csillagok távolságát rendkívül nehéz meghatározni. Tőlünk nézve egy nagyon távoli fényes csillag azonos fényességűnek látszhat egy halovány, de közeli csillaggal. Ez a zavaros helyzet volt az oka rengeteg ellentmondásnak és viszálynak a csillagászatban. Hubble-nak egy „standard gyertyára" volt szüksége, amely akárhol is van az Univerzumban, mindig pontosan ugyanannyi fényt bocsát ki: ez megoldaná a nehézségeket. (Mind a mai napig a kozmológia legnagyobb erőfeszítései arról szólnak, hogy megpróbáljanak találni és pontosan bekalibrálni standard gyertyákat. A csillagászati központokban hatalmas viták folynak arról, hogy hogyan lehetséges ténylegesen megbízható standard gyertyákat találni.) Ha valakinek lenne standard gyertyája, amely az Univerzumban mindenütt minden irányba ugyanazzal az erősséggel sugároz, akkor ez az objektum négyszer halványabbnak látszana az égen, ha kétszer messzebbre kerülne tőlünk.

Egy alkalommal, amikor az Androméda-spirálköd egyik fotóját vizsgálta, Hubble-nek „Heuréka!" érzése volt. Amit talált az Androméda-ködben, az egy cefeida típusú változócsillag volt - ezt a típust korábban Henriette Heavitt tanulmányozta. Ismeretes volt, hogy ez a típus szabályszerű időközönként kifényesedik és elhalványodik (pulzál), és egy ilyen ciklusnyi fényváltozás időtartama a csillag valódi fényességével függ össze. Minél fényesebb a valóságban az ilyen csillag, annál hosszabb ideig tart a pulzálás ideje, így ha valaki megméri a ciklus időtartamát, a csillag fényessége megállapítható és összevetve a látszó fényességével, megmondható a távolsága.

Hubble azt találta, hogy a nevezetes csillag periódusideje 31,4 nap, ami a legnagyobb meglepetésére millió fényévnyi távolságot jelentett, messze túl a Tejútrendszeren. (A Tejútrendszer fényes korongja 100 000 fényév átmérőjű. Későbbi megfigyelések azt mutatták, hogy Hubble valójában alulbecsülte az Androméda-köd valódi távolságát, amely inkább kétmillió fényévre van tőlünk.)

Amikor más spirálködökön is elvégezte ezeket a méréseket, Hubble azt találta, hogy messze túl vannak a Tejútrendszeren. Más szavakkal, világossá vált számára, hogy ezek a spirálködök saját jogukon tekinthetők „szigetuniverzumoknak" - a Tejútrendszer csak egy galaxis a sok között. Az Univerzum mérete egy csapásra mérhetetlenül hatalmassá vált. Egyetlen galaxis helyett az Univerzum hirtelen tele lett milliónyi, vagy inkább milliárdnyi testvérgalaxissal. Az Univerzum méretét addig 100 000 fényévnek gondolták, de hirtelen talán több milliárd fényévnyi lett.

Ez az egyetlen felfedezés önmagában is biztosította volna Hubble helyét a csillagászok panteonjában. De még ezt a felfedezését is felül tudta múlni. Nemcsak a galaxisok távolságának meghatározásának módját találta meg, de azt is meg akarta tudni, milyen gyorsan mozognak.

A Doppler-effektus és a táguló univerzum

Hubble tudta, hogy egy távoli objektum sebessége meghatározásának a legegyszerűbb módja az, hogy megmérjük a hangja vagy az általa kibocsátott fény frekvenciájának megváltozását: ezt a változást Doppler-effektus néven ismerik. Az autópályán minket leelőző autók esetében is tapasztalhatjuk ezt a változást. A rendőrök szintén a Doppler-effektust használják az Ön sebességének meghatározására; az autójára egy lézersugarat lőnek ki, amely visszaverődik a rendőrök felé. A lézerfény frekvenciájának eltolódásából a rendőrség ki tudja számítani az Ön sebességét. Ha például egy csillag felénk mozog, akkor az általa kisugárzott fényhullámok összepréselődnek, mint egy tangóharmonika. Ennek eredményeképpen a hullámhossza rövidebb lesz. Egy sárga csillag kissé kékebbé válik (mivel a kék fény hullámhossza rövidebb, mint a sárgáé). Hasonlóképpen, ha egy csillag távolodik tőlünk, akkor hullámhossza megnyúlik, hosszabb hullámhosszat eredményez, ezért egy sárga csillag kissé vörösebbé válik. Minél nagyobb a torzulás mértéke, annál nagyobb a csillag sebessége, így ha tudjuk a csillagfény frekvenciájának eltolódását, akkor meg tudjuk határozni a sebességét.

Egy csillagász, Vesto M. Slipher 1912-ben azt találta, hogy a galaxisok távolodnak a Földtől, mégpedig nagy sebességgel. Nemcsak az Univerzum bizonyult nagyobbnak a vártnál, hanem ráadásul nagy sebességgel tágult is. Megállapította, hogy kis ingadozásoktól eltekintve, a galaxisok inkább vöröseltolódást mutatnak, mint kékeltolódást, ami a galaxisok tőlünk való távolodására utal. Slipher felfedezése azt mutatta, hogy az Univerzum inkább dinamikus, nem pedig statikus, ahogy azt Newton és Einstein feltételezte.

Évszázadokon át a Bentley-és az Olbers-paradoxonokat vizsgáló tudósok közül egy sem gondolta meg komolyan annak a lehetőségét, hogy az Univerzum tágul. 1928-ban Hubble egy rendkívül fontos utazást tett Hollandiába, hogy találkozzon Willem de Sitterrel. Hubblet erre de Sitternek az az előrejelzése késztette, miszerint egy távolabbi galaxis gyorsabban mozog. Gondoljon egy növekvő méretű léggömbre, aminek a felszínén galaxisokat jelöltek be. Ahogy a léggömb nagyobb lesz, a kezdetben egymáshoz közeli galaxisok viszonylag lassan mozognak. Minél közelebb vannak egymáshoz, annál lassabban távolodnak. De amelyek a léggömbön távolabb vannak egymástól, azok gyorsabban távolodnak.

De Sitter arra biztatta Hubblet, hogy keresse meg ezt az effektust az adataiban, mert ez a galaxisok vöröseltolódásainak vizsgálatával könnyen igazolható lenne. Minél nagyobb a galaxis vöröseltolódása, annál gyorsabban távolodik tőlünk. (Einstein elmélete szerint, a szó szoros értelmében egy galaxis vöröseltolódását nem a galaxis Földhöz képesti sebessége okozza, hanem magának a galaxis és a mi Galaxisunk közötti térnek a megnövekedése. A vöröseltolódás eredete tehát az, hogy a távoli galaxis által kisugárzott fény megnyúlik, meghosszabbodik a tér tágulása miatt, és ezért látszik vörösebbnek.)

A Hubble-törvény

Amikor Hubble visszament Kaliforniába, megfogadta de Sitter tanácsát, és elkezdte keresni az effektus bizonyítékait. 24 galaxis adatait áttanulmányozva azt találta, hogy minél távolabb van egy galaxis, annál gyorsabban távolodik tőlünk: ahogy az Einstein-egyenletekből következett. A sebesség és a távolság aránya pedig közel állandónak mutatkozott. Ez hamarosan a H-val jelölt Hubble-állandóként vált ismertté. Talán az egész kozmológia legfontosabb állandója, mivel a Hubbleállandó megmutatja, hogy az Univerzum milyen ütemben tágul.

Ha az Univerzum tágul - tűnődtek a tudósok -, akkor talán volt egy kezdete is. A Hubbleállandó reciproka durván megadja az Univerzum korát. Képzelje el egy robbanás videofelvételét. A filmen látjuk a robbanás helyét elhagyó törmelékdarabkákat, és kiszámolhatjuk sebességüket. De a filmet visszafelé is lejátszhatjuk, amíg minden egyes törmelékdarabka vissza nem kerül a robbanás pontjába. Mivel tudjuk a robbanás sebességét, dolgozhatunk visszafelé is, és kiszámolhatjuk, mikor történt a robbanás a múltban.

(Hubble eredeti becslése szerint az Univerzum életkora 1,8 milliárd évnek adódott, amely kozmológusok generációinak okozott fejfájást, mivel ez kevesebb volt a Föld és a csillagok állítólagos koránál. Évekkel később a csillagászok kiderítették, hogy az Androméda-galaxis cefeida-változók fénymérésében volt egy hiba, amely a Hubble-állandóra adott helytelen értékhez vezetett. A következő hetven évben több „Hubble-háború" dúlt a Hubbleállandó pontos értéke körül. A legjobb érték napjainkban a WMAP adataiból származik.)

1931-ben Einstein egy diadalmas körutat tett, és életében először találkozott a Mount Wilson Observatoryban Hubble-lal. Felismerte, hogy az Univerzum tágul, és ezért kijelentette, hogy a kozmológiai állandó bevezetése az ő „legnagyobb tévedése". (Amint azt a későbbi fejezetekben látni fogjuk a WMAP műhold adatainak elemzésekor, Einsteinnek éppen ez a „tévedése" rázta meg a kozmológia alapjait). Amikor Einstein feleségét körbevezették a hatalmas obszervatóriumban, mondták neki, hogy ez a gigantikus méretű távcső az Univerzum alakját határozta meg. Az asszony hanyagul azt felelte: „Ezt az én férjem egy használt boríték hátoldalán is megteszi."

Az Ősrobbanás

Egy belga papot, George Lemaitre-t, aki Einstein elméletét elsajátította, elbűvölte az a tény, hogy az elmélet logikusan elvezet az Univerzum tágulásához, és hogy ezért kellett legyen egy kezdete. Mivel a gázok felmelegszenek miközben összenyomják őket, felismerte, hogy az Univerzumnak az idő kezdetekor fantasztikusan forrónak kellett lennie. 1927-ben azt állította, hogy az Univerzumnak egy elképzelhetetlenül nagy hőmérsékletű és sűrűségű „szuperatom"-ból kellett elindulnia, amely hirtelen robbant kifelé, eredményül hagyva az Univerzum Hubble-féle tágulását. Azt írta: „A világ fejlődése egy csak nemrég befejezett tűzijáték-bemutatóhoz hasonlítható; némi füst, hamu és vörös gomolyag. Egy jól lehűlt parázsdarabon állva látjuk, hogy a Napok lassan halványulnak, és megpróbáljuk a világ eredetének eltűnt ragyogását visszaidézni." (Az első, aki az idő kezdetén létező „szuperatom" ötletét felvetette, ugyancsak Edgar Allan Poe volt. Ő azzal érvelt, hogy az anyag más anyagformákat vonz, ezért az idő kezdetén az atomoknak egy kozmikus koncentrációja kellett, hogy létezzen.)

Lemaitre részt vett fizikus konferenciákon, és zaklatta is ötletével a fizikusokat.

Jóindulatúan meghallgatták, aztán csendben el is vetették elképzelését. Korának egyik vezető fizikusa, Arthur Eddington azt mondta, hogy „mint tudós, egyszerűen nem hiszem el, hogy a dolgok jelenlegi rendje egy robbanásból indult el... A Természet jelenlegi rendjének hirtelen kezdete túlságosan is ellenszenves számomra."

Azonban az évek alatt a fizikusközösség kitartónak tűnő ellenállása elkopott.

Az a tudós, aki az Ősrobbanás elméletének legfontosabb szószólójává és népszerűsítőjévé vált, szolgált végül az elmélet mellett szóló legmeggyőzőbb bizonyítékkal.

George Gamow, a kozmikus bolond

Hubble a csillagászat egy kifinomult arisztokratikus jelleme volt, munkáját pedig egy másik feledhetetlen személy, George Gamow folytatta. Gamow sok tekintetben ellentéte volt Hubble-nak: bolondozó, karikatúrákat rajzolt, híres volt a vicceiről és a tudományról írt húsz könyvéről, amelyek többségét fiataloknak írta. A fizikusok több generációja (beleértve engem is) nőtt fel a kozmológiáról és fizikáról írt szórakoztató, információdús könyvein. Abban az időben, amikor a relativitáselmélet és a kvantumfizika forradalmasította a tudományt és a társadalmat is, könyvei egyedülállóak voltak: a tinédzserek számára ezek a könyvek voltak a haladó tudomány elérhető, hiteles forrásai.

Míg kisebb formátumú tudósok gyakran mellőzték az ötleteket, akiket kielégített az, hogy csupán száraz adathalmokat építgettek, Gamow korának egyik legkreatívabb zsenije volt, akiből gyorsan pattantak ki az olyan ötletek, amelyek megváltoztatták a nukleáris fizika, a kozmológia, de még a DNS-kutatás útjait is. Bizonyára nem véletlen, hogy James Watson - aki Francis Crickkel együtt feltárta a DNS titkait - önéletrajzának címe Gének,

Gamow és Lányok (az angol eredetiben: Genes, Gamow and Girls - a fordító)

volt. Kollégája, Teller Ede így emlékezett vissza rá: „Gamow elméleteinek kilencven százaléka helytelen volt, és könnyű volt észrevenni, hogy rosszak, de ezzel ő nem törődött. Nem az az ember volt, aki különösebben büszke lett volna bármelyik felfedezésére. Kidobta a legutolsó ötleteit és mulatott rajtuk, mint egy viccen." Ötleteinek maradék 10 százaléka azonban az egész tudományt megváltoztatta.

Gamow Oroszországban, Ogyesszában született 1904-ben, akkortájt, amikor Oroszországban nagy felfordulás vette kezdetét. Gamow úgy emlékezett vissza, hogy „a tanítás gyakran szünetelt, amikor valamelyik ellenséges hadihajó éppen Ogyesszát lőtte, vagy ha görög, francia, vagy brit zsoldosok szuronyrohammal támadtak a főutcán az elsáncolt fehérek, vörösök ellen, vagy ha a különböző orosz erők támadtak egymásra." Élete fordulópontja akkor érkezett el, amikor a templomból titokban hazacsempészett egy darabka áldozati ostyát. Megnézte mikroszkópon keresztül, és semmi különbséget nem látott a közönséges kenyér, illetve a Jézus Krisztus testét reprezentáló ostya között. „Ez a kísérlet tett engem tudóssá" - értékelte később.

Leningrádban (ma Szentpétervár) végezte egyetemi tanulmányait, és Alexander Friedman-nál is tanult. Később a koppenhágai egyetemen a fizika több óriásával is találkozott, például Niels Bohrral. (Gamow és felesége 1932-ben sikertelenül próbálta meg elhagyni a Szovjetuniót egy vitorlás tutajon a Fekete-tengeren át Törökország felé. Később sikerült az emigrálás, amikor Brüsszelben egy fizikai konferencián vett részt - ezzel a Szovjetunióban kiérdemelte a halálos ítéletet.)

Gamow híres volt arról, hogy barátainak limerick-eket (ötsoros, meghatározott rímképletű – aabba - versecskék - a fordító) küldözgetett. Legtöbbjük nem tűri a nyomdafestéket, de van egy, ami jól megfogja az aggódó kozmológusok érzéseit, amikor szembe kell nekik nézniük a csillagászati számok óriási voltával és a végtelenség érzetével:

Egy fickó az egyetemről

Gyököt vont a végtelenből. De oly hosszú számot kapott, Hogy csapot-papot otthagyott, S a hitre váltott az értelemről.

Még Oroszországban az 1920-as években, Gamow elérte első nagy tudományos sikerét, amikor megfejtette azt a rejtélyt, hogy miért lehetséges a radioaktív bomlás. Madame Curie és mások munkájának köszönhetően a tudósok tudták, hogy az uránatom instabil, és egy alfa-részecskét bocsát ki (ami egy héliumatommag). De a newtoni mechanika szerint a misztikus magerőnek, ami összetartja az atommagot, meg kellene akadályoznia az ilyesfajta szivárgást, mint egy alfa-részecske kisugárzása. Hogyan is lehetséges ez?

Gamow (valamint R. W. Guerney és E. U. Condon) felismerte, hogy a radioaktív bomlás lehetséges a kvantummechanika keretei között, mivel a határozatlansági elv értelmében senki sem tudhatja pontosan egy részecske helyét és sebességét egyidejűleg; ezért válik lehetségessé, de kis valószínűséggel csak, hogy az akadályon keresztüljut a részecske, mintha egy alagúton menne át. (Manapság ez az alagúteffektusnak nevezett ötlet a fizika egyik fontos tétele, és felhasználják elektronikai eszközökben, a fekete lyukak bizonyos tulajdonságainak magyarázatában, valamint az Ősrobbanásnál is. Maga az Univerzum talán alagúteffektusban jött létre.)

Analógiával élve, Gamow úgy képzelte, hogy egy fogoly körül van véve magas börtönfalakkal. A newtoni mechanikában a szökés lehetetlen a börtönből. De a kvantummechanika különös világában, senki nem tudja pontosan, hogy mekkora a börtönlakó sebessége és mi a pontos helye. Ha a fogoly elegendően gyakran nekivágódik a börtönfalnak, akkor ki lehet számolni, hogy - józan eszünkkel és a newtoni fizikával ellentétben - egy nap mekkora eséllyel jut rajta keresztül. Van egy véges, kiszámítható valószínűsége annak, hogy a börtön kapuin kívül találja magát a bebörtönzött. Olyan nagy kiterjedésű objektumokra, mint egy fogoly, az Univerzum jelenlegi életkoránál is többet kellene várni, hogy ilyen csodaszámba menő esemény végbemenjen. De az alfa-részecske és más szubatomi részecskék esetében ez nagyon gyakran bekövetkezik, mivel ezek a részecskék sokszor ismétlődően hatalmas energiával ütögetik az atommag falát. Sokan vélik úgy, hogy Gamownak meg kellett volna kapnia a Nobel-díjat ezért az életbevágóan fontos eredményéért.

Az 1940-es években Gamow érdeklődése a relativitáselmélettől a kozmológia felé fordult, amelyről úgy vélte, hogy ez egy gazdag, még feltáratlan terület. Minden, amit akkoriban tudtak az Univerzumról, mindössze annyi volt, hogy az égbolt fekete és hogy az Univerzum tágul. Gamowot egy egyszerű elképzelés vezette: találni valami bizonyítékot vagy „fosszíliát", ami bizonyítja, hogy évmilliárdokkal korábban volt Ősrobbanás.

Ez frusztráló volt, mert a kozmológia a szó valódi értelmében nem kísérletező tudományág. Nincs olyan kísérlet, amely hasonló viselkedést mutatna az Ősrobbanáshoz. A kozmológia inkább egy detektívtörténet, egy megfigyelő tudomány, ahol, mint egy krimiben, sokkal inkább bizonyítékok és relikviák után nyomoznak, és nem olyan, mint egy kísérletező tudomány, ahol nagyon pontos kísérleteket hajtanak végre.

Az Univerzum atomkonyhája

Gamow következő nagy hozzájárulása a tudományhoz az volt, hogy felfedezte a nukleáris reakciókat, amelyek létrehozzák az általunk az Univerzumban látható könnyebb elemeket. Szerette ezt az „Univerzum történelem előtti konyhájának" nevezni, ahol az Univerzum összes elemét „kifőzték" az Ősrobbanás hatalmas forróságában. Manapság ezt a folyamatot nukleoszintézisnek nevezik, és az Univerzumban lévő elemek egymáshoz képesti arányának kiszámítását jelenti. Gamow ötlete szerint egy megszakítatlan lánc a hidrogéntől elindulva felépíthető azáltal, hogy újabb és újabb részecskéket adunk a hidrogénatomhoz. Úgy hitte, a kémiai elemek egész Mengyelejev-féle periódusos rendszere az Ősrobbanás forróságából megteremthető.

Gamow és tanítványai úgy gondolkodtak, hogy mivel a keletkezés pillanatában az Univerzum protonok és neutronok elképzelhetetlenül forró

halmaza volt, talán végbement a fúzió, és a hidrogénatommagok egyesülése héliumatommagokat hozott létre. Mint egy hidrogénbombában, vagy egy csillagban, a hőmérsékletet olyan magas volt, hogy a hidrogénatom protonjai egymáshoz csapódtak és egyesültek, és ennek eredménye héliumatommagok keletkezése lett. A „forgatókönyv" szerint a hidrogén és a hélium között bekövetkező újabb ütközések a többi elemet hoznák létre, kezdve a lítiummal és a berilliummal. Gamow feltette, hogy a nehezebb elemek felépíthetők újabb és újabb szubatomi részecskék hozzáadásával más szavakkal, az Univerzumot alkotó több mint száz kémiai elem az eredeti tűzgömb forró hőjében lett „kifőzve".

Rá jellemző módon ennek a lazán körvonalazott, nagyra törő programnak a részletes kidolgozását adta doktorandusz hallgatójának, Ralph Alphernek. Amikor az erről szóló cikket befejezték, nem tudott ellenállni a tréfának. Engedélye nélkül ráhelyezte Hans Bethe nevét a cikkre, és így vált ez az ünnepelt alfa-béta-gamma cikké. (Az Alpher-Bethe-Gamow nevek

kezdőbetűinek asszociációjára - a fordító.)

Ebben Gamow bizonyította, hogy az Ősrobbanás tényleg elég meleg volt ahhoz, hogy az Univerzum 25%-át kitevő héliumot létrehozza.

Visszakövetkeztetve, az Ősrobbanás egyik bizonyítékának tekinthető, hogy a csillagokra és a galaxisokra nézve ezek körülbelül 75%-ban hidrogénből és 25%-ban héliumból állnak, és nyomokban tartalmaznak egyéb elemeket is. (Ahogy a Princetonban dolgozó David Spergel asztrofizikus kifejtette, „Minden alkalommal, amikor egy léggömböt veszel, olyan atomokat kapsz, amelyek közül jó néhány az Ősrobbanás első néhány percében jött létre.")

Gamow problémákat is talált a számításaiban. Elmélete nagyon jól működött a legkönnyebb elemekre. De az 5 és a 8 neutronból és protonból álló elemek szélsőségesen instabilak, és nem képezhetnek hidat a még több protonból és neutronból álló elemek felé. A híd először az öt, majd a nyolc részecskeszámnál leszakad. Mivel az Univerzum ötnél és nyolcnál több protont és neutront tartalmazó elemből is áll, egy kozmikus titokra bukkantunk. Gamow programjának kiterjeszthetetlensége az 5-és 8-részecskés szakadáson túlra évekig makacs probléma maradt, s kudarcra ítélte azt az elképzelését, hogy az Univerzum valamennyi kémiai eleme az Ősrobbanás pillanataiban keletkezett.

A mikrohullámú háttérsugárzás

Ugyanebben az időszakban egy másik ötlet is izgatta őt: ha az Ősrobbanás olyan forró volt, akkor talán a maradék hője még mostanában is itt keringhet az Univerzumban. Ha tényleg így van, akkor ez magának az Ősrobbanásnak egy „őslenyomata" lenne. Talán az Ősrobbanás annyira kolosszális volt, hogy az utórezgései még mindig betöltik az Univerzumot egy homogén sugárzásfelhővel.

1946-ban Gamow feltételezte, hogy az Ősrobbanás egy szuperforró neutroncsomósodásból indult el. Ez ésszerű feltevés volt, mert akkoriban elég keveset tudtak a szubatomi részecskékről: csak a proton, az elektron és a neutron volt ismert. Felismerte, hogy ha ki tudná számolni ennek a neutrongömbnek a hőmérsékletét, akkor a kibocsátott sugárzásnak a mennyiségét és a tulajdonságait is meg tudná határozni. Két évvel később Gamow megmutatta, hogy ebből a szuperforró magból kibocsátott sugárzásnak feketetest-sugárzásnak kell lennie. Ez a forró testek által kibocsátott sugárzások egyik különleges típusa; az összes ráeső sugárzást elnyeli, nem pedig visszaveri; majd visszasugározza egy nagyon is szigorúan meghatározott módon. Például a Nap, az olvadt láva, az izzó szén, és egy kemencében lévő forró kerámiák sárgásan-vörösesen fénylenek és feketetestszerűen sugároznak.

(A feketetest-sugárzást először a híres porcelánkészítő, Thomas Wedgewood fedezte fel 1792-ben. Feljegyezte, hogy a kemencéjébe behelyezett nyers formák megváltoztatják a színüket vörösről sárgára, majd fehérre, ahogy a hőmérséklet egyre magasabb és magasabb lesz.)

Ez azért fontos, mert ha valaki egyszer már tudja egy forró objektum színét, akkor közelítőleg a hőmérsékletét is ismeri és fordítva; a forró testek hőmérsékletét és az általuk kibocsátott sugárzást összekapcsoló egyenlet pontos alakját még Max Planck találta meg 1900-ban, amely egyben elvezetett a kvantummechanika megszületéséhez is. (Ez az egyik módja annak, hogy a tudósok a Nap hőmérsékletét meghatározzák. A Nap főképp sárga fényt sugároz, ami durván egy 6000 Kelvin hőmérsékletű feketetestnek felel meg. Innen tudjuk, hogy a Nap külső felszíne milyen hőmérsékletű. Ugyanígy, a vörös óriáscsillag Betelgeuse a vörös színnek megfelelő 3000 K hőmérsékletű a felszínén, és valóban, a vörösen izzó szén színével sugároz.)

Gamow 1948-ban megjelent cikke volt az első, amelyben valaki azt vetette fel, hogy az Ősrobbanás sugárzása feketetest-jellegű lehet. A feketetest-sugárzás legfontosabb jellemzője a hőmérséklete. A következő lépésben Gamownak ki kellett számolnia ennek a feketetest-sugárzásnak a jelenlegi hőmérsékletét.

Gamow doktorandusz hallgatója, Ralph Alpher és egy másik diák, Robert Herman megpróbálta befejezni Gamow számításait. Gamow azt írta, hogy „Az Univerzum korai napjaiból a mára extrapolálva azt találjuk, hogy az eltelt évmilliárdok alatt az Univerzum hőmérsékletének körülbelül 5 fokkal az abszolút nulla fok felett kell lennie."

1948-ban Alpher és Herman közzétette a részletekbe menő érvelést arról, hogy az Ősrobbanás utófényének miért kell az abszolút nulla fok felett

5 fokkal lennie manapság (becslésük figyelemreméltóan közel volt a ma helyes értéknek ismert 2,7 fokhoz). Ennek a sugárzásnak a mikrohullámú tartományban kell a legerősebbnek lennie, és arra jutottak, hogy még ma is itt kell keringenie, betöltve az egész Univerzumot egy mindenütt egyforma utófénnyel.

(Az okfejtés a következő. Évekkel az Ősrobbanás után az Univerzum hőmérséklete még olyan forró volt, hogy akárhol egy atom kialakult, azonnal szét is esett; ezért még rengeteg szabad elektron kószált, amelyen a fénysugarak szóródhattak. Az Univerzum ezért fényelnyelő volt, nem pedig átlátszó. Ebben a szuperforró Univerzumban haladó összes fénysugár nagyon kis távolság megtétele után elnyelődött, vagyis az Univerzum olyan volt, mint egy felhő belseje. 380 ezer év elteltével a hőmérséklet 3000 K alá csökkent. Ekkor már az atomok nem ütköztek rögtön más atomokkal és ezért nem is estek szét. Ennek eredményeképpen stabil atommagok jöttek létre, és a fénysugarak is fényéveket haladhattak már anélkül, hogy valami elnyelte volna őket. A tér ekkor vált először átlátszóvá. A sugárzás, amelyet nem nyelt el semmi azonnal abban a pillanatban, amelyikben kibocsátódott, azóta is mind a mai napig itt kering köröttünk.)

Amikor Alpher és Herman megmutatták számításaik eredményét Gamownak, Gamow csalódott volt. A mai hőmérséklet olyan alacsonynak bizonyult, hogy nagyonnagyon nehezen lett volna csak megmérhető. Gamownak egy évébe telt, amíg végül meggyőzték arról, hogy a számítások helyesek. De felhagyott azzal a reményével, hogy valaha is meg fogják mérni ezt a gyenge sugárzást. Az 1940-es években elérhető eszközökkel teljesen reménytelen volt ennek a halvány visszfénynek a méricskélése.

(Egy későbbi számolása során Gamow egy inkorrekt feltevést épített be az elméletbe, és ezzel 50 Kelvinre tornázta fel a hőmérsékletet.) Munkáját népszerűsítendő, előadások sorozatát tartotta. Sajnálatos módon azonban prófétai erejű jóslatait figyelmen kívül hagyták. Alpher azt mondta, hogy „Rengeteg energiát fordítottunk a munkákról szóló beszámolók megtartására. Senki nem jött izgalomba. Senki nem mondta, hogy meg lehetne mérni... És így az 1948-tól 1955-ig terjedő periódusban mi sem foglalkoztunk vele."

Gamow nem csüggedt, és könyvei, előadásai az Ősrobbanás-elmélet vezető támogatójává tették. Csakhogy egy hozzá fogható, ádáz ellenfele akadt. Míg Gamow huncutságaival és szellemes megjegyzéseivel tudta elbűvölni hallgatóságát, addig Fred Hoyle pusztán briliáns elméjével és agresszív merészségével hengerelte le őket.

Fred Hoyle, az ellenzéki

A mikrohullámú háttérsugárzás az Ősrobbanás második bizonyítéka. De a nukleoszintézissel a harmadik bizonyítékot rendelkezésünkre bocsátó Fred Hoyle ironikus módon egész életét annak szentelte, hogy az Ősrobbanás elmélete ellen hadakozzék.

Hoyle annak a tudományos életen belüli különcnek a megtestesülése volt, akinek volt bátorsága szembeszegülni a konvencionális bölcsességekkel, néha sajátosan kötekedő hangnemben. Míg Hubble volt az abszolút előkelő aki egy oxfordi professzor módjára affektált, Gamow pedig egy szórakoztató tréfamester és polihisztor, aki rövid versikékkel, csípős bemondásokkal és viccekkel kápráztatta el hallgatóságát, addig Hoyle stílusa egy csiszolatlan buldogé volt, aki gyakran tűnt különös kívülállónak Isaac Newton hagyományos terepén, a cambridge-i egyetem ősi termeiben.

Hoyle Észak-Angliában született 1915-ben, a gyapjúipar fellegvárában, egy textilkereskedő fiaként. A kisfiút nagyon izgatta a tudomány: a rádió még csak akkoriban érkezett el a falujukba, és visszaemlékezése szerint húsz-harminc ember hamarosan ellátta házát rádióvevővel. De élete fordulópontja akkor érkezett el, amikor a szülei egy távcsövet ajándékoztak neki.

Hoyle harcias stílusa még gyerekkorában alakult ki. Hároméves korára már elsajátította a szorzótáblát. Ezután tanára arra kérte, tanulja meg a római számokat. „Hogyan lehet valaki olyan bolond, hogy VIII-at írjon 8 helyett?" - emlékezett vissza gúnyosan. Amikor megmondták neki, hogy a törvény értelmében iskolába kell majd járnia, azt írta, „Arra jutottam, hogy sajnálatos módon olyan világba születtem, ahol egy »törvénynek« nevezett dühöngő szörny uralkodik, ami mindenható és teljesen ostoba." A hatóságok lenézése szintén egy tanárral való összeütközésében gyökerezett.

A tanár azt mondta az osztálynak, hogy egy bizonyos virágnak öt szirma van. Bizonyítandó, hogy a tanárnak nincs igaza, Hoyle bevitt az osztályterembe egy ilyen virágot hat szirommal. Az arcátlan szemtelenség miatt a tanár keményen megütötte őt a bal fülén. (Hoyle később erre a fűlére süketté vált.)

Az állandó állapot elmélet

Az 1940-es években Hoyle nem volt elragadtatva az Ősrobbanás elméletétől. Az elmélet egyik hiányossága az volt, hogy Hubble a távoli galaxisok fényének méréséből téves értéket (1,8 milliárd évet) számolt ki az Univerzum korára. A geológusok azonban azt mondták, hogy a Föld és a Naprendszer sok milliárd éves. Hogyan lehet az Univerzum fiatalabb a benne lévő bolygóknál?

Thomas Golddal és Hermann Bondival együtt Hoyle az elméletnek egy riválisát kezdte el felépíteni. A legenda szerint az ő „állandó állapotnak" nevezett elméletüket egy Michael Redgrave által rendezett film, az Az éjszaka közepén inspirálta. A film szellemtörténetekből áll, de a befejező jelenet egy emlékezetes csavar a történetben: a film úgy fejeződik be, ahogy elkezdődött, így a film egy körbekörbe járó történet, kezdet és vég nélkül.

Állítólag ez ösztönözte a három tudóst egy új elmélet felvetésére, amely szerint az Univerzumnak nem volt kezdete és nem lesz vége. (Gold később tisztázta az elmélet születésének legendáját. Úgy emlékezett, hogy „Néhány hónappal korábban láttuk ezt a filmet. Miután az állandó állapotú modellt felvetettem, azt mondtam nekik: »nem éppen olyan, mint Az éjszaka közepén?«")

Ebben az elképzelésben az Univerzum tényleg tágul, de a semmiből előkerülve újabb és még újabb anyag keletkezik, így az Univerzum átlagsűrűsége állandó marad. Noha semmi részletet nem adtak arra vonatkozólag, hogy a semmiből hogyan tud misztikusan anyag előbukkanni, az elmélet azonnal hívek seregét vonzotta magához, akik harcba szálltak az Ősrobbanás szakembereivel. Hoyle számára illogikusnak tűnt, hogy egy semmiből feltűnő heves robbanás szétküldi a galaxisokat minden irányba; ő az anyag lassú keletkezését a semmiből előnyben részesítette. Más szavakkal, az Univerzum számára időtlen volt. Nem volt kezdete sem vége. Csak létezett.

(Az állandó állapot kontra Ősrobbanás vita hasonlított egyes más tudományok fejlődését befolyásoló vitákhoz, például azokhoz, amelyek a geológiában folytak korábban. A geológiában ugyanis kitartó vita folyt az egyenletes fejlődés elmélete (miszerint a Föld felszínét fokozatos változások alakították a múltban) és a katasztrófaelmélet (ami azt állította, hogy hirtelen események okozták a változásokat) között. Noha az egyenletes fejlődés a Föld nagyon sok geológiai és ökológiai tulajdonságát megmagyarázza, senki sem tagadhatja, hogy a kisbolygók és üstökösök becsapódása is hatott, amelyek tömeges kihalásokhoz vezettek, vagy hogy a tektonikus mozgások miatt földrészek szakadtak el egymástól.)

Előadások a BBC-ben

Hoyle soha nem ijedt meg egy kis harctól. A BBC 1949-ben mind Hoyle-t, mind Gamowot meghívta egy vitára az Univerzum eredetéről. Hoyle történelmet írt a rivális elméletre mért erős ütésével. „Az Önök elmélete azon alapul, hogy az Univerzum összes anyaga egyetlen Nagy Bummban keletkezett a távoli múlt egyetlen időpillanatában." A Nagy Bumm elnevezés

rajtaragadt az elméleten (magyarul általában Ősrobbanást mondanak az

eredeti angol „Nagy Bumm", Big Bang helyett - a fordító). Legnagyobb ellenfelei

a rivális elméletet ettől kezdve hivatalosan is Nagy Bummnak nevezték. (Később Hoyle azt mondta, nem gondolta, hogy ez egy lekicsinylő megjegyzés. Bevallotta:„Szó sincs róla, hogy lekicsinylőnek szántam volna az elnevezést. Találónak szántam.")

(Az elkövetkező években a Nagy Bumm védelmezői hősies küzdelmet folytattak a Nagy Bumm kifejezés megváltoztatásáért. Nem voltak elégedettek a közönséges, majdhogynem vulgáris elnevezéssel, és a ténnyel, hogy elméletüket a legnagyobb ellenfél nevezte el. A fogalmakat tisztázni igyekvőket különösen bosszantotta, hogy a Nagy Bumm elnevezés valójában téves. Először is, a Nagy Bumm nem volt nagy (mivelhogy egy apró, atomnál sokkal kisebb méretű szingularitásszerűségből indult el^5), másfelől nem volt bumm sem (merthogy az űrben nincs levegő^6). 1993 augusztusában a Sky and Telescope magazin versenyt hirdetett a Nagy Bumm elmélet új nevére. Tizenháromezer javaslat érkezett, de a bírálók egyiket sem találták jobbnak az eredetinél. (Talán mert a magyar Ősrobbanás nem

szerepelt a versenyen - a fordító.)

5 Ez az állítás a 2. fejezet végén tárgyalt lehetőségek közül csak zárt univerzum esetén helytálló. A nyílt univerzum, mint láttuk, mindig végtelen kiterjedésű volt, így méretéről nincs értelme beszélni. (A szaklektor megjegyzése.)

6 Ez az állítás sem igazán helyénvaló: már láttuk, hogy korai állapotában az Univerzumot sűrű gáz töltötte ki, melyben a hang nagyon is szabadon terjedt. Igaz, ez nem a Nagy Bumm hangja, hanem a gázban fellépő belső mozgásoké. (A szaklektor megjegyzése.)

De ami híressé tette Hoyle-t egy egész generáció szemében, az az ő ünnepelt tudományos rádiósorozata volt. Az 1950-es években a BBC tervbe vett egy minden szombat este tartott tudományos előadás-sorozatot. Amikor az eredeti vendéget levették a műsorról, a producerek nyomás alá kerültek, hogy találjanak egy helyettest. Hoyle-lal léptek kapcsolatba, aki beleegyezett a szereplésbe. Csak ezután ellenőrizték a producerek az aktáikat, amelyben ez szerepelt: „Ezt az embert ne szerepeltessétek." Szerencsére figyelmen kívül hagyták az előző producernek ezt a szörnyű figyelmeztető megjegyzését, és Hoyle-ot lenyűgöző előadást tartott a világnak. Ezek a klasszikus BBC-közvetítések lenyűgözték a hallgatókat és a következő csillagászgenerációkat részben ezek az előadások inspirálták.

Wallace Sergant csillagász például úgy emlékezett vissza az előadássorozat reá tett hatásáról, hogy „Amikor tizenöt éves voltam, meghallgattam Fred Hoyle „Az Univerzum természete" című előadását a BBC-n. Pokolian megdöbbentett a gondolat, hogy tudjuk, mennyi a Nap közepén a hőmérséklet és a sűrűség. Tizenöt éves korban az ilyen dolgok megismerhetetlennek tűnnek. Nemcsak az elképesztő számértékekről volt szó, hanem a tényről, hogy egyáltalán tudni lehet őket."

Nukleoszintézis a csillagokban

Hoyle, aki lenézte a karosszékekben ülők által kieszelt haszontalan és üres spekulációkat, nekilátott ellenőrizni az állandó állapot elméletet. Azt az elképzelést dédelgette, miszerint a kémiai elemeket nem az Ősrobbanásban „főzték ki", ahogy Gamow hitte, hanem a csillagok középpontjában. Ha a több mint száz kémiai elem a csillagok forró hőjében keletkezett volna, akkor nem lenne szükség az Ősrobbanásra sem, gondolta. volna, akkor nem lenne szükség az Ősrobbanásra sem, gondolta. es években Hoyle és kollégái részletekbe menően levezették, hogy az Ősrobbanásban végbemenő folyamatokkal ellentétben a csillagok belsejében folyó magreakciók hogyan tudnak újabb és újabb protonokat és neutronokat hozzáadni a hidrogénés a héliumatommagokhoz, mígnem a vasig az összes nehezebb elemet elő nem állítják.

(Ők oldották meg a rejtélyt, ami megállította Gamowot: hogyan keletkezhetnek ötös tömegszámnál nehezebb elemek. Hoyle észrevette, hogy ha egy korábban senki által nem jelzett, három héliumatommag egyesüléséből származó instabil szénforma létezhet, az éppen elég hosszú ideig fennállhat ahhoz, hogy a nehezebb elemek képződése felé utat nyisson. Ha egyes csillagok magjában ez az instabil atommag előfordul, és létezésének ideje alatt neutronokkal és protonokkal ütközik, akkor az ötös és a nyolcas tömegszámon túli atommagok is létrejönnek. Amikor ezt az instabil szénatommag-típust ténylegesen is megtalálták, az fényes bizonyíték volt rá, hogy a nukleoszintézis a csillagok magjában mehet végbe, nem az Ősrobbanásban. Hoyle egy hosszú számítógép-programot írt, amivel szinte csak alapelvekre támaszkodva ki tudta számítani, hogy a természetben látott elemek milyen arányban fordulnak elő.)

De még a csillagok forrósága sem elegendő ahhoz, hogy a vason túli elemek, mint például a réz, a nikkel, a cink és az urán létrejöjjön. (Különböző okokból igen nehéz energiát kinyerni a vason túli elemek fúziójából, például a magbeli protonok taszítása és a kötési energia miatt.) E nehéz elemekhez még nagyobb kemencére van szükség - nagytömegű csillagok felrobbanására, azaz szupernóvára. Amikor egy ilyen szuperóriás csillag hirtelen összeomlik, végső agóniájában a hőmérséklet a több milliárd fokot is elérheti, és így lesz elegendő energia a vason túli elemek „kifőzéséhez".

Ez azt jelenti, hogy a vason túli elemek valójában szupernóvákban, azaz felrobbanó csillagok légkörének kohóiban keletkeztek.

1957-ben Hoyle Margaret és Geoffrey Burbidge-dzsel, valamint Willlam Fowler-rel együtt közzétették a talán valaha volt legfontosabb és részletekbe menő munkát az Univerzumban található kémiai elemek felépülésének pontos lépéseiről, és megjósolták az egyes elemek egymáshoz képesti arányait is. Érvelésük olyannyira pontos, erőteljes és meggyőző volt, hogy még Gamownak is meg kellett adnia magát: a nukleoszintézis legimpozánsabb képét Hoylenak sikerült megrajzolnia.

Rá jellemző módon Gamow bibliai stílusban írt is egy kis művecskét, mely szerint, amikor a kezdet kezdetén Isten megteremtette az elemeket, a számolás izgalmában az ötös tömegszámról megfeledkezett, és így természetesen nem alakulhattak ki a nehezebb elemek. Isten nagyon csalódott volt, és először össze akarta húzni az Univerzumot egy pontba, majd újraindítani az egészet a kezdetektől. De az túl egyszerű lett volna. Ezért, lévén mindenható, Isten elhatározta, hogy hibáját a legképtelenebb módon javítja ki. És monda az Isten: „Legyen Hoyle." És lőn Hoyle. És Isten rávetette pillantását Hoyle-ra... És monda neki, hogy csináljon nehéz elemeket olyan módon, ahogy csak szeretné. És Hoyle elhatározá, hogy készít nehéz elemeket a csillagokban, és szétszórá majd őket mindenfelé szupernóva-robbanások által.

Az állandó állapot elleni bizonyítékok

Az eltelt évtizedek alatt azonban számos fronton kezdtek el gyűlni a bizonyítékok az állandó állapotú univerzum ellen. Hoyle magát egy vesztésre álló csatában találta. Elméletében az Univerzum nem fejlődik, csak folyamatosan új anyagot teremt, és az Univerzumnak korábban a mostanihoz nagyon hasonlóan kellett kinéznie. A mai galaxisoknak ugyanolyannak kellene lenniük, mint sok milliárd évvel ezelőtt. Ezért aztán az állandó állapotú elméletet el kell vetni, ha az eltelt évmilliárdok alatt az időbeli változásnak a legkisebb jelét is látjuk.

Az 1960-as években aztán roppant nagy energiájú, különösen furcsa objektumokat fedeztek fel a világűrben, amelyeket kvazároknak, vagy másképp csillagszerű rádióforrásoknak neveztek el. (Az elnevezés annyira sejtelmes volt, hogy később még egy tévékészüléket is így neveztek el.) A kvazárok óriási mennyiségű energiát termeltek és nagyon nagy vöröseltolódásúak voltak, ami jelezte, hogy nagyon nagy távolságra vannak tőlünk, és akkor világították be az eget, amikor az Univerzum még nagyon fiatal volt. (Ma a csillagászok úgy gondolják, hogy a kvazárok fiatal galaxisok, amelyek belsejében egy nagyon nagytömegű fekete lyuk a hatalmas energiafelszabadulás okozója.) Semmi jelét nem látjuk annak, hogy manapság kvazárok működnének, noha az állandó állapot elmélete szerint létezniük kellene. Az évmilliárdok alatt eltűntek.

Hoyle elméletével volt egy másik probléma is. Felismerték, hogy az állandó állapotú elmélet jóslataihoz képest az Univerzumban túlságosan sok hélium van jelen. A gyerekek lufijaiból és a léghajókból ismerős hélium ugyan nagyon ritka a Földön, de a hidrogén után mégis a második leggyakoribb elem az Univerzumban.

Annyira ritka itt, hogy először nem is a Földön, hanem a Napban fedezték fel. (1868-ban tudósok átvezették a Nap fényét egy prizmán. A megtört napfény szétesett a szivárvány színeire és a szokásos spektrumvonalakra, de észrevettek egy addig soha nem látott kémiai elemtől származó ismeretlen spektrumvonalat is. Tévesen akkor azt gondolták, hogy egy fém vonala, amelyek nevei szokásosan a latin „ium"-ra végződnek, mint pl. a lítium vagy az uránium. Ezt a rejtélyes fémet ezért a görög helios (Nap) szóból héliumnak nevezték el. 1895-ben a földi uránérc-lerakódásokban is megtalálták a héliumot. Zavarba ejtő módon kiderült, hogy gáz, nem pedig fém. A hélium, amelyet először a Napban találtak meg, így „helytelen" elnevezést nyert.)

Ha a hélium, ahogy azt Hoyle gondolta, főként a csillagokban keletkezett volna, akkor nagyon ritka elemnek kellene lennie, és leginkább csakis a csillagok magjaiban fordulhatna elő. De minden csillagászati adat azt mutatta, hogy a hélium nagyon bőven van jelen, és az Univerzumban előforduló atomok tömegének 25%-át is kiteszi. Azt is megfigyelték, hogy a hélium az egész Univerzumban mindenütt egyformán jelen van (ahogy azt Gamow gondolta).

Ma már tudjuk, hogy mind Gamow, mind Hoyle az igazság egy kis darabkájának birtokában volt. Gamow eredetileg azt gondolta, hogy az összes kémiai elem az Ősrobbanás hamujaként szóródott ki. De teóriája megbukott először az ötös, majd a nyolcas tömegszámnál. Hoyle azt gondolta, hogy félre tudja söpörni az Ősrobbanást, és egyidejűleg meg tudja mutatni, hogy a csillagok „főzik" az elemeket, anélkül, hogy Ősrobbanásra vagy bármi hasonlóra szükség lenne. Az ő elmélete azonban képtelen volt megmagyarázni az Univerzumban jelenlevő rengeteg héliumot.

Lényegében Gamow és Hoyle a nukleoszintézis egymást kiegészítő képét adták meg. A nagyon könnyű elemek, az öt, illetve nyolc részecskénél kevesebből állók inkább az ősrobbanásban jöttek létre, ahogy azt Gamow vélte. A fizikában történt felismerések nyomán ma már tudjuk, hogy az ősrobbanás hozta létre a deutériumot (a hidrogén egy izotópját), a hélium 3-at, a hélium-4-et és a lítium-7-et. Az ennél nehezebb kémiai elemek egészen a vasig a csillagok belsejében alakultak ki, ahogyan azt Hoyle megmutatta. Ha ehhez még hozzávesszük a szupernóva-robbanásokat, amelyek fantasztikus hőmérsékletében formálódnak a vason túli elemek (mint a réz, a cink és az arany), akkor az Univerzumban található összes kémiai elem egymáshoz képesti gyakoriságát megmagyaráztuk. (A mai modern kozmológiai elmélet bármely más riválisának szembe kell néznie ezzel az ijesztő feladattal: szintén meg kell magyaráznia az Univerzumban előforduló, száznál is több kémiai elem és azok miriádnyi izotópjának relatív gyakoriságát.)

Hogyan születnek a csillagok?

A nukleoszintézisről folytatott intenzív vita egyik mellékterméke volt a csillagok életciklusának majdnem teljes leírása. Egy Naphoz hasonló csillag az életét egy hatalmas, diffúz hidrogénből álló gázfelhőként kezdi, amit ekkor még protoncsillagnak neveznek. Ezután a gravitációs erő hatására fokozatosan összehúzódik. Ahogy az összehúzódás folytatódik, egyre gyorsabban kezd forogni (amely gyakran ahhoz vezet, hogy egy magányos csillag helyett egy kettőscsillag jön létre, amelyek elliptikus pályáikon egymást kerülgetik, vagy a csillag körül bolygók alakulnak ki). A csillag magja óriási mértékben felmelegszik, mígnem akár 10 millió fokot vagy többet is elér, ahol a hidrogén elkezd héliummá fuzionálni.

Miután a csillag begyulladt, fősorozati csillagnak nevezik, és akár 10 milliárd évig is éghet, amíg a magjában lévő hidrogén héliummá nem alakul. A mi Napunk ennek a folyamatnak körülbelül a közepén jár. Miután a hidrogénégetés korszaka befejeződik, a csillag a héliumot kezdi el égetni, miközben mérete óriásira, akár Mars-pálya méretűvé is duzzad, és „vörös óriássá" válik. Miután a hélium-üzemanyag kifogy, a csillag külső rétegei eltávoznak, és csak a „fehér törpének" nevezett mag marad vissza. A fehér törpe körülbelül Föld méretű. A mi Napunknál kisebb tömegű csillagok mint elpusztult nukleáris anyaghalmok érnek véget, amelyek fehér törpékben maradnak vissza.

A Napnál tízszer vagy akár negyvenszer nagyobb tömegű csillagokban a fúziós folyamatok sokkal gyorsabban mennek végbe. Amikor a csillag vörös szuperóriássá válik, akkor belsejében a könnyebb elemek nagyon gyorsan fuzionálnak, és ezért egy hibrid csillagra hasonlít: egy vörös óriáscsillagon belül van egy fehér törpe. Ebben a fehér törpében a periódusos rendszer nehezebb elemei, egészen a vasig létrejöhetnek. Amikor a fúziós folyamat eléri azt az állapotot, hogy már a vas is létrejött, akkor a fúziós folyamatból többé nem lehet energiát nyerni, és a nukleáris kemence sok millió, milliárd év működés után leáll. Ezen a ponton a csillag hirtelen összeomlik, hatalmas nyomást keltve a csillag magjában, ami összenyomja a magban lévő elektronokat. (A sűrűség a vízének a négyszázmilliárdszorosát is meghaladhatja.) Ez több trillió fokra is megemeli a hőmérsékletet.

A gravitációs energia, ami ebbe az aprócska kis magba lett belenyomva, egy kifelé tartó lökéshullámot hoz létre: a szupernóvát. Ennek a folyamatnak a nagy hője újra elindítja a fúziót, és létrejönnek a periódusos rendszerben vason túli elemek is.

Az Orion csillagképben szabad szemmel is észrevehető vörös

szuperóriáscsillag, a Betelgeuse például instabil: bármelyik pillanatban felrobbanhat, elborítva a környezetünket gamma-és röntgensugarakkal. Amikor ez bekövetkezik, akkor ez a szupernóva a nappali égbolton is látható lesz, és túlragyogja majd a Holdat is.

(Felvetették egyszer, hogy egy szupernóva titáni energiája lehetett az, ami a dinoszauruszok 65 millió évvel ezelőtti kihalását okozta. Valóban, egy 10 fényévre lévő szupernóva a teljes földi élet végéhez vezethetne. Szerencsére, a legközelebbi veszélyes óriáscsillagok, a Spica és a Betelgeuse 260, illetve 430 fényévre vannak, túl messze ahhoz, hogy végső robbanásuk bármi komoly veszélyt jelentsen a Földre. Néhány tudós úgy véli, hogy kétmillió évvel ezelőtt egy kb. 120 fényévre lévő szupernóva okozhatta bizonyos tengeri élőlények kihalását.)

Ez azt is jelenti, hogy a Nap nem az igazi „anyja" a Földnek. Noha sok földlakó a Földnek életet adó istenségként imádta a Napot, ez utóbbi csak részben tekinthető igaznak. Valódi „anyánk" egy névtelen csillag vagy csillagok egy csoportja volt, amelyek elpusztultak néhány milliárd éve szupernóva-robbanásokban, és bedúsították vassal és a testünket alkotó nehezebb elemekkel a közeli csillagközi ködöket. Testünk a szó szoros értelmében milliárd évekkel ezelőtt elpusztult csillagok porából áll.

A szupernóvarobbanás következményeként egy neutroncsillagnak nevezett aprócska maradvány keletkezik, amely sűrű maganyagból áll, és mérete nagyjából Manhattanével egyező, azaz úgy 30 km átmérőjű. (A neutroncsillagok létezését először a svájci csillagász Fritz Zwicky jósolta meg 1933-ban, de olyan fantasztikusnak tűnt az elképzelés, hogy sok tudós évtizedekig nem vett tudomást róla.) Mivel a neutroncsillag nagyon gyorsan forog a tengelye körül, és csak bizonyos irányokban bocsát ki erős sugárzást, nagyban hasonlít egy világítótoronyra, amely arra szórja ki fényét, amerre éppen fordul. A Földről a neutroncsillagok némelyike úgy látszik, mint ami így villódzik, ezért nevük - latin eredetű szóval, amely villódzást jelent – pulzár.

Különösen nagy tömegű csillagok, amelyek a Napnál negyvenszer vagy többször is nagyobb tömegűek, végső soron szintén szupernóva-robbanáson mennek keresztül, és maguk után 3 naptömegnél nagyobb tömegű neutroncsillagot hagynak. Egy ekkora neutroncsillagnak a gravitációs vonzóereje olyan nagy, hogy legyőzi a neutronok közötti taszítóerőt, és a csillag végső összeomlását idézi elő, amely az Univerzumban előforduló talán legegzotikusabb objektumokat, a fekete lyukakat eredményezi. Ezekről majd az ötödik fejezetben lesz szó.

Madárürülék és az Ősrobbanás

Az utolsó döfés az állandó állapotú elmélet szívébe Arno Penzias és Robert Wilson felfedezése volt 1965-ben. A Bell Laboratory New Jerseyben lévő, 20 láb átmérőjű Holmdell Horn Rádiótávcsövével égi rádióforrások után kutattak, amikor találtak egy szűnni nem akaró, nem várt jelet. Mivel az égbolt minden egyes pontjáról fogták a jelet, az nem tartozhatott egyetlen csillaghoz vagy galaxishoz sem, és úgy tűnt, hogy valamiféle hiba lehet a készülékben. Úgy gondolkodtak, hogy a zavar valamilyen törmeléktől vagy olyasféle szennyezéstől származhat, amit Penzias csak „fehéres bevonatú dielektromos anyagnak" nevezett (ezt közönséges nevén madárürülékként ismerik), ami rádiótávcsövük nyílását egészen befedte. Teljesen megtisztították eszközüket. A jel azonban még erősebb lett. Noha akkor még nem tudták, véletlenül a Gamow és csoportja által 1948-ban megjósolt mikrohullámú háttérsugárzásba botlottak bele.

Ma a kozmológiának ezt a sztoriját úgy tekintjük, mint ami hasonlít egy

kicsit a Keystone-i zsarukra (a „Keystone-i zsaruk" egy 1912-1917 között forgatott némafilmsorozat volt, amely komplett idióta rendőrökről szólt – a fordító), mivel három

egymástól független csoport tapogatódzott a válaszért

a másik tudásának a határán. Egyfelől, Gamow, Alpher és Hermann 1948-ban megalkotta a mikrohullámú háttérsugárzás elméletét; megjósolták, hogy a mikrohullámú háttérsugárzás hőmérsékletének 5 fokkal az abszolút nulla fok felett kell lennie. Ők feladták, és meg sem próbálták megkeresni ezt a sugárzást, mert akkoriban a mérőeszközök nem voltak elég érzékenyek e jel detektálásához. 1965-ben Penzias és Wilson megtalálta ezt a feketetest-jellegű sugárzást, de nem tudták, mi az. Időközben egy harmadik csoport, akik Robert Dicke vezetésével Princetonban dolgoztak, Gamowék munkájáról semmit sem tudva újra felfedezte azt, amit Gamow és kollégái korábban megtaláltak, és ez a harmadik csoport intenzíven kereste a háttérsugárzást, de az ő eszközük ehhez meg túlságosan is primitív volt.

Ez a komikus helyzet úgy ért véget, hogy egy közös barát, a csillagász Bernard Burke informálta Penziast Robert Dicke munkájáról. Mikor végre a két csoport kapcsolatba lépett egymással, akkor vált világossá Penzias és Wilson számára, hogy magának az Ősrobbanásnak a jelét fogták. Ezért a fontos felfedezésért Penzias és Wilson 1978-ban megkapta a Nobel-díjat. Az ellentétes elméletek két legkiválóbb képviselője 1956-ban egy életbevágóan fontos találkozót tartott egy Cadillacben, ami

megváltoztathatta volna a kozmológia fejlődését. „Emlékszem, hogy George egy fehér Cadillacben furikázott velem" - idézte fel Hoyle. Gamow megismételte meggyőződését, hogy az Ősrobbanás egy ma is észlelhető utófénylést hagyott maga után. Sajnos, Gamow utolsó számadata ennek az utófénynek a hőmérsékletét 50 Kelvinre tette. Hoyle ekkor egy meghökkentő felfedezést árult el Gamownak. Hoyle ismerte Andrew McKellar egy jelentéktelen kis cikkét, amelyben McKellar megmutatta, hogy a világűr hőmérséklete nem haladhatja meg a 3 Kelvint. Magasabb hőmérsékleten ugyanis gerjesztenék a szén-hidrogén (CH) és a szén-nitrogén (CN) molekulákat. Felvette ezeknek a molekuláknak a színképét, és ebből meg tudta határozni a világűr hőmérsékletét. Azt találta, hogy a világűrben lévő CN molekulák hőmérséklete körülbelül 2,3 K hőmérsékletre utal. Anélkül tehát, hogy Gamow tudott volna róla, a 2,7 K-es háttérsugárzást közvetett úton már 1941-ben észlelték.

Hoyle elmondta, hogy „akár mert a kocsi volt túlságosan komfortos, akár mert Gamow akart 3 K-nél sokkal magasabb hőmérsékletet kihozni, vagy mert én nullafokosat akartam, mi kihagytuk a kínálkozó lehetőséget, és nem fedeztük fel kilenc évvel korábban azt, amit Arno Penzias és Bob Wilson." Ha Gamow csoportja nem követ el számolási hibát, és kitart a kisebb hőmérsékletértéknél, vagy ha Hoyle nem olyan ellenséges az Ősrobbanás elméletével szemben, a történelem talán egészen másképp íródott volna tovább.

Az Ősrobbanás személyes utórezgései

A Penzias és Wilson által felfedezett mikrohullámú háttérsugárzás jelentősen befolyásolta Gamow és Hoyle későbbi karrierjét. Hoyle számára Penzias és Wilson felfedezése halálközeli élmény volt. Végül 1965-ben egy, a Nature-ben megjelent írásában hivatalosan is megadta magát. Az állandó állapot elmélet visszavonását a héliumgyakorisággal és a mikrohullámú háttérsugárzással indokolta. Ám igazából az kavarta fel, hogy az állandó állapot elmélet elvesztette előrejelző képességét: „Széles körben hiszik, hogy a mikrohullámú háttérsugárzás létezése ölte meg az állandó állapot elméletet, pedig valójában a pszichológia tette... A mikrohullámú háttérsugárzás rendkívül fontos jelenség, amelyet az állandó állapot nem jósolt meg... Ez nagyon sokáig kihúzta a lábam alól a talajt." (Hoyle évekkel később revideálta magát, és megpróbálta az állandó állapot elmélet újabb és újabb változataival befoltozni a lyukakat, de minden változata

egyre kevésbé volt meggyőző. (Az 1990-es években azonban Hoyle néhány munkatársával együtt megmutatta, hogy a galaxisok csillagai éppen 2,7 K-re fűtik fel a galaxisok közötti teret fény-és hősugárzásukkal, de ez az észrevételük nem váltott ki különösebb reakciót - a fordító.)

Sajnálatos módon az elsőség kérdése rossz szájízt hagyott Gamowban. Ha valaki tud olvasni a sorok között, láthatja, Gamow nagyon elégedetlen volt azzal, hogy az ő, valamint Alpher és Herman munkáját csak nagyon ritkán említik. Udvarias lévén, érzéseit nem nyilvánította ki, de magánleveleiben megírta, hogy tisztességtelen volt, ahogy a fizikusok és a történészek teljesen figyelmen kívül hagyták munkájukat.

Noha Penzias és Wilson munkája hatalmas csapást mért az állandó állapot elméletre, és segített az Ősrobbanást biztos kísérleti alapokra helyezni, a táguló világegyetem szerkezetének megismerésében továbbra is óriási hiányosságok mutatkoztak. Friedmann univerzumában például a fejlődés leírásához szükség volt Omegának, azaz az univerzumban lévő anyag átlagos sűrűségének az ismeretére. De Omega meghatározását különösen nehézzé tette az a körülmény, hogy az Univerzum nagyobb része nem az ismerős atomokból és molekulákból áll, hanem valami különös, „sötét anyagnak" hívott szubsztanciából, amelynek tömege a közönséges anyagénak úgy tízszerese. És a terület vezető tudósait a csillagászok többsége ismét nem vette komolyan.

Omega és a sötét anyag

A sötét anyag története talán az egyik legkülönösebb a kozmológia fejezeteiben.

A kiváló svájci csillagász Fritz Zwicky még az 1930-as években vette észre, hogy a Coma-galaxishalmaz galaxisai nem a Newton-törvényeknek megfelelően mozognak egymás körül. Úgy találta: ezek a galaxisok olyan nagy sebességgel mozognak, hogy Newton mozgástörvényei szerint szét kellene repülniük és a halmaznak fel kellene bomlania. Szerinte az egyetlen, ami a Coma-halmazt összetartja és nem engedi szétrepülni az, hogy a halmaz százszor több anyagot tartalmaz, mint amennyit a távcsöveinkkel látunk. Vagy Newton törvényei galaktikus méretekben kissé pontatlanok, vagy a Coma-halmaz összetartásához nagy mennyiségű, láthatatlan anyag jelenléte szükséges.

A történelemben ez volt az első intő jel arra nézve, hogy az Univerzumban az anyag eloszlásának ismerete szörnyen hiányos. Sajnos azonban a csillagászok számos okból egyöntetűen elvetették Zwicky úttörő munkáját. Először is a csillagászok nagyon nem hittek abban, hogy a newtoni gravitációelmélet pontatlan. Az ilyen krízishelyzetek kezelésére ugyanis volt már egy precedens a csillagászatban. Amikor a 19. században az Uránusz pályáját vizsgálták, észrevették, hogy billeg - pályája egy kicsit eltér a Newton egyenleteiből levezethető pályától. Tehát vagy Newton téved, vagy kell lennie egy új bolygónak, ami rángatja az Uránuszt. Ez az utóbbi volt a helyes megoldás, és a Newton-törvényeket használva az első kísérletre megtalálták a Neptunuszt.

Másodszor, kérdéses volt Zwicky személyisége és az, ahogy a csillagászok kezelték a kívülállókat. Zwicky egy látnok volt, akit életében gyakran kinevettek vagy tudomást sem vettek róla. 1933-ban Walter Baade-val megalkotta a szupernóva kifejezést, és helytállóan megjósolta, hogy egy apró, úgy 20 km-es neutroncsillagnak kell lennie egy csillagrobbanás végső maradványának. Az elképzelés annyira szokatlan volt, hogy a Los Angeles Times karikatúrában gúnyolta ki 1934 január 19-én. Zwicky rendkívül haragudott a csillagászok egy kis elit csoportjára, akik szerinte ki akarták őt zárni az elismerésből, ellopták az ötleteit, és nem engedték hozzáférni a 100 meg a 200 hüvelykes távcsövekhez.

(Röviddel azelőtt, hogy meghalt 1974-ben, Zwicky magánkiadásban megjelentett egy galaxiskatalógust. A katalógus a következő vezércikkel nyitott: „Figyelmeztetés az Amerikai Csillagászat Főpapjainak és talpnyalóiknak". Az esszé maró kritika a csillagászati elit megrögzött zártkörűségéről, amely igyekszik kizárni a hozzá hasonló renegátokat. „A ma talpnyalói és közönséges tolvajai, úgy tűnik, szabadon kisajátíthatják, különösen az amerikai csillagászatban, a magányos farkasok és nonkonformisták felfedezéseit és találmányait" - írta.

„Szférikus gazembereknek" nevezte ezeket az egyéneket, mert „akármerről nézzük is őket, mindenképp gazemberek". Füstölgött, amikor mellőzték őt, és valaki egészen másnak ítélték oda a Nobel-díjat a neutroncsillagok felfedezéséért.)

1962-ben Vera Rubin csillagász a galaktikus mozgások érdekes problémáját újra felfedezte. A Tejútrendszer forgását tanulmányozta, és ugyanabba a problémába ütközött: a csillagászok közösségétől ő is hűvös fogadtatásban részesült. A probléma lényege, hogy normálisan, ha egy bolygó messzebb kering a Naptól, akkor lassabban is halad a pályáján, ha közelebb, akkor gyorsabban. Ezért nevezték el a Merkúrt a sebes istenségről, mert közel van a Naphoz, és ezért halad tízszer lassabban a Plútó a Merkúrnál - mivel sokkal messzebb van a Naptól. De Vera Rubin a mi galaxisunk kék csillagainak tanulmányozása során azt vette észre, hogy akármilyen távol is vannak a galaxis centrumától, mindig ugyanazzal a sebességgel keringenek a galaxis centruma körül (ezt a jelenséget lapos rotációs görbének hívják), és így megsértik a newtoni mechanikát.Összességében úgy találta, hogy a Tejútrendszer elég gyorsan forog ahhoz, hogy saját magától szétrepüljön. De a mi galaxisunk hozzávetőleg már tízmilliárd éve stabil, ezért rejtély volt, hogy hogyan lehet a rotációs görbéje lapos. Ahhoz, hogy a galaxisunk megmeneküljön a széteséstől, legalább tízszer annyi tömegre lett volna szükség, mint amennyit a csillagászok láttak.

Úgy tűnt, a Tejútrendszer tömegének 90%-a hiányzik!

Vera Rubint mellőzték, részben azért, mert nő volt. Kissé fájdalmasan idézi fel, hogy amikor természettudomány-szakos diáknak jelentkezett a Swarthmore College-be, és az ottani tisztviselőnek véletlenül elmondta, hogy szeret festegetni, akkor a felvételiztető visszakérdezett: „Soha nem gondolt egy olyan karrierre, hogy csillagászati témákat fessen meg?" „Ez elcsépelt szólássá vált a családunkban. Évek múlva is, ha valakivel valami rossz történt, azt mondtuk: Soha nem gondolt egy olyan karrierre, hogy csillagászati témákat fessen meg?" Amikor elmondta a középiskolai fizikatanárának, hogy felvételt nyert a Vassarra (a New York állambeli Vassar

eredetileg egy nők számára szervezett, de 1969 óta koedukált, egyben az USA legkiválóbb főiskoláinak

egyike - a fordító) , akkor azt a választ kapta:

„Jól fog menni magának, csak tudománnyal ne foglalkozzon." Mint később visszaemlékezett, „Hatalmas adag önbecsülés kell hozzá, hogy az embert ne törje össze, ha ilyeneket hall."

Miután lediplomázott, megpályázott egy állást a Harvardon, és el is nyerte. De mégis lemondta, mert férjhez ment és követte kémikus férjét a Cornell Universityre. (A Harvardról kapott egy levelet, alján kézírással: „Francos nők. Ahányszor találok egy megfelelőt, ő lelép és férjhez megy") Később egy csillagászati konferencián vett részt Japánban, ahol ő volt az egyedüli nő. „Hosszú ideig ezeket a történeteket nem tudtam sírás nélkül elmesélni... és nem sok dolog változott" - vallotta be.

De gondos munkájának valódi súlya, másokéval együtt, lassan kezdte

De gondos munkájának valódi súlya, másokéval együtt, lassan kezdte ra Rubin és kollégái már 11 spirálgalaxist vizsgáltak meg, és mindegyik túl gyorsan forgott ahhoz, hogy a Newton-törvények szerint egyben maradhasson. Ugyanabban az évben egy holland rádiócsillagász, Albert Bosma közzétette spirálgalaxisok tucatjainak a lehető legteljesebb vizsgálati eredményeit: majdnem mindegyikük ugyanezt az anormális viselkedést mutatta. Úgy tűnik, végül ez győzte meg a tudósvilágot arról, hogy sötét anyagnak léteznie kell.

Ennek a kínos problémának a legegyszerűbb megoldása az volt, hogy feltételezték: a galaxisokat egy akkora láthatatlan haló veszi körül, amelynek tömege tízszer nagyobb a benne lévő csillagok össztömegénél. Azóta ennek a láthatatlan anyagnak a kimutatására sokkal kifinomultabb módszereket fejlesztettek ki. Ezek közül a legfigyelemreméltóbb, amelyik ezen a láthatatlan anyagon keresztülhaladó fénysugár eltérülését méri. A szemüvegek lencséihez hasonlóan, a sötét anyag is elhajlítja a fényt (hatalmas tömege és az ebből származó gravitációs vonzóhatása miatt). Nemrégiben a Hubbleűrtávcsővel készült felvételek nagyon alapos vizsgálatával és számítógép segítségével a tudósok képesek voltak az Univerzumban a sötét anyag eloszlását feltérképezni.

Heves tülekedés folyt és folyik ma is azok között, akik ki akarják találni, miből is van a sötét anyag. Néhány tudós azt gondolja, hogy közönséges anyagról van szó, kivéve, hogy ez az anyag nagyon halvány (azaz hogy barna törpecsillagokból, neutroncsillagokból, fekete lyukakból áll, amelyek közel vagy teljesen láthatatlanok). Az ilyen objektumokat összefoglalóan mint „barionos anyagú"-t említik, ugyanis a jól ismert barionokból állnak (mint például protonokból és neutronokból). Együttesen pedig MACHO-knak nevezik őket (ami a Massive Compact Halo Objects, azaz a nagytömegű, kompakt halo-objektumok rövidítése.)

Mások úgy gondolják, hogy a sötét anyag nagyon forró, nembarionos anyagból áll, mint például neutrínókból (ezt forró sötét anyagnak hívják). De a neutrínók olyan gyorsan mozognak, hogy nem lehetnek felelősek a természetben látott galaxisokban előforduló sötét anyagcsomókért. Megint mások felteszik a kezüket és azt mondják: a sötét anyag az anyagnak egy egészen új formája, az ún. hideg sötét anyag vagy WIMP-ek (Weakly Interactive Massive Particles, azaz gyengén kölcsönható részecskék), amelyek jelenleg a legmegfelelőbb jelöltnek látszanak a sötét anyag legnagyobb részére.

A COBE műhold

A Galilei kora óta a csillagászat igáslovának számító közönséges teleszkóppal nem lehet megoldani a sötét anyag rejtélyét. A csillagászat jelentősen túlhaladta a földi felállítású optikákat. Az 1990-es években új csillagászati eszközgeneráció érkezett, amely a legújabb műholdas technikákat, lézereket, számítógépeket használja, és amely teljesen megváltoztatta a kozmológia arcát.

Ennek a fejlődésnek az első gyümölcse az 1989 novemberében indított COBE műhold volt. Míg Penzias és Wilson munkája csak néhány adatponttal erősítette meg az Ősrobbanás elméletét, addig a COBE műhold adatpontok sokaságát tudta mérni, amelyek pontosan egyeztek a Gamow és kollégái által 1948-ban megjósolt feketetest-jellegű sugárzással. 1990-ben az Amerikai Csillagászati Társaság ülésén a mintegy 1500 tudóst számláló hallgatóság felállva, viharos ovációban tört ki, amikor meglátták a COBE eredményeit a kivetítőn: ezek közel tökéletes egyezést mutattak egy 2,728 K-es hőmérsékletű mikrohullámú háttérsugárzással. A Princeton University csillagásza, Jeremiah R Ostriker megjegyezte, hogy „Amikor a kőzetekben ősmaradványokat találunk, az a fajok eredetét abszolút félreérthetetlenné teszi. Nos, a COBE megtalálta az Univerzum ősmaradványait."

Ugyanakkor a COBE képei nagyon elmosódottak voltak. A tudósok például szerettek volna „forró foltokat" vagy más fluktuációkat vizsgálni a kozmikus háttérsugárzásban, amelyek mérete az égbolton 1 fok méretű. De a COBE berendezései csak hét fok vagy nagyobb méretű fluktuációkat tudtak detektálni; nem voltak elég érzékenyek a kisebb forró foltok észrevételéhez.

A tudósokat ez arra kényszeríttette, hogy várjanak a WMAP

műholdra, amelyet csak a századforduló után terveztek el útnak indítani, és ami majd megoldhatna egy seregnyi kérdést és rejtélyt.

4. Infláció és párhuzamos univerzumok

Semmiből nem lesz semmi. LUCRETIUS

Feltételezem, hogy a mi Univerzumunk csakugyan a semmiből kellett hogy létrejöjjön 10^10 évvel ezelőtt... A legegyszerűbb megoldás, amit kínálok, az, hogy az Univerzum egyszerűen olyasvalami, ami időről időre megtörténik. EDWARD TRYON

Az Univerzum az utolsó potyavacsora. ALAN GUTH

A Poul Anderson által írt klasszikus tudományosfantasztikus történetben, a Tau Zéróban a Leonora Christine nevű csillaghajót útnak indítják azzal a küldetéssel, hogy érje el a legközelebbi csillagokat. 50 személlyel a fedélzetén a csillaghajó képes fénysebességhez közeli sebességet elérni, miközben a közeli csillagrendszerek felé halad. Fontos, hogy a csillaghajóban a speciális relativitáselméletnek megfelelően az idő lelassul, ahogy egyre gyorsabban mozog. Ezért a közeli csillagokba tartó utazás, amely a Földről nézve évtizedeket vesz igénybe, az űrhajósoknak csak néhány évnek tűnik. Az űrhajósokat a Földről távcsővel figyelő megfigyelőnek úgy látszik, mintha megfagytak volna az időben, mintha csak egy megállított rajzfilm lennének. De a fedélzeten lévő űrhajósoknak az idő normálisan telik. Amikor a csillaghajó célhoz ér és az űrhajósok kiszállnak egy új világban, akkor úgy találják, hogy 30 fényévet utaztak néhány év alatt.

A hajó egy mérnöki csoda: a világűrből meríti hidrogén-üzemanyagát, melyet fúziós tolósugár-hajtóműben éget el, így energiakészlete kimeríthetetlen. Olyan gyorsan utaznak, hogy a hajó legénysége még a csillagok fényének Doppler-eltolódását is látja: a szemben lévő csillagok kékebbnek, a hátuk mögött lévők pedig vörösebbnek tűnnek.

De katasztrófa történik. Körülbelül tíz fényévnyire a Földtől az űrhajó keresztülhalad egy csillagközi porfelhőn, elszabadul, és a fékezőműve végletesen meghibásodik. A megrémült legénység csapdában találja magát egy elszökött űrhajón, ami egyre gyorsabb és gyorsabb és egyre jobban megközelíti a fénysebességet. A kontrollálhatatlan űrhajón segítség nélkül vannak, és percek alatt keresztülszelik az egész csillagrendszert. Egy éven belül az űrhajó keresztülsüvít a fél Tejútrendszeren. Mivel ellenőrizhetetlenül gyorsul, hónapok múlva már a galaxisokat is elhagyja. Ezalatt a Földön millió évek teltek el. Olyan közel kerülnek a tau zéróval jelölt fénysebességhez, hogy kozmikus események tanúi lesznek, például a szemük láttára öregszik az Univerzum.

Végül látják, ahogy az Univerzum tágulása megfordul, és az Univerzum visszahúzódik önmagába. A hőmérsékletet elkezd drámai módon nőni, ahogy haladnak a Nagy Reccs felé. A legénység tagjai csendesen imádkoznak, miközben a hőmérsékletet meredeken nő, a galaxisok egyesülnek, és egy Kozmikus ősatom formálódik előttük. A hamvasztásos halál elkerülhetetlennek látszik.

Az egyetlen reményük, hogy az anyag egy véges kiterjedésű és véges sűrűségű tartományba zsugorodik csak, és ők a hatalmas nagy sebességükkel gyorsan átcsusszanhatnak rajta. Csodálatos módon védőpajzsuk megóvja őket az ősatomon való áthaladás során, és ezúttal tanúi lesznek egy új Univerzum születésének. Ahogy az Univerzum ismét elkezd tágulni, lenyűgözve figyelik az új csillagok és galaxisok születését. Megjavítják űrhajójukat, és alaposan feltérképezik a galaxisokat, amelyek elég idősek ahhoz, hogy az élethez szükséges nehezebb elemek előforduljanak bennük. Végül is lokalizálnak egy bolygót, amely képes az élet hordozására, és létrehoznak ott egy kolóniát, ahol az egész emberiség élete újra elkezdődhet.

Ezt a történetet 1967-ben írták, akkor, amikor heves vita dúlt a csillagászok között az Univerzum végső sorsáról: vajon az Univerzum Nagy Reccsben vagy Nagy Fagyban pusztul el, esetleg vég nélkül oszcillálni fog, vagy mindörökké az állandóság állapotában marad? Úgy tűnik, hogy a vita azóta megoldódott, és egy új elmélet, az inflációnak nevezett elképzelés nyert polgárjogot.

Az infláció születése

„LENYÜGÖZŐ FELISMERÉS" - írta Alan Guth naplójában 1979-ben. Felvillanyozódott attól, hogy a kozmológia nagy ötleteinek egyikét kitalálta. Egy termékeny észrevétellel az Ősrobbanás elméletének - az elmélet létrejötte utáni 50 évben történtek - legnagyobb revízióját végezte el: meg tudta oldani a kozmológia legnagyobb rejtélyét azzal, ha egyszerűen feltételezte, hogy a születése pillanatában az Univerzum egy turbósebességű nagy hiperinfláción ment keresztül, azaz sokkal gyorsabban tágult, mint ahogy a fizikusok korábban hitték. A hipertágulással nehézség nélkül meg tudott oldani egy sereg kozmológiai kérdést, amelyek korábban ellenszegültek a próbálkozásoknak. Az ötlet forradalmasította a kozmológiát.

(A friss kozmológiai adatok, beleértve a WMAP adatait is, egyezésben vannak az inflációs elméletét jóslataival.) Nem egyszerűen csak egyike a kozmológiai elméleteknek, de egyben a legegyszerűbb és a leghihetőbb is.

Figyelemreméltó, hogy mennyi bonyolult problémát megold egy ilyen egyszerű feltevés. Az egyik ilyen, elegánsan megoldott probléma a laposságprobléma volt. A csillagászati adatok szerint ugyanis a Világegyetem görbülete nagyon közel van a nullához, sokkal közelebb, mint korábban hitték. Ez úgy magyarázható meg, hogy az Univerzum, egy rendkívül gyorsan felfúvódó léggömbhöz hasonlóan, az inflációs időszak alatt kisimult.

Mi, akik mintha csak hangyák lennénk egy óriási léggömb felszínén, túl kicsik vagyunk ahhoz, hogy a léggömb görbületét észrevegyük. Az infláció olyan nagy mértékben kifeszítette a téridőt, hogy mi laposnak látjuk.

Szintén történelmi léptékű volt Guth felfedezésében, hogy a természetben előforduló legapróbb objektumok, az elemi részecskék fizikáját beépítette a kozmológiába, hogy az Univerzumot keletkezésében és egészében is tanulmányozhassa. Mára már felismertük, hogy az Univerzum legmélyebb titkai nem fejthetők meg az extrém kicsi fizikája nélkül: szükség van a kvantumelméletre és az elemi részecskék fizikájára.

Az egyesítés keresése

Guth az USA New Jersey tagállamában lévő New Brunswickben született 1947-ben. Einsteinnel, Gamow-val vagy Hoyle-lal ellentétben semmi rendkívüli pillanat vagy késztetés nem volt az életében, ami a fizika világába hajtotta volna. Szülei nem végeztek főiskolát, és a tudomány iránt sem mutattak különösebb érdeklődést. Saját beismerése szerint azonban őt magát mindig is elbűvölte a természet törvényei és a matematika között megbújó kapcsolat.

Az 1960-as években az MIT-en volt és komolyan érdeklődött aziránt, hogy a részecskefizikában próbáljon meg karriert csinálni. Őt nagyon is lenyűgözte az akkoriban annak az egész fizikán keresztülsuhanó lendületes forradalomnak az izgalma, amely az összes alapvető erő egyesítését kereste. Ősidők óta keresték a fizika Szent Grálját, hogy a lehető legkoherensebb és legegyszerűbb módon magyarázzák meg az Univerzum komplexitását.

Már a régi görögöktől kezdve sok tudós gondolta úgy, hogy a ma látott Univerzum egy sokkal egyszerűbb valaminek az eltört, meghasadt maradványa, és az egyesítés mikéntjének megkeresése kell hogy legyen a tudomány célja.

A természetben lévő anyag és energia kétezer éven át tartó vizsgálatának eredményeképpen a fizikusok meghatározták, hogy mindössze négy alapvető fajtájú erő működteti az Univerzumot. (Kerestek egy lehetséges ötödik erőt is, de mind a mai napig az összes erre irányuló eredmény vagy negatív volt, vagy nem bizonyult meggyőzőnek.)

Az első erő a gravitáció, amely összetartja a Napot és a Naprendszerben a bolygókat égi pályáikon tartja. Ha a gravitációt hirtelen kikapcsolnák, az égen látható csillagok felrobbannának, a Föld szétesne, és mi mindannyian mintegy 1200 kilométer/óra sebességgel kihajítódnánk a világűrbe.

A második alapvető erő az elektromágnesesség, ami bevilágítja a városainkat, kitölti a világot a tévén keresztül, a mobiltelefonokkal, a rádióval, a lézersugarakkal és az internettel. Ha kiiktatnánk az elektromágneses erőt, akkor a civilizáció hirtelen néhány évszázaddal visszalökődne a múltba, a csend és a sötétség korába. Ezt látványosan illusztrálta a 2003-as nagy áramszünet, amikor az USA egész északkeleti része megbénult.

Ha mikroszkopikusan megvizsgáljuk az elektromágneses erőt, akkor azt találjuk, hogy apró, kvantumoknak vagy másképp fotonoknak nevezett részecskékből áll.

A harmadik erő a gyenge kölcsönhatás, amely a radioaktív bomlásért felel. Mivel a gyenge kölcsönhatás nem elég erős ahhoz, hogy az atommagot egyben tartsa, a magnak megengedi, hogy kettétörjön vagy elbomoljon. A kórházakban a nukleáris gyógymódok a gyenge kölcsönhatásra épülnek. A gyenge kölcsönhatás segít felmelegíteni a Föld belsejét is az ott fellelhető radioaktív anyagokból származó hővel, és ez a hő működteti a vulkánokat is. Végül az elektronok és a neutrínók közötti kölcsönhatások is a gyenge erőn nyugszanak (a neutrínók olyan szellemszerű részecskék, amelyek majdnem tömeg nélküliek és trillió mérföldeket tehetnek meg akár szilárd anyagban is anélkül, hogy bármivel kölcsönhatásba lépnének). Amikor ezek az elektronok és neutrínók kölcsönhatnak, egymással más, W-és Z-bozonoknak nevezett részecskéket cserélgetnek.

Az erős kölcsönhatás, más néven a magerő az, ami összetartja az atommagokat. A magerő nélkül a magok szétesnének, az atomok szétrepülnének, és az általunk ismert valóság szétfoszlana. A magerő a felelős az Univerzumot betöltő, hozzávetőleg száz kémiai elemért. Együtt pedig a gyenge kölcsönhatás és a magerő az oka - Einstein E=mc^2 egyenletével együtt - a csillagok által kisugárzott fényért. A magerő nélkül az egész Univerzum sötét lenne, a hőmérséklet sokat esne a Földön és az óceánok befagynának.

Ennek a négy erőfélének a meglepő jellegzetessége az, hogy teljesen különböznek egymástól: erősségük eltérő nagyságú és mások a tulajdonságaik. Például a gravitáció messze a leggyengébb mind a négy közül, az elektromágneses erőnél 1036-szor gyengébb. A Föld tömege 6 billiószor billió kilogramm, mégis, hatalmas tömege ellenére gravitációs vonzóerejét az elektromágnesesség könnyen semlegesíti. Ha például Ön a fésűjét megdörzsöli, a fésű statikus elektromossága magához rántja az apró papírdarabokat, az egész Föld gravitációs erejét legyőzve. Ugyanakkor a gravitáció mindig és csakis vonzó jellegű. Az elektromágneses erő azonban, a töltések előjelétől függően, vonzó és taszító hatású is lehet.

Az egyik alapvető fontosságú kérdés, amivel a fizikának szembe kell néznie, hogy miért négy különböző erő irányítja az Univerzumot? És miért kell ennek a négy erőnek olyannyira különbözőnek lennie különböző erősséggel, különböző kölcsönhatással és másféle fizikával?

Einstein volt az első, aki nekikezdett ezeknek az erőknek egyetlen egyszerű, érthető elméletben történő egyesítésébe, kezdve az elektromágnesesség és a gravitáció egyesítésével. Ebbe belebukott: túlságosan is kora előtt járt. Akkoriban még nagyon keveset tudtak az erős kölcsönhatásról ahhoz, hogy egy realisztikus egyesített térelméletet lehessen alkotni. De Einstein úttörő munkája felnyitotta a fizikusvilág szemeit: lehetséges „a minden elmélete".

Az egyesített térelmélet elérése az 1950-es években teljességgel reménytelennek tűnt, főként mert az elemi részecskék fizikája teljes káoszban volt. Gyorsítóberendezésekkel robbantották fel az atommagokat, hogy megtalálják az anyag „elemi alkotórészeit", de a kísérletekből százával dőltek a részecskék. „Elemi részecskék fizikája" - annyira ellentmondás volt, hogy viccé vált a kifejezés. A régi görögök azt gondolták, hogy ha széttörünk valamit az elemi építőkockáira, akkor a dolgok egyszerűbbek lesznek majd. De az ellenkezője történt: a fizikusoknak keményen kellett küzdeniük csak azért, hogy egyáltalán elegendő betűt találjanak a görög ABC-ben e részecskék elnevezéséhez. J. Robert Oppenheimer azon viccelődött, hogy a fizikai Nobel-díjat annak kell adni, aki abban az évben nem fedez fel egy új részecskét. A Nobeldíjas Steven Weinberg azon kezdett el tűnődni, vajon az emberi elme képes-e a magerő titkát megoldani.

A zűrzavarnak ezt a tébolydáját azonban az 1960-as években a CalTechen dolgozó Murray Gell-Mann és George Zweig megszelídítette a kvarkelmélet felvetésével: e szerint a protonok és a neutronok kvarkokból épülnek fel. A kvarkelmélet szerint három kvark alkot egy protont vagy egy neutront, egy kvark és egy antikvark pedig egy mezont (ez a részecske tartja egyben az atommagot). Ez csak átmeneti megoldás volt (mivel ma- napság már el vagyunk öntve a kvarkok különböző altípusaival), de arra jó volt, hogy felébressze az egyszer már elszunnyadt területet.

1967-ben káprázatos áttörést ért el két fizikus, Steven Weinberg és Abdus Salam, akik megmutatták, hogy az elektromágneses és a gyenge kölcsönhatás egyesíthető. Létrehoztak egy elméletet, amelyben az elektronok és a neutrínók (együtt leptonoknak nevezik őket) egymással W-és Z-bozonoknak nevezett új részecskéket, valamint fotonokat cserélgetve egymás között kölcsönhatnak egymással. A W-és Zbozonokat, meg a leptonokat ugyanúgy kezelve, egyesítették ezeket az erőket egyetlen elméletbe. Ezzel egyben bepillantást engedtek a magerőbe is. Steven Weinberg, Sheldon Glashow és Abdus Salam a négy erő közül kettő egységes elméletének kifejlesztéséért 1979-ben Nobel-díjat kapott.

Az 1970-es években a stanfordi lineáris gyorsítóval erős elektronsuga - rat irányítottak egy céltárgyra, hogy a proton belsejét mélyen letapogassák, és a kapott adatokat alaposan elemezzék. Azt találták, hogy a magerő, amely a protonon belül a kvarkokat együtt tartja, gluonoknak elnevezett új részecskékkel magyarázható meg. A gluonok a magerő kvantumai. A protont összetartó erőfajta úgy értelmezhető, hogy a benne lévő kvarkok gluonokat cserélgetnek egymás között. Ez vezetett el a magerő elméletéhez, amelyet kvantum-színdinamikának hívunk (QCD-elmélet a Quantum Chronodynamics-ból).

így az 1970-es évek közepére össze lehetett illeszteni a négy erőből hármat (a gravitáció kívül maradt), így kapták meg a Standard Modellnek nevezett leírást, amely a kvarkok, az elektronok és a neutrínók elmélete, amelyek gluonok, W-és Zbozonok, valamint fotonok cseréjével lépnek egymással kölcsönhatásba. Az az évtized volt a részecskefizika addig lassan csordogáló kutatásainak csúcspontja. Jelenleg a Standard Modell tökéletes egyezésben van a részecskefizika összes kísérleti adatával.

Noha a Standard Modell minden idők legsikeresebb fizikai elmélete, figyelemre méltóan csúnya. Nehéz abban hinni, hogy a természet a legalsó szinten olyan elmélet szerint működik, mintha egy kontár foltozta volna össze. Például az elméletben 19 szabad, önkényesen megválasztható paraméter van, amelyeket az elméletbe kézzel kell beírni, anélkül, hogy bármire rímelnének ezek a számok, vagy bármi különösebb oka lenne annak, hogy éppen annyi az értékük, amennyi. (Az elmélet az elemi részecskék tömegét, és a kölcsönhatások erősségét nem mondja meg, azokat kísérletekkel kell megállapítani; ideális esetben egy valódi egyesítési elméletben ezeket az állandókat maga az elmélet határozza meg, anélkül, hogy bármilyen kísérleti adatból vezetné le.)

Kvarkok Gluonok

Első

generáció fel le Elektron Neutrínó

Második

generáció bájos furcsa müon müonneutrínó

Harmadik

generáció top bottom tau tauneutrínó

W-bozon Z-bozon Gluon Higgsbozon

Ezeket a szubatomi részecskéket tartalmazza a Standard Modell, amely az elemi részecskék legsikeresebb elmélete. Kvarkokból álló protonokból és neutronokból, leptonoknak nevezett elektronokból és neutrínókból és sok más részecskéből épül fel. A modellben a szubatomi részecskéknek generációnak nevezett - három (csaknem teljesen azonos) másolata fordul elő. Mivel a Standard Modellből hiányzik a gravitáció (és ez igen kínos), az elméleti fizikusok szerint ez nem lehet „minden elmélet".

Továbbá az elemi részecskéknek három, generációnak nevezett másolata létezik. Nehéz abban hinni, hogy a természet legalsó szintjén a szubatomi részecskéknek három pontos másolata létezik. A tömegeket nem véve most tekintetbe, ezek a generációk egymás duplikátumai. (Például, az elektronnak a másolata a müon, amely 200-szor nagyobb tömegű nála, másik másolata a tau részecske, ez pedig 3500-szor nehezebb az elektronnál.)

És végül, a Standard Modell nem tesz említést a gravitációról, noha a gravitáció az Univerzumot talán a legjobban átható erő.

Minden fényes kísérleti bizonyíték ellenére, a Standard Modell olyan mesterkéltnek tűnik, hogy sok fizikus egy újabb elméletet próbál meg kifejleszteni, amit a Nagy Egyesítés Elméletének neveznek (GUT, Grand Unified Theory), és ez a kvarkokat és az elektronokat ugyanarra az alapra helyezné. A gluonokat, a W-és Zbozonokat, valamint a fotont szintén ugyanezen a szinten kezelné az elmélet. (Ez még nem lenne a „végső elmélet", mert a gravitációt nyilvánvalóan még kihagyná; amint azt látni fogjuk, túl nehéznek tartják egyesítését a többi erőhatással.)

Az egyesítésnek ez az elmélete egy új paradigmát hozott a kozmológiába. Az ötlet egyszerű és elegáns volt: az Ősrobbanás pillanatában mind a négy alapvető erőfajta egyetlen, egységes „szupererőben" volt egyesítve. Mind a négy erőnek ugyanaz volt az erőssége, és egy nagyobb, egységes valaminek volt a része. Az Univerzum a tökéletesség állapotából indult el. De ahogy az Univerzum elkezdett tágulni és gyorsan hűlt, az eredeti szupererő elkezdett különböző erőkké hasadni, és egyik a másik után vált le.

Ezen elképzelés szerint az Univerzum Ősrobbanást követő lehűlése analóg a víz megfagyásával. Amikor a víz folyékony, akkor nagyon egyforma és egyenletes mindenütt. De amikor megfagy, apró jégkristályok milliói formálódnak benne. Amikor a folyékony víz teljesen megfagy, eredeti egyformasága megszűnik, mivel a jég hasadékokból, buborékokból és kristályokból áll.

Másként megfogalmazva, ma az Univerzumot szörnyen széttöredezett állapotában látjuk. Egyáltalán nem szimmetrikus vagy egyenletes, viszont kicsorbult hegyláncokból, vulkánokból, hurrikánokból, kőből való kisbolygókból, és robbanó csillagokból áll, az egyformaság bármi jele nélkül; továbbá mi négy alapvető erőt látunk, amelyeknek semmi köze egymáshoz. Az Univerzum ilyen mérvű széttöredezettségének oka, hogy nagyon öreg és hideg.

Noha az Univerzum a tökéletes egyformaság állapotából indult, a mostani időkig nagyon sok fázisátalakuláson, azaz állapotváltozáson ment keresztül, és ahogy hűlt, az Univerzum erői, egyik a másik után, elszabadultak.

A fizikusok feladata, hogy visszamenjenek és rekonstruálják azokat a lépéseket, amelyek a tökéletesség állapotából elinduló Univerzumból elvezettek a ma látott széttöredezett állapothoz.

A kulcs tehát az Univerzum kezdetén bekövetkezett, a fizikusok által „spontán leválásnak" nevezett fázisátalakulások mikéntjének pontos megértése.

Mint a jég olvadása, a víz forrása, az esőfelhők képződése, vagy mint az Ősrobbanás hűlése, a fázisátalakulások összekapcsolhatják az anyag különböző állapotait. (Annak illusztrálására, hogy a

fázisátalakulások mennyire hatékonyak lehetnek, Bob Miller bűvész a következő rejtvényt adta fel: „Hogyan tudnál 500 000 fontnyi vizet a levegőben tartani úgy hogy semmi látható segítséged nincs? A válasz: építs egy felhőt!")

Hamis vákuum

Az erők egymástól való szétválásának a folyamata egy gátszakadáshoz hasonlítható. A folyók lefelé folynak, mert a vízáradat a legkisebb (potenciális) energiájú hely felé tart, ez pedig a tengerszint. A legalacsonyabb energiaszint a vákuum. De van egy szokatlan állapot is, amit hamis vákuumnak neveznek. Ha például egy folyót gátak közé szorítunk, a gát stabilnak tűnik, de valójában a gátat hatalmas nyomás éri. Ha egy kicsi repedés keletkezik a gáton, a nyomás gyorsan szétrepesztheti a gátat, és felszabadítja a hamis vákuum (a gátak közé szorított folyó)

energiaáradatát, és katasztrófaszerű vízözönt okoz a valódi vákuum (a tengerszint) felé haladva. Ha a gát spontán átszakad, akkor a víz egész falvakat és városokat áraszt el, és az átmenet a valódi vákuumba nagyon gyorsan megtörténik.

Hasonlóképpen, a GUTelméletben az Univerzum egy hamis vákuumbeli állapotban keletkezett, amikor három erő még egyetlen erőben egyesült. De ez az állapot instabil volt, hirtelen ért véget, és a hamis vákuumból

- ahol az erők még egységesek voltak - egy átmenet történt a valódi vákuumba, ahol az erők már különváltak.

Ez már azelőtt ismert volt, hogy Guth elkezdte a GUT-elméletet vizsgálni. De Guth észrevett valamit, ami mások figyelmét elkerülte. A hamis vákuum állapotában az Univerzum exponenciálisan tágul, pontosan azon a módon, ahogy azt de Sitter 1917-ben megjósolta. A hamis vákuum energiája a kozmológiai konstans, ami az Univerzum roppant nagy mértékű tágulását okozza. Guth feltett magának egy életbevágóan fontos kérdést: ez a de Sitter-féle exponenciális jellegű tágulás megoldhat-e néhányat a kozmológia problémái közül?

A monopólusprobléma

A GUT-elméletek legtöbb változatának az volt a jóslata, hogy az idő kezdetén monopólusok sokasága állt elő. A monopólus egy egyszerű mágnes, amelynek csak északi vagy csak déli sarka van. A természetben ezek mindig párban fordulnak elő. Ha kézbe veszünk egy mágnest, mindig együtt találunk egy északi és egy déli pólust. Ha fogunk egy kalapácsot és két részre ütjük szét a mágnest, nem két monopólust kapunk; ehelyett két kisebb mágnesünk lesz és mind a kettőnek lesz egy északi sarka és egy déli sarka.

A tudósok évszázadokon át kísérleteztek, mégsem találtak meggyőző bizonyítékot monopólusok létezésére. Mivel soha senki nem látott monopólust, Guthot zavarba hozta, hogy akkor mégis miért jósol olyan sokat belőlük a GUTelmélet. „Az egyszarvúhoz hasonlóan a monopólus is izgatja az emberi elmét, annak ellenére, hogy tudjuk, nem létezik" - jegyezte meg Guth.

És hirtelen sikerült megtalálnia a magyarázatot. Szempillantásnyi idő alatt az összes darabka a helyére került. Felismerte, hogy ha az Univerzum a hamis vákuum állapotából indult el, akkor exponenciálisan tágulhatott, ahogy azt de Sitter évtizedekkel korábban megjósolta. A hamis vákuum állapotban az Univerzum hihetetlen mértékben fúvódott fel, ami a monopólusok sűrűségét lecsökkentette. Az, hogy a tudósok még soha nem láttak monopólust, az csak azért van, mert ma sokkal inkább szerteszét vannak szóródva az Univerzumban, mint azt korábban valaha is gondolták volna.

Guth számára ez elképesztő és örömteli is volt. A monopólusproblémát ezzel az egyetlen észrevétellel egy csapásra meg tudja magyarázni. De Guth azt is észrevette, hogy ennek a meglátásának az eredeti elképzelésen túlnyúló kozmológiai következményei is lehetnek.

A laposságprobléma

Guth azt is észrevette, hogy az elmélete egy másik problémát, a korábban már említett laposságproblémát is megoldja. Az Ősrobbanás elfogadott képe nem tudja megmagyarázni, hogy az Univerzum miért olyan sima. Az 1970-es években azt gondolták, hogy az Univerzum Omegával jelölt anyagsűrűsége 0,1 körüli. Nagyon zavaró volt, hogy ez az érték évmilliárdokkal az Ősrobbanás után relatíve nagyon közel volt a kritikus sűrűség 1,0-es értékéhez. Ahogy az Univerzum tágult, Omegának időközben változnia kellett volna. Ez a szám azonban még ma is kényelmetlenül közel van a tökéletesen sík teret leíró l-hez.

Az idő kezdetén bármilyen ésszerű értéket is vett fel Omega, az Einsteinegyenletek megoldásaiból következően mára majdnem nullává kellett volna válnia^7. Ezért az, hogy több milliárd évvel az Ősrobbanás után még mindig olyan közel van az l-hez, csodaszámba ment. Ezt a kozmológiában a finomhangolás problémájának nevezik. Istennek, vagy valaki más „teremtőnek" fantasztikusan nagy pontossággal kellett megválasztania Omega kezdeti értékét ahhoz, hogy az manapság 0,1 körüli legyen. Ahhoz, hogy ma Omega 0,1 és +1 közzé essen, az Ősrobbanás után 1 másodperccel Omegának 0,99999999999999-nek kellett lennie. Másképp ez azt jelenti, hogy az idő kezdetén Omega értékét úgy kellett megválasztani, hogy 1-gyel legyen egyenlő százbilliomodnyi pontossággal. Ezt nehéz felfogni.

7 Ha eredetileg csak egy kicsivel is kisebb volt 1-nél. Ha viszont egy kicsit nagyobb volt, mára szinte végtelen lenne az értéke. (A szaklektor megjegyzése.)

Gondoljunk arra, hogy egy ceruzát próbálunk a hegyére állítva egyensúlyozni.

Függetlenül attól, hogyan próbáljuk meg kiegyensúlyozni, rendszerint eldől. Valójában nagy pontosságú, finom beállítást igényel úgy kiegyensúlyozni a ceruzát, hogy ne dőljön fel. Most pedig próbáljuk meg úgy kiegyensúlyozni a ceruzát, hogy függőleges maradjon ne csak egy másodpercre, de évekre! Így már látható, milyen roppant pontos finomhangolás kell Omegában, hogy 0,1 legyen a mai értéke. Az Omega értékének beállításában elkövetett legkisebb eltérés is egy 1-től rendkívül különböző értékű mai Omegát eredményezne. Szóval miért is van ma olyan közel Omega az egyhez, amikor teljesen másnak kellene lennie a természet törvényei szerint?

Guth szerint a válasz kézenfekvő. Az Univerzum egyszerűen óriási mértékben felfúvódott, és lapossá lett. Akárcsak az az ember, aki laposnak véli a Földet mert nem lát túl a horizonton, a csillagászok is arra jutottak, hogy Omega=l, mert az infláció kisimította az Univerzumot.

A horizontprobléma

Az inflációs elgondolás nemcsak az Univerzum laposságát alátámasztó adatokat magyarázza meg, de megoldja a horizontproblémát is. Ez a probléma azon az egyszerű észrevételen alapul, hogy bármerre is nézünk az éjszakai égbolton, az égbolt nagyjából egyformának tűnik. Ha a fejünket 180 fokkal elfordítjuk, az Univerzumot arrafelé is ugyanolyannak találjuk, még akkor is, ha az Univerzum ezen részeit több tízmilliárd fényév választja el. Az Univerzumot átvizsgáló leghatékonyabb távcsövek sem találnak semmi érzékelhető eltérést ettől az egyformaságtól. Műholdjaink is extrém módon minden irányból egyformának mutatják a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást. Függetlenül attól, hogy merre nézzünk az Univerzumban, a háttérsugárzás hőmérséklete nem tér el jobban egy ezred foknál az átlagtól.

Ez azért baj, mert az Univerzumban a végső határsebesség a fénysebesség. Nincs rá mód, hogy az Univerzum élettartama alatt fény vagy bármi más információ az éjszakai égbolt egyik végéről a másikra eljusson. Például ha egy bizonyos irányban vizsgáljuk a mikrohullámú háttérsugárzást, az az Ősrobbanástól számítva már 13 milliárd éve van úton. Ha az ellenkező irányba nézünk, akkor olyan mikrohullámú sugárzást látunk, amely ezzel tökéletesen megegyező és szintén 13 milliárd éve van úton. Mivel mindkettőnek ugyanaz a hőmérséklete, az idő kezdetén e két ponton hőátadásnak kellett történnie. Az viszont nem lehetséges, hogy az Ősrobbanás óta az égbolton szemben lévő, egymástól 26 milliárd fényévre lévő pontok között információ áramoljon.

A helyzet még rosszabb, ha a 380 ezer évvel az Ősrobbanás utáni égboltot nézzük, amikor a háttérsugárzás létrejött. Ha az égbolton ellentétes pontokat vizsgálunk, azt találjuk, hogy a háttérsugárzás közel egyenlő. Az Ősrobbanás elmélete szerint ezeket a pontokat 90 millió fényév választja el egymástól (mert a robbanás óta ennyire kitágult az Univerzum), de az lehetetlen, hogy a fény 380 ezer év alatt 90 millió fényévet tegyen meg. így az információnak kellett volna a fénysebességnél gyorsabban mennie ez szintén lehetetlen.

Az Univerzumnak igazság szerint csomósnak kellene lennie, mivel egyik része a másiktól túl messze van a kapcsolatteremtéshez. Hogyan látszódhat akkor az Univerzum olyannyira egyformának, miközben az Univerzum egyik távoli pontjáról egy másikra a fénysugár nem vihette, nem terjeszthette és nem keverhette össze az információt? (A Princeton University fizikusa, Robert Dicke ezt horizontproblémának nevezte el, mivel a horizont a látható legtávolabbi pont - az a legtávolabbi pont, ahonnan még a fény ide elérkezhet.)

De Guth felismerte, hogy e probléma megoldásához az infláció a kulcs. Úgy érvelt, hogy a mi belátható Univerzumunk csak egy kis darabkája volt az eredeti tűzgolyónak. Ez a darabka egyforma hőmérsékletű és sűrűségű volt. Az infláció ezt a kis darabkát 10^50-szeresére tágította, sokkal gyorsabban, mint a fénysebesség, ezért aztán a ma belátható Univerzum meglehetősen egyforma. Tehát annak oka, hogy az éjszakai égbolt és a mikrohullámú háttérsugárzás egyforma, az, hogy valaha az Univerzum csak az eredeti tűzgömb parányi, de egyforma darabkája volt, ami hirtelen felfúvódott és a mai Univerzummá vált.

Reakciók az inflációra

Noha Guth maga meg volt arról győződve, hogy az inflációs ötlet helyes, kissé ideges volt, amikor először állt ki vele a nyilvánosság elé. Amikor elméletét 1980-ban bemutatta: „Kicsit aggódtam amiatt, hogy az elmélet egyes következményei látványosan tévesek lehetnek. Ott volt még a félelem is, hogy zöldfülű kozmológusként lepleződöm le." Elmélete azonban olyan elegáns és hatásos volt, hogy szerte a világon a fizikusok azonnal észrevették a fontosságát. A Nobeldíjas Murray Gell-Mann felkiáltott: „Megoldottad a kozmológia legfontosabb problémáját!" A szintén Nobeldíjas Sheldon Glashow bizalmasan közölte Guth-tal, hogy Steven Weinberg őrjöngött, amikor az inflációról hallott. Guth nyugtalanul megkérdezte: „Steve-nek valami ellenvetése van?" Glashow azt felelte, hogy „Nem, csak az zavarja, hogy nem ő találta ki." Hogyan hagyhattunk figyelmen kívül egy ilyen egyszerű megoldást - kérdezgették maguktól a tudósok. Guth elméletének fogadtatása lelkendező volt, és a fizikusokat elbűvölték a benne rejlő lehetőségek.

Guth elmélete a saját álláslehetőségeire is hatással volt. Mivel a munkaerőpiac szűkös volt, egyik nap még a munkanélküliség lehetőségével nézett szembe. „Ingatag volt a helyzetem a munkaerőpiacon" - vallotta be. Most hirtelen a legkiválóbb egyetemekről kezdtek el munkát ajánlani, de az őáltala kívánt helyről, az MIT-ről nem. Később aztán egy szerencsesüteményben azt olvasta, hogy „Éppen előtted van egy izgalmas lehetőség, csak ne légy félénk." Ez adta neki a bátorságot, hogy merészen odatelefonáljon az MIT-re és munka iránt érdeklődőn. Meg volt döbbenve, amikor az MIT-ről néhány nap múlva visszahívták és professzori állást ajánlottak neki. A következő szerencsesüteményben azt olvasta, hogy „Nem kell a pillanat hevében cselekedned." Ezt a tanácsot elutasítva úgy döntött, elfogadja az MIT ajánlatát. Azt kérdezte magától: „Ugyan mit tudhat egy kínai szerencsesütemény?"

Ennek ellenére komoly problémák maradtak nyitva. A csillagászokat kevésbé nyűgözte le Guth elmélete, mert egy területen nyilvánvalóan problémás volt: Omegára rossz előrejelzést adott. A tény, hogy Omega nem állt távol 1-től, az inflációval megmagyarázható volt. De az inflációs elmélet továbbment ennél, és azt jósolta, hogy Omegának (vagy Omega plusz Lambdának együtt, ha Lambda nem nulla) pontosan^8 egynek kellene lennie, ez felel meg ugyanis a sík Univerzumnak. A következő években egyre több és több megfigyelési adat gyűlt össze az Univerzumban található sötét anyag hatalmas mennyiségéről, és Omega lassan-lassan nagyobb értéket vett fel, és végül elérte a 0,3-at. De ez az inflációs elméletre nézve még mindig végzetes lehetett. Noha a következő évtizedben a fizikusok körében több mint háromezer cikk jelent meg az inflációról, a csillagászok körében továbbra is kuriózum maradt. Számukra úgy tűnt, az adatok kizárják az inflációs hipotézist.

8 Azaz a fent említett egy százbilliomodnyinál nagyobb pontossággal, vagyis minden, ma lehetséges mérés határán belül. (A szaklektor megjegyzése.)

Néhány csillagász magánjellegű beszélgetéseiben arra panaszkodott, hogy szerintük néhány részecskefizikus olyannyira megszállottja az infláció szépségének, hogy még a megfigyelési adatokat is lesöpörné az asztalról. (A Harvardon dolgozó Robert Kirshner csillagász azt írta, hogy „Az inflációs elképzelés őrültségnek hangzik. Attól, hogy tekintélyes professzori katedrákon is komolyan veszik, nem lesz automatikusan igaz." Az oxfordi Roger Penrose az inflációról azt mondta: „divat, amivel a nagyenergiás fizikusok fertőzték meg a kozmológusokat... Még a földimalacok is szépnek találják a saját kicsinyeiket.")

Guth hitte, hogy az adatok előbb vagy utóbb az Univerzumot laposnak fogják mutatni. Ami valójában bosszantotta, az az volt, hogy az ő eredeti elképzelése egy apró, de lényeges hiányosságtól szenvedett, és ezt még nem sikerült teljesen megoldani. Az inflációs elképzelés nagyszerűen alkalmazható volt egy sor nehéz kozmológiai probléma megoldására. A probléma az inflációval az, hogy nem tudjuk, hogyan szűnt meg. Gondoljuk el, hogy egy fazék vizet a forráspontig melegítünk. Éppen mielőtt elérné a forráspontját, egy pillanatra nagy energiájú állapotba kerül a víz. Szeretne forrni, de nem tud, mert ahhoz, hogy a buborékképződés elindulhasson benne, valami koszra van szükség benne. De aztán amikor egy buborék végre elindul, gyorsan a „valódi vákuum" alacsonyabb energiaszintjére kerül és a fazék tele lesz buborékokkal. Végül a buborékok olyan nagyok lesznek, hogy összenőnek, végül a fazék már csak gőzzel lesz tele. Amikor az összes buborék egyesült, akkor a víz gőzzé való fázisátalakulása befejeződött.

Guth eredeti képében minden egyes buborék a mi Univerzumunk egy kis darabkájának felelne meg. De amikor Guth elvégezte a számolásokat, azt találta, hogy ezek a buborékok nem fognak összenőni, és így az Univerzumot meghagyják csomósnak. Másként fogalmazva, az ő elmélete a fazekat otthagyja sok gőzbuborékkal, amelyek soha nem fognak tiszta gőzzé egyesülni. Guth főzőedénye - úgy tűnik - soha nem képes a mai Univerzumot létrehozni.

1981-ben Andrej Linde (Lebegyev Intézet, Oroszország), Paul J. Steinhardt és Andreas Albrecht (University of Pennsylvania) talált egy, ezt a nehézséget megkerülő utat. Észrevették, hogy ha a hamis vákuumból elinduló egyetlen magányos buborék elegendően nagyra fúvódik fel, akkor végső soron egymaga kitölti az egész fazekat és egy egyforma Univerzumot eredményez. Másként fogalmazva, a mi egész világunk egyetlen, Univerzum-méretűvé felfúvódott buborék terméke. Nincs szükségünk számtalan buborékra, amelyek majd egyesülnek, hogy mindenütt egyforma gőzt hozzanak létre. Elegendő egyetlen buborék is, feltéve, hogy elegendően nagyra fúvódik fel.

Emlékezzünk vissza a gát és a hamis vákuum analógiájára. Minél vastagabb a gát, annál több időbe telik, hogy a víz keresztüljusson a gáton. Ha a gát elég vastag, akkor tetszőlegesen hosszú ideig késlelteti a víz elfolyását.

Ha az Univerzumnak lehetősége volt 10^50-szeresére felfúvódni, akkor a buborék számára elegendő idő állt rendelkezésére, hogy megoldódjék a horizontprobléma, a laposságprobléma és a monopólusok problémája. Más szavakkal: ha eléggé késleltetett a víz átfolyása a gáton, akkor az Univerzum elég nagyra tágulhat ahhoz, hogy kisimuljon és megoldja a monopólusproblémát.

Ez azonban a következő kérdéshez vezet: miféle mechanizmus képes ilyen óriási mértékű felfúvódást okozni?

Végső soron ez a kínos probléma a „kényelmes kiút"-ként vált ismertté, de kérdés maradt, hogyan fúvódhatott fel az Univerzum oly mértékben, hogy egyetlen buborékból lett az egész Univerzum. Az évek alatt legalább ötven különböző mechanizmust javasoltak e probléma megoldására. (Ez iszonyúan nehéz probléma. Én magam is próbáltam párszor megoldani. Viszonylag könnyű egy, a korai Univerzumot nagymértékben felfúvó utat találni. De ami igazán nehéz, hogy 10^50-szeresére fúvódjon fel. Természetesen, valaki egyszerűen szabad paraméterként kézzel behelyezheti ezt a tényezőt az elméletbe, de ez eléggé mesterséges eljárás.) Végeredményben széles körben gondolják azt, hogy az infláció megoldja a monopólus, a horizont és a laposság problémáját, de ehhez pontosan tudni kell majd az infláció hajtóerejét és azt, hogy mitől ért véget.

Kaotikus infláció és párhuzamos univerzumok

A fizikus Andrej Linde nem idegeskedett amiatt, hogy senki sem fogadta el a megoldását a „kényelmes kiút"-problémára. Linde megvallotta: „Én csak azt éreztem, lehetetlen, hogy Isten ne használt volna ki egy ilyen nagy lehetőséget munkája leegyszerűsítésére."

Végül Linde az infláció egy új változatát javasolta, ami a korábbi verziók néhány hiányosságát eltüntette. Egy olyan univerzumot képzelt el, amelyben valahol a térben és az időben véletlenszerűen spontán törések jelentkeznek. Minden egyes pontban, ahol ilyen törés jelentkezik, egy univerzum jön létre, ami kicsit felfúvódik. Ennek a felfúvódásnak a mértéke legtöbbször kicsi. De mivel ez a folyamat véletlenszerű, végül is lesz egy olyan buborék, amiben az infláció elég hosszú ideig tart ahhoz, hogy a mi Univerzumunkat létrehozza. Logikusan következtetve ez azt jelenti, hogy az infláció folyamatos és örök, ősrobbanások következnek be minden időpillanatban, és univerzumokból más univerzumok nőnek ki. Ebben az elgondolásban univerzumok rügyeznek ki más univerzumokból, így hozva létre a „multiverzumot".

Ezen elmélet szerint ilyen spontán hasadások bárhol keletkezhetnek a mi Univerzumunkban is, megengedve, hogy a mi Univerzumunkból egy másik univerzum fakadjon. Azt is jelenti, hogy a mi Univerzumunk esetleg szintén egy másik univerzumból született. A kaotikus inflációs modellben a multiverzum örök, még ha az egyes univerzumok nem is azok. Néhány univerzum nagyon nagy Omegájú, és ebben az esetben azonnal az ősrobbanásuk után eltűnnek egy Nagy Reccsben. Más Univerzumok nagyon kicsi Omegájúak, és ezért örökké tágulnak. A multiverzumot végül azok az univerzumok fogják uralni, amelyek a legnagyobbra tágultak.

Visszatekintve, a párhuzamos univerzumok elképzelése megkerülhetetlen.

Az infláció a hagyományos kozmológia és a fejlett részecskefizika ötvözete. A kvantumelméletben van egy véges valószínűsége annak, hogy

olyan valószerűtlen események, mint amilyen a párhuzamos univerzumok teremtése, bekövetkezik. így, amint elfogadjuk egy univerzum keletkezésének ilyen lehetőségét, kinyitjuk az ajtót azelőtt a lehetőség előtt, hogy végtelen számú párhuzamos univerzum jön létre. Gondoljunk csak arra, hogy a kvantumelméletben hogyan írják le az elektront. A határozatlansági elv értelmében az elektron nem egyetlen pontban fordul elő, hanem a mag körül lévő minden pontban egyszerre van jelen. Ez a magot körbeölelő „elektronfelhő" reprezentálja egy adott pillanatban az elektron helyét. Ez az alapja az egész kémiának, ez engedi meg, hogy a molekulákat az elektronok egymáshoz kössék. Annak oka, hogy ezek a molekulák nem esnek szét, az, hogy az elektronok körbetáncolják őket és így egyben tartják. Hasonlóképpen, valaha az Univerzum kisebb volt, mint egy elektron. Amikor a kvantumelméletet az Univerzumra alkalmazzuk, nekünk el kell fogadnunk annak a lehetőségét, hogy az Univerzum szimultán módon egyszerre sok állapotban létezik. Másképp fogalmazva, ha megnyitjuk az ajtót a kvantumfluktuációknak az Univerzumra való alkalmazása előtt, akkor majdhogynem rá vagyunk kényszerítve a párhuzamos univerzumok létezésének elfogadására. Úgy tűnik, kevés lehetőségünk van.

Semmiből univerzum

Első pillantásra a multiverzum elképzelése ellen kifogást emelhetnénk, mert úgy tűnik, megsérti az ismert törvényeket, például az anyagmegmaradás és az energiamegmaradás törvényeit. Csakhogy egy univerzum

anyagés energiatartalma nagyon kicsi lenne. Az Univerzumnak a csillagokban, bolygókban, galaxisokban lévő anyaga óriási mennyiségű és pozitív előjelű. De a gravitációs energia negatív előjelű. Ha az anyagban tárolt pozitív előjelű energiát összeadjuk a negatív előjelű gravitációs energiával, az összeg a nullához lesz közel! Bizonyos értelemben ezek az Univerzumok szabadok. Elég könnyedén életre kelhetnek a vákuumból.

(Ennek megértéséhez képzeljünk el egy szamarat, ami beleesik egy jó nagy gödörbe. Nekünk energiát kell befektetnünk ahhoz, hogy a szamarat kihúzzuk a lyukból. Amikor kinn van a gödörből, és újra a földön áll, az energiáját nullának vesszük. Mivel nekünk kellett energiát adni ahhoz, hogy a felhúzzuk a szamarat a nulla energiájú szintre, a szamárnak negatív energiájúnak kellett lennie akkor, amikor a lyukban volt. Hasonlóképpen energia kell ahhoz, hogy a Naprendszerből egy bolygót kihúzzunk. Mivel energiát kellett adnunk ahhoz, a Naprendszeren kívülre húzzuk a bolygót a nulla energiájú állapotba, a bolygó negatív potenciális energiájú volt, amíg a Naprendszerben volt.)

Egy, a mienkhez hasonló univerzum létrehozásához nevetségesen kevés anyagra van szükség, úgy egy unciányira. Guth szerette mondogatni, hogy „az Univerzum egy potyavacsora". Először a New York City University Hunter College-ában dolgozó fizikus, Edward Tyron vetette fel az Univerzum semmiből való keletkezésének ötletét a Nature magazinban 1973-ban publikált cikkében. Úgy gondolkodott, hogy az Univerzum valami olyasmi, ami „időről időre megtörténik" a vákuum kvantumfluktuációja miatt. (Noha univerzum létrehozásához szükséges anyag tényleges mennyisége közel van a nullához, ez az anyag viszont hihetetlen mértékű sűrűségűre van összenyomva, ahogy a 12. fejezetben látni fogjuk.)

A P'an Ku mitológiai történethez hasonlóan, ez is egy példája a creatio ex nihilo-kozmológiáknak. Noha az „univerzum a semmiből" elméletet lehetetlen bizonyítani a konvencionális módokon, az Univerzumról feltehető néhány különösen nehéz kérdést mégis segít megválaszolni. Például azt, hogy az Univerzum miért nem forog? A körülöttünk látott dolgok mindegyike forog, a búgócsigáktól a hurrikánon, a bolygókon és a galaxisokon át a kvazárokig. A forgás az anyag univerzális tulajdonságának tűnik.

De az Univerzum maga nem forog. Ha az égen látható galaxisok összességét nézzük, akkor a teljes forgás nullára csökken. (Ez nagyon szerencsés dolog, ahogy azt az 5. fejezetben majd látjuk. Ha az Univerzum forogna, akkor az időutazás mindennapos dolog lenne, és lehetetlenné válna a történelmet megírni.) Hogy az Univerzum nem forog, annak oka az lehet, hogy az Univerzum a semmiből jött. Mivel a vákuum nem forog, ezért nem várjuk, hogy az Univerzumunkban összességében előforduljon valamiféle forgás. Valójában a multiverzum összes ilyen

buborékuniverzumának nettó forgása nulla.

Miért egyensúlyozzák ki egymást pontosan a pozitív és a negatív elektromos töltések? Általában a gravitáció, és nem az elektromágneses erő jut eszünkbe, amikor az Univerzumot meghatározó erőre gondolunk, noha az elektromágneses erőhöz képest a gravitációs erő nagysága

elhanyagolhatóan kicsiny. Ennek oka a pozitív és a negatív elektromos töltések közötti tökéletes egyensúly. Végeredményben az Univerzum nettó töltése nulla, és az elektromágneses erő helyett a gravitáció dominálja az Univerzumot.

Noha ezt az egyensúlyt mi bizonyosnak vesszük, kísérletekkel is ellenőrizték a pozitív és a negatív töltések nagyon is figyelemreméltó kiegyensúlyozottságát, és azt találták, hogy a kétféle töltés közötti egyensúly 1/10^21 pontossággal vehető igazoltnak. (Természetesen, a töltések között helyi egyenlőtlenségek előfordulhatnak, ezért látunk például fénylő villámot. A töltések összeadva azonban még egy hatalmas zivatarban is végeredményben nulla töltést eredményeznek.) Ha a nullától csak 0.000l százalékban eltérne a pozitív és a negatív töltések összege a testünkben, azonnal foszlányokra tépődnénk szét és az elektromos erő a lestünk darabjait mindenfelé szétszórná.

A válasz erre a nehéz feladványra az, hogy az Univerzum a semmiből jött. Mivel a vákuumnak nem volt sem töltése, sem forgása, bármely, a semmiből életrekelő csecsemőuniverzumnak sem lehet sem töltése, sem forgása. Ez alól, úgy tűnik, csak egyetlen kivétel van. Az Univerzum inkább áll anyagból, mint antianyagból. Mivel az anyag és az antianyag egymás ellentettjei (az antianyag pontosan az anyag ellenkező töltését hordozza), feltehetnénk, hogy az Ősrobbanás anyag és antianyag egyenlő mennyiségét hozta létre. A probléma ugyanakkor az, hogy ha az anyag és az antianyag találkozik, akkor egymást kölcsönösen megsemmisíti egy gammaviharban. Ezért nekünk nem is szabadna léteznünk. Az Univerzumnak közönséges anyag helyett gamma-sugárzásban kellene bővelkednie. Ha az Ősrobbanás tökéletesen szimmetrikus volt (vagyis ha a semmiből jött), akkor anyagból és antianyagból ugyanannyi kellett volna, hogy kialakuljon.

Akkor miért létezünk? Az orosz Andrej Szaharov fizikustól származó megoldás szerint az Ősrobbanás nem volt minden tekintetben teljesen szimmetrikus. A keletkezés pillanatában egy kis aszimmetria megtörte az anyag és az antianyag egyensúlyát, ezért az anyag dominánssá vált az antianyaggal szemben, ami lehetővé tette az általunk megfigyelt Univerzum létezését. (Az Ősrobbanáskor az úgynevezett CP-szimmetria megsértése következett be. Ez a szimmetria a töltéseket és az anyag és az antianyag paritását megcseréli.) Ha az Univerzum a „semmiből" jött, akkor talán a semmi nem volt tökéletesen üres, egy kis szimmetriasértés volt benne, ami lehetővé tette, hogy manapság az anyag váljon uralkodóvá az antianyag felett. Ennek a szimmetriasértésnek az eredete még nem teljesen világos.

Milyenek lehetnek más univerzumok?

A multiverzum-hipotézis nagyon vonzó, mert mindössze annyit kell tennünk, hogy feltesszük, spontán szimmetriasértések véletlenszerűen

bekövetkezhetnek. Semmilyen más feltevésre nem kényszerülünk. Valahányszor egy új univerzum sarjad ki egy másik univerzumból, a fizikai állandók különbözni fognak az eredetiben érvényesektől, új fizikai törvényeket hozva létre. Ha ez igaz, akkor minden univerzumban egy tökéletesen új valóság bukkan fel. Ez elvezet a következő izgalmas kérdéshez: hogyan néznek ki ezek a más univerzumok? A párhuzamos univerzumok fizikájának megértéséhez a kulcsot az jelenti, hogy megértsük, hogyan keletkeznek az univerzumok, azaz hogyan következnek be ezek a spontán szimmetriasértések?

Amikor egy univerzum születik és spontán szimmetriasértés történik, ez az eredeti elmélet szimmetriájának sértését is jelenti. A fizikus számára a szépség szimmetriát és egyszerűséget jelent. Ha az elmélet szép, akkor jelentékeny szimmetriák vannak benne, amik az adatok magyarázatát a legtömörebb és leggazdaságosabb módon adják meg. Még pontosabban, egy egyenletet akkor tekintenek szépnek, ha ugyanolyan marad akkor is, ha benne az egyes tagokat felcseréljük egymással. A természet rejtett szimmetriáinak megtalálása nagy előnyt jelent akkor, amikor két, látszólag különböző dologról megmutatjuk, hogy csupán ugyanannak a dolognak a különböző megjelenéseiről van szó. Például megmutathatjuk, hogy az elektromosság és a mágnesség ugyanannak a valaminek a két aspektusa, mivel a Maxwell-egyenletekben felcserélhetők egymással. Hasonlóképpen, Einstein megmutatta, hogy a relativitás az időt és a teret oda-vissza megfordíthatja, mivel mindkettő ugyanannak, a téridő szövetének a része.

Gondoljunk a végtelenül elbűvölő hópehelyre, aminek hatszoros szimmetriája van. A szépségének a lényege, hogy a kinézete változatlan marad, ha 60 fokkal elforgatjuk. Ez azt jelenti, hogy minden egyenletnek, ami leírja a hópehely alakját, tükröznie kell ezt a tulajdonságot: az egyenletnek invariánsnak kell lennie a 60 fok és többszöröseivel való elforgatásra (tehát nem szabad függnie a 60 fok és többszöröseivel való elforgatástól) Matematikailag ezt úgy fejezzük ki, hogy a hópehelynek C6 szimmetriája van.

A szimmetriák a természet rejtett szépségeit kódolják. Valójában mára ezek a szimmetriák súlyosan sérültek. Az Univerzum négy fő erőtípusa egyáltalán nem hasonlít egymásra. Az Univerzum ténylegesen tele van irregularitásokkal és sérülésekkel: az Ősrobbanás eredeti és ősi szimmetriáiból származó „cserépdarabok és töredékek" vesznek körül minket.

A duplán létező párhuzamos univerzumok megértése felé a kulcs a „szimmetriasértések" megértése - vagyis az, hogy az Ősrobbanást követően ezek a szimmetriák hogyan töredezhettek szét. Ahogy azt a fizikus David Gross mondta: „A természet titka a szimmetria, de a világ szerkezete jobbára a szimmetriasértésnek köszönhető."

Gondoljuk el, hogy egy tükör ezernyi apró darabra törik. Az eredeti tükörnek sok szimmetriája volt. Elforgathattuk a tükröt bármilyen szögben, ugyanúgy verte vissza a fényt. A tükörtörés után azonban az eredeti szimmetria megsérült. Annak meghatározása, hogyan történt szimmetriasértés, egyenértékű annak meghatározásával, hogyan tört el a tükör.

Szimmetriasértés

Hogy ezt jobban megértsük, képzeljünk el egy embriót. Korai állapotában, néhány nappal a fogantatás után, az embrió sejtek tökéletes gömbjéből áll. Egyik sejt sem különbözik a másiktól. Ugyanúgy néz ki, bárhogyan is forgatjuk el. A fizikusok úgy mondják, hogy ebben az állapotában az embrió O(3) szimmetriájú - ami annyit jelent, bármelyik tengely körül is forgatjuk el, ugyanolyannak fog látszani.

Noha az embrió szép és elegáns, ugyancsak hiábavaló. Miközben tökéletes gömb, nem tud kapcsolatba lépni a környezetével és nem tud egyetlen hasznos cselekedetet sem végrehajtani. Idővel azonban az embrió megtöri ezt a szimmetriát, apró fejet és törzset fejleszt, egy guruló apró kis tekebábura hasonlít. Noha az eredeti gömbszimmetria már elveszett, az embriónak van még szimmetriája: ha a tengelye körül megforgatjuk, még mindig ugyanúgy néz ki. Hengerszimmetriája van. Matematikailag azt mondjuk, hogy a gömb eredeti O(3) szimmetriája a henger O(2) szimmetriájává változott.

De az O(3) szimmetria törése más úton is történhet. A csillaghalaknak például nincs hengerszimmetriájuk vagy kétoldali szimmetriájuk. Ehelyett, amikor a gömbszimmetria nincs többé, C(5) szimmetriájúak lesznek (azaz ugyanolyanok maradnak, ha 72 fokonként elforgatjuk őket), és ötágú csillag alakúakká válnak. így határozza meg a szimmetriasérülés azt, hogy születésükkor milyenek lesznek.

Ehhez hasonlóan, a tudósok azt hiszik, hogy az Univerzum a tökéletes szimmetria állapotából indult, és az összes erő egyetlen erőben egyesült. Az Univerzum szép és szimmetrikus volt, de kevéssé hasznos. Az élet, ahogy azt mi ismerjük, nem létezhetett ebben az állapotban. A szimmetriának sérülnie kellett az Univerzum hűlése során, hogy lehetővé tegye az élet keletkezését.

Szimmetria és a Standard Modell

Hogy megértsük, hogyan nézhetnek ki a párhuzamos univerzumok, először az erős, a gyenge és az elektromágneses kölcsönhatások szimmetriáit kell megértenünk. Az erős kölcsönhatás például három kvarkon alapul, amelyeket a tudósok a fiktív „szín" címkékkel láttak el (például piros, fehér és zöld). Egy olyan egyenletet akarunk felírni, ami ugyanaz marad akkor is, ha ezt a három színt felcseréljük. Azt mondjuk, hogy ezek az egyenletek SU(3) szimmetriájúak, azaz amikor a kvarkokat újra elrendezzük, az egyenlet ugyanaz marad. A tudósok azt gondolják, hogy az SU(3) elmélet tartalmazza az erős kölcsönhatás legpontosabb leírását (ezt kvantum-színdinamikának hívják). Ha lenne egy gigantikus

szuperszámítógépünk, akkor mindössze a kvarkok tömegét és a köztük lévő kölcsönhatás erősségét megadva, a proton és a neutron összes tulajdonságát, valamint a magfizika összes jellemzőjét kiszámíthatnánk.

Ehhez hasonlóan, legyen két leptonunk, egy elektron és egy neutrínó. Ha egy egyenletben kicseréljük őket, akkor az SU(2) szimmetriához jutunk. Vehetjük a fényt is, aminek a szimmetriacsoportja U(l). (Ez a szimmetriacsoport a fény különböző polarizációs komponenseit tudja egymással felcserélni.) A gyenge és az elektromágneses kölcsönhatás szimmetriacsoportja így az SU(2) x U(l).

Ha ezt a három egyenletet egyszerűen egymáshoz illesztjük, akkor az SU(3) x SU(2) x U(l) szimmetriát kapjuk. Más szavakkal, ez a szimmetria keverheti a három kvarkot egymás között és a két leptont szintén egymás között, de nem cserélheti ki a kvarkokat leptonokkal. Az eredményül kapott elmélet a Standard Modell, ami, ahogy korábban láttuk, valószínűleg minden idők legsikeresebb elmélete. Ahogy Gordon Kane (Michigan University) mondta: „Minden, ami a világunkban a gravitáció kivételével történik, a Standard Modell részecske-kölcsönhatásainak az eredménye." Laboratóriumokban a modell egyes jóslatait 1 a 100 millióhoz pontossággal tesztelték. (A Standard Modell darabkáit összerakó fizikusokat végül összesen 20 fizikai Nobel-díjjal jutalmazták.)

Végül lehetséges egy olyan elméletet is megalkotni, amelyik az erős, a gyenge és az elektromágneses kölcsönhatást mindössze egyetlen szimmetriában kombinálja össze. A legegyszerűbb GUTelmélet mind az öt alaprészecskét (a három kvarkot és a két leptont) ki tudja cserélni egymással. A Standard Modelltől eltérően a GUT szimmetriái a kvarkokat fel tudják cserélni a leptonokkal és fordítva (ez azt jelenti, hogy a proton elbomolhat elektronokká). Másképp fogalmazva, a GUTelmélet SU(5) szimmetriájú (mind az öt részecske - a három kvark és a két lepton – átalakulhat egymásba). Az évek alatt sok más szimmetriacsoportot is megvizsgáltak, nyilván az SU(5) a legegyszerűbb, ami az adatokhoz illeszkedik.

Amikor spontán szimmetriatörés következik be, az eredeti GUT-szimmetria többféle módon is véget érhet. Az egyik út során az SU(3) x SU(2) x U(l) állapotba jut, ami pontosan a mi Univerzumunk leírásához szükséges 19 szabad paramétert tartalmazza. Ez szolgáltatja az általunk ismert Univerzumot.

De valójában sokféle más út is létezik, amelyeken a GUT szimmetriája megtörik. A többi univerzum valószínűleg teljesen más maradékszimmetriájú. A végső minimumban ezek a párhuzamos univerzumok a fenti 19 paramétertől teljesen eltérő számú szabad paraméterrel írhatók le. Másképp fogalmazva, a különböző erőfajták erőssége a különböző Univerzumokban különböző lehet, és az univerzumok szerkezetében nagyon eltérő struktú- rához vezet. A magerő gyengülése például megakadályozza a csillagok születését, és ez az egész ottani univerzumot sötétségben hagyja, és az élet is lehetetlenné válik. Ha a magerő túlságosan erőssé válik, akkor a csillagok nukleáris üzemanyagukat olyan ütemben égetik el, hogy az életnek nem lesz elég ideje kifejlődni.

A szimmetriacsoport szintén megváltozhat, és ez egy, a miénktől teljesen eltérő részecskékből álló univerzumot hoz létre. Néhány ilyen univerzumban a proton nem stabil és nagyon gyorsan antielektronná (pozitronná) bomlik el. Az ilyen univerzumokban nem lehetséges az általunk ismert élet, mert gyorsan élettelen elektronok és neutrínók ködévé válik minden. Megint más univerzumok más és más úton törik meg a GUT szimmetriáit, és például a protonhoz hasonló stabil részecskék lesznek bennük.

Egy ilyen univerzumban különös, új kémiai elemek számtalan változata létezhet. Ezekben az univerzumokban a mi életformáinknál sokkal bonyolultabbak is elképzelhetők, több kémiai elemmel, amelyekből DNSszerű molekulák formálódhatnak.

Az eredeti GUT-szimmetria úgy is megsérülhet, hogy egynél több U(l) szimmetriát tartalmaz, azaz a fénynek egynél több formája lesz. Ez egy nagyon különös univerzum lenne, amelynek lakói az erők nemcsak egy, hanem többfajta változatát is „erezhetnék". Egy ilyen univerzumban az élőlények szemeinek sokféle receptorra lenne szüksége ahhoz, hogy a fényszerű sugárzások különböző formáit érzékeljék.

Nem meglepő módon több száz, vagy talán végtelen módja is van annak, hogy a szimmetriák sérüljenek. Mindegyik egy teljesen más univerzumhoz tartozik.

Ellenőrizhető kijelentések

Sajnálatos módon ma lehetetlen a multiverzum elmélet ellenőrzése, a sok-sok bonyolult univerzum mindegyikének különböző fizikai törvényeivel. A fénysebességnél gyorsabban kellene utazni ahhoz, hogy e más univerzumokat elérjük. De az inflációs elmélet egyik előnye az, hogy kijelentéseket tesz a mi Univerzumunkról, és ezek már ellenőrizhetőek.

Mivel az inflációs elmélet kvantumos elmélet, ezért a kvantumfizika alapkövére, a határozatlansági elvre épül. (A határozatlansági elv azt állítja, hogy nem lehet végtelen nagy pontossággal méréseket végezni, például az elektron helyét és sebességét egyidejűleg pontosan megmérni. Mindegy, mennyire érzékeny a mérőberendezés, a mérésekben mindig lesznek bizonytalanságok. Ha tudjuk az elektron sebességét, akkor nem tudjuk a pontos helyzetét; ha a helyét ismerjük, akkor nem tudjuk a sebességét.)

Ha ezt az Ősrobbanást keltő eredeti tűzgolyóra alkalmazzuk, akkor azt kapjuk, hogy az ősi kozmikus robbanás nem lehetett mindenütt egyenletesen „sima". (Ha mindenütt tökéletesen ugyanolyan lett volna, akkor az Ősrobbanásból kilőtt minden egyes szubatomi részecske pontos pályáját ismernénk, ami ellentmond a határozatlansági elvnek.) A kvantumelmélet lehetővé teszi az eredeti tűzgömbben meglévő fluktuációk és fodrozódások méretének kiszámítását. Ha felfújjuk ezeket az apró kvantumfodrokat, akkor ki tudjuk számítani, hogy 380 ezer évvel az Ősrobbanás után a mikrohullámú háttéren hány ilyen kis fodrot kellene látnunk.

(Ha pedig napjainkig nyomon követjük ezeknek a fodroknak a tágulását, a galaxishalmazok jelenlegi eloszlását kellene látnunk. A mi galaxisunk is az ilyen apró fluktuációk egyikéből lett.)

Kezdetben a COBE adataira vetett felületes pillantás nem mutatott sem kitéréseket, sem fluktuációkat a mikrohullámú háttérben. Ez némi aggodalmat okozott a fizikusok körében, mert egy tökéletesen sima mikrohullámú háttér nemcsak az inflációt sértené, de az egész kvantumelméletet is a határozatlansági elv megsértésével. Ez a fizika alapjait rázta volna meg. Az egész 20. századi kvantummechanikát ki lehetett volna dobni. A tudósok nagy megkönnyebbülésére, a számítógéppel felerősített COBE adatok sokkal alaposabb elemzésével a fodrok elmosódott sokaságát lehetett észrevenni, a hőmérsékletben százezred nagyságrendű változások mutatkoztak - ez a minimum, ami még belefér a kvantumelmélet keretei közé. Guth megemlítette, hogy „A kozmikus háttérsugárzás eláraszt minket. A jel azonban olyan gyenge, hogy egészen 1965-ig nem is detektálták, de most már százezredes ingadozásokat mérünk benne."

Noha az inflációt alátámasztó megfigyelési tények lassan gyűlni kezdenek, a tudósoknak meg kellett oldani egy másik gyötrő problémát: Omega értéke miért 0,3 és miért nem 1,0.

Szupernóvák - a lambda visszatér

Szupernóvák - a lambda visszatér as években még zúgolódtak, mert az Omegára elméletileg várt érték és a években még zúgolódtak, mert az Omegára elméletileg várt érték és a ban kezdett véget érni, amikor adatok érkeztek egy teljesen váratlan irányból.

A csillagászok szerették volna a tágulás ütemét nemcsak a mai időben, A csillagászok szerették volna a tágulás ütemét nemcsak a mai időben, as években Hubble is tette, cefeida változócsillagokat vizsgáltak volna, a távoli múltban, milliárd fényévekre lévő galaxisokban fellobbanó szupernóvákat vettek górcső alá. A lényegre szorítkozva, 1a típusú szupernóvákat észleltek, amelyek ideális módon standard gyertyaként használhatók.

A csillagászok tudják, hogy az ilyen típusú szupernóvák közel azonos fényességűek.

(Az 1a típusú szupernóvák fényességét olyan jól ismerik, hogy még a kis eltéréseket is számításba tudják venni: minél fényesebb a szupernóva, annál lassabban csökken a fényessége.) Az ilyen szupernóvák bizonyos kettőscsillag-rendszerekben jönnek létre: egy fehér törpecsillag anyagot szív át a kísérőcsillagáról. A testvércsillaga megevésével a fehér törpe lassan meghízik, egészen addig, amíg a tömege 1,4 naptömeg nem lesz, ami egy fehér törpecsillag lehetséges legnagyobb tömege. Ha egy fehér törpe tömege meghaladja az 1,4 Naptömeget, akkor összeomlik és egy 1a típusú szupernóvarobbanást hoz létre. Ez az egységes határpont az oka annak, hogy az 1a típusú szupernóvák miért olyan egyforma fényességűek: ez természetes következménye annak, hogy a fehér törpe egy pontosan meghatározott tömegértéket ér el és azután összeomlik saját gravitációja alatt.

(Subrahmanyan Chandrasekhar mutatta meg 1935-ben, hogy a fehér törpékben a csillag gravitációját a degenerált elektrongáz nyomása (az elektronok között fellépő taszítóerő) egyensúlyozza ki. Ha egy fehér törpecsillag tömege meghaladja az 1,4 naptömeget, akkor a gravitáció erősebb lesz az elektrongáz nyomásánál, a csillag összeomlik és szupernóvává válik.) Mivel a távoli szupernóvák az Univerzum régmúltjában helyezkednek el, ki lehet számítani, hogy milliárd évekkel ezelőtt milyen volt a tágulás üteme.

Csillagászok két, egymástól független csoportja [az egyiket Saul Perimutter vezette, ez volt a Supernova Cosmology Project, a másik vezetője Brian S. Schmidt volt, ez pedig a High-Z Supernova Search Team, Nagy Vöröseltolódású Szupernóva-kereső csoport névre hallgatott] azt várta, hogy noha az Univerzum egyre tágul, de lassuló ütemben fog tágulni. Csillagászok generációi számára ez alaptétel volt, amelyet minden kozmológiai kurzuson tanítottak - az eredeti tágulásnak fokozatosan lassuló ütemben kell folytatódnia.

Körülbelül egy tucat szupernóva megvizsgálása után azt találták, hogy a korai Univerzum nem tágult olyan gyorsan, mint ahogy azt gondolták (azaz a szupernóvák vöröseltolódása és így a sebességük kisebb volt, mint azt eredetileg gyanították). Amikor kiszámították, hogyan viszonyul a korai Univerzum tágulási sebessége a maihoz képest, azt találták, hogy manapság a tágulás üteme gyorsabb. Némi sokkot okozva, mindkét csoport arra a rendkívüli következtetésre jutott, hogy az Univerzum tágulása gyorsul. Legnagyobb döbbenetükre úgy találták, hogy ezeket az adatokat nem lehet összeegyeztetni Omega semmilyen értékével. Az egyetlen lehetőség az volt, hogy az Einstein által egyszer már bevezetett vákuumenergiát, azaz a Lambdát újra beillesztik az egyenletekbe. Továbbá arra is rájöttek, hogy az Omegát egy szokatlanul nagy Lambda-érték felülmúlja, ami az Univerzumot de Sitter jellegű tágulásra készteti. Egymástól függetlenül mindkét csoport eljutott ezekhez a felismerésekhez, de mindketten vonakodtak közzétenni az adatokat, mivel kényszerítő erejű történeti okokra visszavezethető előítéleteik voltak, miszerint a Lambda értéke nulla. A Kitt Peak Observatoryban dolgozó George Jacoby szerint: „A lambda-ügyet mindig vad elképzelésnek vélték, és ha valaki elég őrült volt ahhoz, hogy azt mondja: nem nulla az értéke, azt elkönyvelték egyfajta bolondnak." Schmidt visszaemlékezése szerint „Megdöbbentett, de hát mindent ellenőriztünk... Vonakodtam elmondani másoknak, mert komolyan attól féltem, hogy véres mészárlás lesz belőle." De amikor 1998-ban mindkét csoport nyilvánosságra hozta az eredményeit, az általuk felhalmozott adatok óriási mennyisége nem volt könnyen figyelmen kívül hagyható. Einstein „legnagyobb tévedése", a Lambda, amelyet a modern kozmológiában majdnem teljesen elfelejtettek, kilencven év száműzetés után látványosan visszatért!

A fizikusok meg voltak döbbenve. A princetoni Institute for Advanced Study munkatársa, Edward Witten mondta, hogy „amióta a fizikában vagyok, ez volt a legkülönösebb kísérleti felfedezés." Amikor Omega 0,3-as értékét összeadták Lambda 0,7-es értékével, akkor - a megfigyelés hibáit is tekintetbe véve - az eredmény hibahatáron belül 1,0 volt, annyi, amennyit az inflációs elmélet jósolt. Mintha csak egy kirakósjáték zajlott volna a szemeink előtt, és a kozmológusok az infláció hiányzó darabját találták volna meg. Magából a vákuumból jött.

Ezt az eredményt látványosan megerősítették a WMAP műhold adatai, amelyek szerint a sötét energia, amit a vákuumhoz rendelünk, az Univerzumban található összes anyag és energia 73%-át teszi ki, ami az egész kirakósjáték legnagyobb darabját jelenti.

Az Univerzum fázisai

A WMAP műhold talán legnagyobb hozzájárulása a tudományhoz az volt, hogy megerősítette a tudósok hitét abban: jó úton haladnak a kozmológia „standard modellje" felé. Noha még mindig nagy hézagok vannak az elméletben, az asztrofizikusok már kezdik látni az adatokból előbukkanó standard elmélet körvonalait. A mostanában elfogadott kép szerint az Univerzum fejlődése különböző állapotokon ment keresztül, ahogy hűlt. Ilyen állapotok közötti átmenet a szimmetriák megtörését és a természet erőinek leválását jelenti. Itt következnek ezek az Ősrobbanás utáni fázisok és mérföldkövek úgy, ahogy ma ismerjük:

1. Planck-korszak: a 10-53-ik másodperc előtt

Szinte semmi biztosat nem tudunk a Planck-korszakról. A Planck-energián (10^19 milliárd elektronvolt) a gravitáció ugyanolyan erős, mint a kvantumhatások.

Ennek következtében a négy erő valószínűleg egyetlen „szupererőben" volt egyesítve. Talán az Univerzum a tökéletes „semmiség"

állapotában volt, vagy egy nagyobb dimenziószámú üres térben. Az a misztikus szimmetria, ami mind a négy erőt elkeverte egymás között ugyanúgy hagyva az egyenleteket, leginkább a „szuperszimmetria" lehetett (a szuperszimmetria tárgyalását lásd a 7. fejezetben). Ismeretlen okból ez a mind a négy erőt egyesítő szuperszimetria megtört, és egy apró buborék formálódott, az akkor még embrióállapotban lévő Univerzumunk, talán a véletlenszerű kvantumfluktuációk eredményeképpen. A buborék mérete a Planck-hosszúság volt, ami 10-33 cm-rel egyenlő.

2. 10-43 másodperc: a GUT-korszak

A szimmetria ekkor megtört, és nagyon gyorsan táguló buborékot hozott létre. Ahogy a buborék felfúvódott, a négy alapvető erőfajta egymásután levált. Először a gravitáció vált el a többi háromtól, ami egy lökéshullámot indított el az Univerzumban. A szupererő eredeti szimmetriája letört egy lejjebb lévő szimmetriába, ami talán tartalmazta az SU(5) szimmetriát.

A megmaradó erős, gyenge és elektromágneses kölcsönhatásokat ekkor még a GUTelmélet SU(5) szimmetriája egyesítette. Az Univerzum ma még tisztázatlan okokból óriási mértékben felfúvódott, talán 10^50-szeresére is, és ebben a fázisban a tér gyorsabban tágult, mint a fénysebesség. A hőmérséklet 10^32 Kelvin.

3. 10-34 másodperc: az infláció vége

A hőmérsékletet 10^27 Kelvinre esik vissza, és az erős kölcsönhatás elválik a másik kettőtől. (A GUT szimmetriacsoport letörik az SU(3) x SU(2) x U(1) szimmetriába.) Az inflációs korszak véget ér, lehetővé téve, hogy az Univerzum megkezdje a Friedmann-féle tágulást. Az Univerzum szabad kvarkok, gluonok és leptonok forró plazmájából állt. Manapság ezek az akkor még szabad kvarkok a protonokba és a neutronokba vannak bezárva. Univerzumunk^9 nagyon kicsi volt, csak a mai Naprendszer méretét érte el. Az anyag és az antianyag kölcsönösen megsemmisítette egymást, de az anyag kicsi túlsúlya az antianyag felett (egymilliárdomod résznyi csak) maga után hagyta a ma általunk látható anyagot. (Ez az az energiatartomány, ami a remények szerint az LHC-val [Large Hadron Collider, Nagy Hadronütköztető] elérhető lesz nemsokára.)

9 Pontosabban annak általunk jelenleg belátott része, a Metagalaxis. (A szaklektor megjegyzése.)

4. 3. perc: kialakulnak az atommagok

A hőmérséklet már eléggé lecsökkent ahhoz, hogy atommagok képződjenek úgy, hogy a magas hőmérsékletet miatt ne essenek azonnal szét. A hidrogén egy része héliummá fuzionált (beállítva a megfigyelt jelenlegi 75% hidrogén/25% hélium arányt). Nyomokban még keletkezett lítium, de mivel az öt részecskéből álló atommagok instabilak, a nehezebb elemek fúziója nem következett be. Az Univerzum még átlátszatlan, a fény a szabad elektronokon szóródik. Ez jelöli ki az ősi tűzgömb végét.

5. 380 000 év: megszületnek az atomok

A hőmérséklet 3000 Kelvinre csökken. Az elektronok az atommagokhoz csatlakoznak, mert többé nem elég nagy a hőmérséklet ahhoz, hogy azonnal leszakítsa őket. A fotonok ezentúl szabadon, elnyelés nélkül repülhetnek. Ezt a sugárzást mérte meg a COBE és a WMAE. A valaha átlátszatlan és plazmával kitöltött Univerzum ettől kezdve átlátszó. Az égbolt világossága sötétté vált.

6. 1 milliárd év: csillagok születnek

A hőmérséklet tovább csökken 18 Kelvinre. A kvazárok, galaxisok és galaxishalmazok elkezdenek sűrűsödni, lényegében mint az eredeti tűzgolyó apró kvantumfodrainak melléktermékei. A csillagok elkezdik „kifőzni" a könnyebb elemeket, mint a szenet, az oxigént és a nitrogént. A robbanó csillagok telehintik a környezetüket vassal és azon túli nehezebb elemekkel. Ez a tőlünk nézve a múltban lévő legtávolabbi korszak, amit a Hubbletávcsővel vizsgálni tudunk.

7. 6,5 milliárd év: de Sitter-féle tágulás

A Friedmann-féle tágulás fokozatosan véget ér, és az Univerzum tágulása belép a gyorsuló fázisba. Ezt de Sitter-féle tágulásnak nevezik. Egy ma még nem teljesen értett antigravitáció-jellegű rejtélyes erő okozza.

8 . 13,7 milliárd év: ma

A jelen. A hőmérsékletet 2,7 Kelvinre csökkent. A galaxisokból, csillagokból, bolygókból stb. álló mai Univerzumot látjuk. Az Univerzum egyre gyorsuló ütemben tágul.

9. A jövő

Noha az infláció az az elmélet, aminek megvan az a tulajdonsága, hogy az Univerzum számos rejtélyét megmagyarázza, ez azonban még nem jelenti automatikusan azt, hogy az elmélet helyes. (Ezen felül még más, rivális elméletek is léteznek, amelyeket a hetedik fejezetben tárgyalunk.) A szuper nóva-eredményt ellenőrizni kell és újra ellenőrizni kell, figyelembe véve olyan tényezőket, mint a por és a szupernóva-jelenség anomáliái. Az inflációs elmélet végső bizonyítékát vagy cáfolatát az Ősrobbanás pillanataiban kibocsátott gravitációs hullámok jelentenék. A mikrohullámú háttérhez hasonlóan ezek a gravitációs hullámok is visszhangként keringenek az Univerzumban, és a gravitációs hullámdetektorokkal ténylegesen észlelni lehetne őket (erről lásd a 9. fejezetet). Az infláció elmélete szerint ezeknek a gravitációs hullámoknak nagyon sajátságos természete van, amit a gravitációshullám-detektoroknak meg kellene találni.

Az infláció legérdekesebb következménye azonban nem ellenőrizhető: ez pedig az univerzumok multiverzumában a „csecsemőuniverzumok" létezése, amelyek mindegyike kicsit más és más fizikai törvényszerűségeknek engedelmeskedik. Hogy a multiverzum jelentőségét lássuk, először azt kell megértenünk, hogy az infláció mind a kvantumelmélet, mind az Einsteinegyenletek összes bizarr következményét tartalmazza. Einstein elméletében van lehetősége a sok univerzum létezésének, a kvantumelméletben pedig a köztük való közlekedés lehetőségét találjuk. Egy új, Melméletnek nevezett teóriában pedig egyszer és mindenkorra a párhuzamos univerzumokról és az időutazásról szóló kérdéseket megoldó elméletet kaphatjuk meg.

MÁSODIK RÉSZ

A multiverzum

5. Dimenziókapuk és időutazás

Minden összeomló fekete lyukban egy új, táguló univerzum csírája van. SIR MARTIN REES

A fekete lyukak nyílások lehetnek a máskorba. Ha belezuhannánk egy fekete lyukba, egyes feltevések szerint újra előbukkannánk az univerzum egy másik pontján és egy másik időpontban... A fekete lyukak talán Csodaország bejáratai. De van-e ott Alice, vagy Fehér Nyúl*? CARL SAGAN

* A Fehér Nyúl az Alice Csodaországban egyik szereplője, aki elviszi Alice-t Csodaországba, majd elkíséri visszaútján.

Az általános relativitáselmélet a trójai falóhoz hasonlít. A felszínen az elmélet nagyszerű. Néhány egyszerű feltevéssel az ember megkaphatja belőle a világűr legfőbb jellemzőit, beleértve az Ősrobbanást és a csillagfény elhajlását nagytömegű objektumok közelében, és ezen elméleti eredmények mindegyikét bámulatos pontossággal igazolták is. Még az infláció is beilleszthető a relativitáselméletbe, ha a korai univerzumot leíró egyenletekbe önkényesen beszúrjuk a kozmológiai állandót. A megoldások megadják nekünk az Univerzum születésének és halálának a lehető legteljesebb leírását.

De ha belesünk a ló belsejébe, démonokat és gonosz szellemeket látunk, beleértve a fekete lyukakat, a fehér lyukakat, a féreglyukakat, meg az időgépeket, amik ellentmondanak a józan észnek. Ezek az anomáliák olyan bizarrnak tűnnek, hogy még maga Einstein is úgy gondolta, hogy ezek nem fordulhatnak elő a természetben. Éveken keresztül kitartóan küzdött az ilyen különös megoldások ellen. Ma már tudjuk, hogy ezek az anomáliák nem egykönnyen hagyhatók figyelmen kívül. Ezek a relativitáselmélet szerves részei. S végül, talán az intelligens életformáknak a Nagy Fagytól való megmenekülését is szolgálhatják.

Mindegyik közül talán a legkülönösebb a párhuzamos univerzumok, és az őket összekötő átjárók létezésének lehetősége. Ha visszaemlékezünk a Shakespeare-től kölcsönvett metaforára, miszerint az egész világ egy színház, akkor az általános relativitáselmélet megengedi csapóajtók és süllyesztők létezését. Ahelyett, hogy ez a csapóajtó az alagsorba vezetne, egy másik, az eredetihez hasonló színpadra visz. Képzeljük el, hogy az élet történetek többszörös színpada, egyik a másik tetején. Mindegyik színpadon a színészek olvassák a szöveget és mozognak a díszletek között azt gondolván, hogy csak az ő színpaduk létezik, megfeledkezve alternatív valóságok létezésének lehetőségéről. De ha egy nap véletlenül keresztülesnének a csapóajtón, magukat egy másik színpadon találnák, teljesen új törvényekkel, új szerepekkel és új forgatókönyvvel.

Ha végtelen számú univerzum létezik, akkor ezekben az univerzumokban lehetségese az élet más fizikai törvények esetén is? Ez az a kérdés, amit Isaac Asimov is feltett híres tudományosfantasztikus művében, Az Istenek is...ben, amelyben egy, a miénktől különböző univerzumot írt le. Új, izgalmas lehetőségek jelennek meg, amikor a fizika megszokott törvényei érvényüket vesztik, és helyükre újak lépnek.

A történet 2070-ben kezdődik, amikor egy tudós, Frederick Hallam felfedezi, hogy a közönséges 186-os volfrámizotóp különös módon a titokzatos plutónium186-tá válik, ami instabil, mert túl sok proton van benne. Hallam gyárt egy elméletet, miszerint ez a titokzatos plutónium egy másik univerzumból érkezik, ahol a magerő sokkal erősebb és ezért egybe tudja tartani ezt az atommagot, legyőzve a sok proton közötti taszítóerőt. Mivel a különös plutónium186 elektronok formájában rendkívüli mennyiségű energiát bocsát ki magából, valójában mesés mennyiségű szabad energiát lehet kinyerni belőle. Ez teszi lehetővé a nevezetes Hallam-féle elektronpumpa elkészítését, ami megoldja a Föld energiaválságát, így Hallam híres emberré válik. De ennek ára van. Ha megfelelő mennyiségű idegen eredetű plutónium186 lép át a mi Univerzumunkba, akkor az nálunk is megnöveli a magerő erősségét. Emiatt a magfúziós folyamatokban több energia szabadul fel, a Nap egyre fényesebb lesz, végül felrobban, és az egész Naprendszert megsemmisíti!

Eközben a párhuzamos univerzumban élő idegeneknek mások a kilátásaik. Az univerzumuk haldoklik. Náluk a magerő nagyon erős, ami miatt a csillagok rettentő gyors ütemben fogyasztják hidrogénjüket és gyorsan meghalnak. Elkészítettek egy eszközt, amivel a használhatatlan plutónium186-ot a mi Univerzumunkba küldik át, kicserélve azt 186-os volfrámizotópra, amit pozitronpumpa működtetésére használnak, és ez megmenti az ő haldokló világukat. Noha észreveszik, hogy a mi Univerzumunkban nő a magerő nagysága, és emiatt itt felrobbannak a csillagok, ez nem érdekli őket.

A Föld úgy tűnik, katasztrófa felé halad. Az emberiség a Hallam-féle ingyenes energia rabja lett, és nem hajlandó elhinni a Nap hamarosan bekövetkező felrobbanását. Egy másik tudós erre szellemes megoldással áll elő. Meg van győződve arról, hogy kell létezniük párhuzamos univerzumoknak.

Sikeresen átalakít egy nagy gyorsítót, ami így lyukat üt a térbe és összeköti Univerzumunkat más univerzumokkal. Keresgél az univerzumok között, és talál egy olyan párhuzamos univerzumot, ami teljesen üres: csak egy végtelen mennyiségű energiát tartalmazó „kozmikus tojás" van benne, a magerő pedig kisebb.

Ebből a kozmikus tojásból átszívja az energiát és ezzel egy új energiapumpát tud építeni. Ezzel egyidejűleg Univerzumunkban csökkenni kezd a magerő nagysága, és ez megóvja a Napot a felrobbanástól. De ennek is ara van: annak a másik párhuzamos univerzumnak a magereje nőni kezd és az az univerzum emiatt felrobban. Ez a tudós úgy gondolkodik, hogy a kozmikus tojás csak „ki lett költve", és a robbanás egy új ősrobbanás volt. Ténylegesen úgy véli, hogy így egy új, táguló univerzum szülőjévé vált.

Asimov elbeszélése egyike annak a nagyon kevés műnek, ahol a magerőt használják fel a kapzsiságról, cselszövésekről és megmenekülésről szóló mesékben. Asimov helyesen tételezi fel, hogy a magerő erőssége megváltozásának katasztrofális következményei lehetnek, hogy a csillagok a mi Univerzumunkban felfényesednének és felrobbannának. Ez elvezet minket a következő, megkerülhetetlen kérdéshez: vajon a más univerzumok a fizika törvényeivel összhangban állnak-e? És ha igen, akkor beléphetünke ezekbe az univerzumokba?

Az ilyen kérdéseken való elmélkedéshez először a féreglyukak és a negatív energiák természetét kell megértenünk, és természetesen a titokzatos fekete lyukakat is.

Fekete lyukak

1783-ban John Michell brit amatőr csillagász elsőként gondolkozott el azon, mi történne akkor, ha egy csillag olyan naggyá válna, hogy a fény sem szökhetne el róla? Tudta, hogy minden objektumhoz tartozik egy „szökési sebesség": ez az a kezdősebebesség, ami ahhoz szükséges, hogy az égitest gravitációs vonzását le lehessen győzni. (A Föld esetében például a szökési sebesség kb. 40 000 km/óra, ezt kell a rakétáknak elérniük, hogy kiszabaduljanak a Föld gravitációjából.)

Michell eltűnődött azon, mi történhet akkor, ha egy csillag tömege annyira megnő, hogy felszínén a szökési sebesség egyenlő lesz a fénysebességgel. A gravitációja akkora nagy lenne, hogy semmi, még a fény sem távozhatna el róla, és ezért az objektum a külvilág számára teljesen fekete lenne. A világűrben ilyen objektumot megtalálni lehetetlennek tűnik, hiszen láthatatlan.

Michell „sötét csillagainak" kérdése nagyjából el is felejtődött úgy másfél évszázadra. De a dolog újra felszínre került 1916-ban, amikor a német hadsereg orosz frontján szolgáló Karl Schwarzschild egy magányos csillag esetére megtalálta az Einsteinegyenletek pontos megoldását. Még ma is a Schwarzschild-megoldás az Einsteinegyenletek legegyszerűbb és legelegánsabb pontos megoldása. Einsteint nemcsak az ejtette bámulatba, hogy Schwarzschild az ágyúlövedékeket kerülgetve képes volt megtalálni az ő bonyolult tenzoregyenleteinek egy megoldását, de az is, hogy a Schwarzschild-megoldásnak különös tulajdonságai vannak.

A pontos Schwarzschild-megoldás nagy távolságban egy közönséges csillag gravitációs terét adja, és Einstein gyorsan felhasználta ezt a megoldást a Nap körüli gravitációs tér meghatározására, hogy ellenőrizze korábbi, még csak közelítő jellegű számításait. Ezért örökké hálás volt Schwarzschildnak. Azonban Schwarzschild második cikkében megmutatta, hogy egy nagyon nagytömegű csillag körül létezik egy furcsa tulajdonságú, képzeletbeli „mágikus gömb". Erről a „mágikus gömb"-ről már nincs visszatérés, a gömb felszíne a „visszanemtérés pontja". Bárki, aki keresztezi a „mágikus gömböt", azt a csillag gravitációja beszívja és soha többé nem látjuk őt. Még a fény sem menekülhet, ha beleesik ebbe a gömbbe. Schwarzschild nem ismerte fel, hogy az Einsteinegyenletek segítségével Michell „sötét csillagait" fedezte fel újra.

Ezután kiszámolta a ma Schwarzschild-sugárnak nevezett távolságot, ami ennek a mágikus gömbnek a sugara. Egy, a mi Napunk tömegének megfelelő nagyságú objektumra ez a sugár körülbelül 3 km. (A Földre a Schwarzschild-sugár kb. egy centiméter.) Ez azt jelenti, hogy ha valaki 3 km sugarúvá nyomná össze a Napot, akkor ilyen sötét csillaggá válna és elnyelne minden tárgyat, ami keresztezi a felszínét.

Kísérleti oldalról ez nem okozott problémát, mert a Napot lehetetlen összenyomni 3 km-es sugarúra. Nem ismertek olyan mechanizmust, ami egy ilyen fantasztikus csillagot eredményezne. Elméleti szempontból viszont ez katasztrófa volt. Noha Einstein általános relativitáselmélete nagyszerű eredményekké vezetett, mint például a Nap környezetében a csillagfény elhajlásának leírása, de az elmélet nem ad értelmes eredményt akkor, amikor magának a mágikus gömbnek a felszínére kerülünk, mivel ott a gravitáció végtelen naggyá válik.

Egy holland fizikus, Johannes Droste később megmutatta, hogy a megoldás még őrültebb. A relativitáselmélet szerint a fénysugár elképesztő mértékben hajlítódna meg, ahogy körbekörbe száguldozik az objektum körül. Másfélszeres Schwarzschild-sugárnál a fénysugár már körpályán halad a csillag körül. Droste kimutatta, hogy nagytömegű objektumok körül az általános relativitáselméletben az időtorzulás sokkal nagyobb, mint a speciális relativitáselmélet szerinti. Rámutatott, hogy ahogy a mágikus gömbhöz a távolból egyre közelebb és közelebb kerülünk, az óra egyre lassabban és lassabban jár, és amikor elérjük a felszínt, akkor az óra megáll.

Valaki, aki a gömbtől nagyon messze van, azt mondhatná, hogy a gömböt megközelítő személy megfagyott az időben, amikor elérte a gömböt. Mivel az idő ennél a pontnál megáll, néhány fizikus úgy hitte, hogy ilyen különös objektumok soha nem létezhetnek a természetben. A dolgokat még érdekesebbé tette, hogy Herman Weyl matematikus megmutatta, hogy ha valaki a világot a gömb belsejéből vizsgálná, akkor számára a túloldal egy másik univerzumnak tűnne.

Mindezek olyan fantasztikus dolgok voltak, hogy Einstein nem is hitte el őket. 1922-ben egy párizsi konferencián Jacques Hadamard matematikus megkérdezte Einsteint, hogy mi történne akkor, ha ez a „szingularitás" valóban létezne, azaz ha a gravitáció a Schwarzschild-sugárnál végtelen nagy lenne. Einstein azt felelte, hogy „Ez végzetes katasztrófa lenne az elmélet számára; és nagyon nehéz lenne előre megmondani, hogy fizikailag mi történhet, mivel a formulák [a szingularitás helyén] többé nem alkalmazhatóak". Einstein később ezt „Hadamard-féle katasztrófának" nevezte. Úgy gondolta, hogy a sötét csillagok körüli nehézségek csak tiszta spekulációk.

Először is, senki nem látott még ilyen bizarr objektumokat, és talán nem is léteznek. Másodszor pedig úgyis halálra zúzná magát az, aki beleesne a gömbbe. És mivel senki sem keresztezheti a gömböt (mivel az idő megáll a felszínén), senki sem léphet be ebbe a párhuzamos univerzumba. Az 1920-as években a fizikusokat nagyon összezavarta ez a probléma. De 1932-ben George Lemaitre, az Ősrobbanás-elmélet atyja, áttörést ért el. Megmutatta, hogy a mágikus gömb nem egy szingularitás, ahol a gravitáció végtelen naggyá lesz; csupán egy matematikai illúzióról van szó, amelyet egy szerencsétlenül használt matematikai eszköz okozott. (Ha valaki más bázisú koordináta-rendszert választ a mágikus gömb vizsgálatához, akkor a szingularitás eltűnik.)

Ennek ismeretében H. P. Robertson kozmológus újra megvizsgálta Droste azon eredményét, hogy a mágikus gömb felszínén az idő megáll. Úgy találta, hogy csak egy olyan megfigyelőtől nézve áll meg az idő, aki pl. egy rakéta belépését figyeli. De a rakéta nézőpontjából tekintve csak a másodperc törtrészéig tart, amíg a rakéta átlépi a gömb határát. Másként fogalmazva ez azt jelenti, hogy a szerencsétlen űrutazónak elég egy pillanat, hogy halálra zúzza magát a mágikus gömb felszínének átlépésekor, de ez egy távoli megfigyelő számára évezredeknek tűnik.

Ez fontos eredmény volt. Azt jelentette, hogy a mágikus gömböt többé nem lehet matematikai szörnyszülöttnek tekinteni és ezért figyelmen kivül hagyni. Komolyan el kellett gondolkozni azon, hogy mi történik akkor, ha valaki keresztezi a mágikus gömb határát. A fizikusok kiszámították, hogy milyen lenne egy utazás képe a mágikus gömbön át. (Manapság a mágikus gömböt eseményhorizontnak nevezik. A horizont a legtávolabbi észlelhető pontra utal. Itt arra a legtávolabbi pontra vonatkozik, ahonnan a fény még eltávozik a fekete lyukból. Az eseményhorizont sugarát nevezik Schwarzschild-sugárnak.)

Ahogy valaki űrhajóval a fekete lyuk felé közelít, a lyuk által évmilliárdokkal korábban befogott fényt láthatja, vissza az időben egészen addig, amikor a fekete lyuk megszületett. A fekete lyuk élettörténete így tárul fel. Ahogy még közelebb kerülünk hozzá, az árapályerők a testünket atomjaira tépik szét, végül az atommagok is spagettiszálként néznek ki. Az eseményhorizonton való átutazás egyirányú út, mivel a gravitáció olyan erős, hogy elkerülhetetlenül mindent beszippant a centrumba, ahol minden összezúzódik. Ami egyszer az eseményhorizonton belülre került, nem tér többé vissza. (Az eseményhorizont elhagyásához a fénysebességnél gyorsabban kellene mozogni, ami lehetetlen.)

1939-ben Einstein egy cikkében megpróbálta elvetni az ilyen sötét csillagok létezését, mondván, hogy nincsen olyan természeti folyamat, amely létrehozhatná őket. Abból indult ki, hogy a csillagok gáz, por és törmelékdarabok kavargó forgatagából, fokozatos összehúzódással alakulnak ki. Megmutatta, hogy e kavargó részecskék áradata nem omlik össze soha a Schwarzschild-sugáron belülre, és így nem válhat fekete lyukká. Még a legszélsőségesebb esetben sem húzódik össze az anyag másfélszeres Schwarzschild-sugáron belülre, nemhogy az alá. (A másfélszeres Schwarzschild-sugáron belülre kerüléshez a fénysebességnél gyorsabban kellene mozognia az anyagnak, és ez nem lehetséges.) „E vizsgálódás lényeges eredménye annak világos megértése, hogy a Schwarzschild-féle szingularitás nem létezik a fizikai valóságban" - írta Einstein.

Arthur Eddingtonnak is erős fenntartásai voltak a fekete lyukakkal szemben, és egy életen át meg volt arról győződve, hogy soha nem is létezhetnek. Egyszer azt mondta, hogy lennie kell „egy természeti törvénynek, ami megóvja a csillagokat attól, hogy ilyen abszurd módon viselkedjenek." Ironikus módon ugyanabban az évben, J. Robert Oppenheimer (aki később megépítette az atombombát) és tanítványa, Hartland Snyder kimutatta, hogy egy egészen más úton mégis keletkezhetnek fekete lyukak.

Ahelyett, hogy a fekete lyuk keletkezését kavargó részecskék gravitációs összeomlásából feltételezték volna, kiindulópontnak egy nagytömegű, öreg csillagot választottak, ami már elhasználta nukleáris üzemanyagát és ezért a saját gravitácója hatására befelé robban. Például egy öreg, haldokló, a Napnál negyvenszer nagyobb tömegű óriáscsillagot üzemanyagának elhasználása után gravitációja a saját Schwarzschild-sugaránál kisebbre

nyomhat össze, úgy 120 kilométer átmérőnyire. Ez a csillag így elkerülhetetlenül fekete lyukká omlik össze. Azt gondolták, hogy a fekete lyukak nemcsak lehetőségek többé, hanem a galaxisban lévő haldokló óriáscsillagok természetes végállapotai. (Évekkel később talán ez adta az inspirációt Oppenheimernek ahhoz, hogy az atombombához befelé történő robbantási mechanizmust használjon.)

Az EinsteinRosen-híd

Noha Einstein kezdetben úgy gondolta, hogy a fekete lyukak létezése olyannyira hihetetlen, hogy nem létezhetnek a természetben, ironikus módon mégis ő volt az, aki rámutatott arra, hogy még annál is különösebbek lehetnek, mint amilyennek bárki gondolhatná. A fekete lyukak szívében ugyanis féreglyukak foglalhatnak helyet. A matematikusok ezt többszörösen összefüggő tereknek nevezik. A fizikusok azért nevezik féreglyukaknak, mert mint a földben fúró féreg, úgy teremtenek rövidítő utat két távoli pont között. Néha átjáróknak vagy dimenziókapuknak is nevezik őket. Akárhogy is hívjuk azonban ezeket, egy nap talán az

interdimenzionális utazás eszközévé válhatnak.

A féreglyukakat elsőként a Lewis Carroll néven író Charles Dodgson népszerűsítette. Az Alice Tükörországban című könyvében a féreglyukakat mint olyan tükröket mutatta be, amik összekötik Oxford vidékét Csodaországgal.

Mint a matematika professzora és oxfordi tanár, tisztában volt a többszörösen összefüggő terekkel. A többszörösen összefüggő tér olyan, hogy benne egy lasszót nem lehet egyetlen pontba összehúzni. Normális körülmények között minden hurkot könnyedén össze tudunk nyomni egy ponttá. De vizsgáljunk egy úszógumit; helyezzük el a lasszót az úszógumi felszínén úgy, hogy a lasszó vegye körbe a gumi közepén lévő lyukat. Ahogy a lasszó hurkát lassan összehúzzuk, észrevesszük, hogy nem lehet egyetlen pontba összehúzni: legjobb esetben is csak a lyuk széléig tudjuk elhúzni.

A matematikusok roppantul örültek neki, hogy találtak valamit, ami a tér ábrázolására használhatatlan. 1935-ben azonban Einstein és egyik tanítványa, Nathan Rosen a féreglyukakat a matematikából a fizika világába helyezte át. Megpróbálták a fekete lyukra kapott megoldást az elemi részecskék modelljeként használni. Einsteinnek soha nem tetszett az a Newton korából származó elképzelés, hogy egy részecskéhez nagyonnagyon közel kerülve, a részecske gravitációs ereje végtelen naggyá válik.

Einstein úgy gondolta, hogy mivel ez nem túl értelmes dolog, az ilyen „szingularitást" el kell távolítani a fizikából.

Az elektront addig egy nagyon apró, struktúra nélküli pontnak képzelték - Einsteinnek és Rosennek az az ötlete támadt, hogy az elektront mint egy kicsi fekete lyukat kell elképzelni. Ily módon az általános relativitáselmélet használható lett volna a furcsa kvantumjelenségek magyarázatára, meg egy egyesített térelmélethez is.

A szokásos feketelyuk-megoldást vették, ami egy hosszú nyakú vázára emlékeztet. Ezután levágták a nyakat, egy másik, fordított feketelyukmegoldással egyesítették. Einstein számára ez fura, de sima konfigurációnak tűnt, ami mentes a szingularitástól a fekete lyuk centrumában, és akár viselkedhetett volna elektronként is.

Sajnos, Einstein ötlete, hogy az elektront egy fekete lyukkal helyettesítsék, elbukott. De manapság a kozmológusok azon töprengenek, hogy az efféle EinsteinRosen-hidak két univerzum között átjárót képezhetnek, szabadon járhatunk-kelhetünk egy univerzumban mindaddig, amíg bele nem esünk egy fekete lyukba, ami hirtelen beszippant, majd a túloldalon felbukkanunk egy fehér lyukon keresztül.

Az EinsteinRosen-híd. A fekete lyuk centrumában egy „nyak" van, ami egy másik univerzum téridejének egy pontjával, vagy a mi Univerzumunk egy egészen másutt lévő pontjával teremt összeköttetést a téridőben. Noha egy stacionárius fekete lyukon való áthaladás végzetes lenne, a forgó fekete lyukaknak gyűrűszerű szingularitásuk van, amin talán lehetséges áthaladni, bár ez ma még erősen spekulatívnak tűnik.

Einstein számára az egyenleteinek bármely fizikailag plauzibilis megoldása megfeleltethető volt egy fizikailag megengedett, netán tényleg létező objektumtípusnak. De őt nem izgatta, hogy valaki beleesik egy fekete lyukba és egy másik univerzumba kerül. A centrumban az árapályerők végtelen naggyá válnak, és a gravitációs mező mindenkit, aki olyan szerencsétlen, hogy egy fekete lyukba esik, atomjaira szakít szét. (Az EinsteinRosen-híd pillanatokra kinyílik ugyan, de olyan gyorsan be is zárul, hogy egyetlen objektum sem tud elég gyorsan mozogni ahhoz, hogy átérjen a túloldalra.) Einstein úgy tartotta, hogy noha féreglyukak talán léteznek, élő teremtmény soha nem mehet át rajtuk, és ezért nem is tudja elmondani, milyen is az.

Háborgó fekete lyukak

Ez a kép 1963-ban kezdett megváltozni, mert az új-zélandi Roy Kerr megtalálta az Einsteinegyenletek egy másik pontos megoldását, azt a megoldást, ami talán a legvalóságosabban írja le egy haldokló csillag végállapotát, a forgó fekete lyukat. A perdületmegmaradás tétele miatt, ha egy csillag mérete kisebbé válik, akkor gyorsabban fog forogni. (Ugyanebből az okból a forgó galaxisok a papírforgókhoz hasonlóaknak látszanak, és a korcsolyázók ugyanezért pörögnek gyorsabban, ha karjaikat behúzzák.) Egy forgó csillag neutronok gyűrűjévé omolhat össze, ami stabil maradhat, mert a kifelé ható centrifugális erő ellensúlyozhatja a befelé ható gravitációs vonzóerőt. Az ilyen fekete lyukak egyik rokonszenves tulajdonsága az volt, hogy ha valaki beleesik egy Kerr-féle fekete lyukba, nem feltétlenül zúzza magát halálra benne. Ehelyett egy Einstein-Rosenhídon keresztül teljesen átszívódhat egy párhuzamos univerzumba! „Keresztülhaladsz ezen a mágikus gyűrűn és - hoppá! - egy teljesen másik univerzumban vagy, ahol a sugár és a tömeg negatív!" - magyarázta Kerr egy kollégájának, amikor ezt a megoldást felfedezte.

Alice tükrének a kerete tehát Kerr forgó gyűrűjéhez volt hasonlatos. De a Kerr-gyűrűn való bármiféle átutazás csak egyirányú utazás lehet. Ha valaki keresztezné a Kerr-gyűrűt övező eseményhorizontot, a gravitáció nem lenne elég erős, hogy halálra zúzódjék az illető, de ahhoz azért elég nagy lenne, hogy megakadályozza a visszautat az eseményhorizonton innenre. (Ténylegesen a Kerr-féle fekete lyuknak két eseményhorizontja is van. Néhányan azon gondolkodtak, hogy a mi Univerzumunkba való visszatéréshez szükség lenne egy második Kerr-gyűrűre is, ami a párhuzamos univerzumot visszaköti a miénkhez.) Bizonyos értelemben a Kerr-típusú fekete lyuk egy felhőkarcolóban működő felvonóhoz hasonlít. A felvonó jelenti az EinsteinRosen-hídat, ami különböző emeleteket köt össze, és minden emelet egy másik univerzum. Legyen a felhőkarcolóban végtelen sok emelet, és mindegyik kicsit más, mint a többi. A felvonó olyan, hogy nem mehet lefelé. Csak „fel" gomb van elhelyezve benne. Ha egy emeletet elhagyunk, soha nem térhetünk vissza arra az emeletre, mivel „keresztülmentünk az eseményhorizonton".

A fizikusok véleménye megoszlott a Kerr-gyűrű stabilitását illetően. Egyes számítások azt mutatják, hogy ha valaki megpróbálna a gyűrűn áthatolni, az illető relatíve kis tömege is elegendő lenne ahhoz, hogy a fekete lyukat destabilizálja és az átjáró bezárulna. Ha például egy fénysugár menne egy Kerr-típusú fekete lyukba, akkor a centrum felé haladva kékeltolódik és energiája roppant nagy mértékben nőni fog, mivel nő a frekvenciája és így az energiája is. Amint közeledik a horizont felé, akkora nagy energiára tehet szert, hogy egymaga bárkit elpusztíthat, aki megkísérli az EinsteinRosen-hídon való átkelést. Ezenkívül létrehozná a saját maga gravitációs terét is, ami interferálhat a fekete lyuk eredeti terével, és ez az átjáró megsemmisülését idézheti elő.

Összefoglalva, míg sok fizikus azt gondolja, hogy a Kerr-típusú fekete lyuk az összes fekete lyuk közül a legrealisztikusabb, és összekötheti a párhuzamos univerzumokat, egyáltalán nem világos, hogy mennyire biztonságos rálépni erre a hídra, és az sem, hogy maga az ajtónyílás mennyire stabil.

Fekete lyukak észlelése

A fekete lyukak tulajdonságai olyannyira különlegesek, hogy még olyan későn is, mint az 1990-es évek eleje, tudományosfantasztikus dolognak tekintették. „Ha tíz évvel ezelőtt találtál valamit, amit egy galaxis közepén lévő fekete lyuknak véltél, a területen dolgozók fele enyhén flúgosnak nézett téged" - jegyezte meg 1998-ban a University of Michigan egyik csillagásza, Douglas Richstone. Azóta a csillagászok a Hubbleűrtávcsővel, a Lumdra röntgenműholddal (ami a csillagok és a galaxisok által kibocsátott kis röntgensugárzást méri), a Very Large Array nevű rádiótávcső-rendszerrel (ami Új-Mexikóban sok érzékeny rádiótávcsőből áll) több száz fekete lyukat azonosítottak a világűrben. A legtöbb csillagász úgy gondolja, hogy az égbolt legtöbb galaxisának centrumában fekete lyuk van.

Ahogy azt előrejelezték, az űrben talált fekete lyukak mindegyike nagyon gyorsan forog; némelyikük a Hubbleűrtávcsővel végzett (közvetett a fordító) mérések szerint másfél millió km/óra sebességgel fordul meg a tengelye körül. A középpontban pedig egy lapult, körszerű, gyakran fényévnyi átmérőjű magot lehet látni. Azon a magon belül helyezkedik el az eseményhorizont, azaz a fekete lyuk maga.

Mivel a fekete lyuk láthatatlan, a csillagászok közvetett módszereket használnak létezésük igazolására. Először megpróbálják a felvételeken a fekete lyuk körül örvénylő gáz által alkotott tömegbefogási korongot (akkréciós diszket) azonosítani. (Ilyen diszkeket az Univerzum szinte minden gyorsan forgó objektumánál találtak. Még a mi Napunk is ehhez hasonló korongból született 4,5 milliárd évvel ezelőtt, és ebből a diszkből lettek később a bolygók is. A korongok kialakulásának az az oka, hogy az ilyen gyorsan forgó objektumoknak ez a legalacsonyabb energiaállapota.) A Newton-törvényeket használva, a csillagászok ezután a központi objektum körül keringő csillagok sebességéből kiszámítják a központi objektum tömegét. Ha a központi objektum tömegéhez tartozó szökési sebesség egyenlő vagy nagyobb a fénysebességnél, akkor még a fény sem szökhet el róla, és ez egy fekete lyuk létezésének közvetett bizonyítékát

adja. (E számításhoz ismerni kell, vagy legalábbis felső határt kell adni a központi objektum sugarára is - a felső határt általában könnyen meg lehet adni. A fordító)

Az eseményhorizont az akkréciós korong közepén fekszik. (Sajnos az eseményhorizont túl kicsi méretű ahhoz, hogy a jelenleg elérhető technikákkal azonosítsuk. A csillagász Fluvio Melia a fekete lyuk eseményhorizontjának egy felvételen való megörökítését a feketelyuktudomány „Szent Gráljának" nevezte.) Nem az összes gáz lépi át az eseményhorizontot és hullik bele a fekete lyukba. Egy része elkerüli az eseményhorizontot, és nagy sebességre szert téve kilövődik az űrbe, és két, a fekete lyuk északi és déli pólusától messzire elnyúló nyalábokat hoz létre. Ez eredményezi, hogy a fekete lyuk úgy néz ki, mint egy búgócsiga.

(Valószínűleg a fekete lyukat létrehozó összeomló csillag mágneses terében keresendő annak oka, hogy miért éppen így lövődnek ki a nyalábok. Az összeomló csillag mágneses erővonalai nemcsak erősebbek lesznek, de az északi és a déli pólusok irányában erősen koncentrálódnak. Ahogy a csillag összeomlása folytatódik, a mágneses erővonalak két nyalábba

összpontosulnak, amelyek a két pólustól haladnak kifelé. Amikor ionizált részecske esik az összeomlott csillagra, akkor követni kezdi ezeket a nagyon szűk nyalábban lévő mágneses erővonalakat, és az északi, valamint a déli mágneses pólusokon keresztül nyalábszerűen [azaz Jetként] kilövődik.)

A fekete lyukak két típusát azonosították. Az első a csillagtömegű fekete lyuk, amikben a haldokló csillagot a gravitáció késztette egy befelé történő robbanásra. A másik típust azonban könnyebb észrevenni. Ezek a nagyon nagytömegű fekete lyukak, amelyek az óriási galaxisok és kvazárok középpontjában leskelődnek, tömegük pedig millió-milliárd naptömeg. Nemrégiben a Tejútrendszer centrumában azonosítottak meggyőzően egy fekete lyukat. Sajnos, a galaxis középpontját porfelhők takarják el előlünk; ha ez nem így lenne, akkor minden éjszaka láthatnánk a Sagittarius csillagkép irányában egy óriási tűzgolyót. Por nélkül a Tejútrendszer centruma valószínűleg a Hold fényességét is túlragyogná és az égbolt legfényesebb objektuma lenne. A galaxis magjának közepén lévő fekete lyuk tömege körülbelül 2,5 millió naptömeg. A mérete a Merkúr pályájának nagyjából az egytizede. Extragalaktikus méretekben gondolkodva ez a fekete lyuk nem különösebben nagy: a kvazárokban néhány milliárd naptömegű fekete lyukak is előfordulhatnak. A mi „hátsóudvarunkban" lévő fekete lyuk manapság nyugodt periódusát éli.

A második legközelebbi galaktikus méretű fekete lyuk a hozzánk legközelebbi másik nagy galaxisban, az Androméda-galaxis közepén található. Tömege 30 millió naptömeg és Schwarzschild-sugara mintegy 100 millió kilométer. (Az Androméda-galaxis centrumában legalább két nagytömegű objektum van, valószínűleg az Androméda-galaxis által milliárd évekkel ezelőtt elnyelt másik galaxis maradékaként. Amikor majd több milliárd év múlva a Tejútrendszer ütközik az Androméda-galaxissal - ami nagyon valószínűnek látszik -, akkor a mi galaxisunk feltehetően az Androméda-galaxis „gyomrában" köt majd ki.)

Az extragalaktikus fekete lyukak egyik legszebb felvételét a Hubbleűrtávcső az NGC 4261 jelű galaxisban lévőről vette fel. E galaxis korábbi rádiótérképei már mutattak a galaxis északi és déli pólusa felé törő két kecses nyalábot, de senki sem tudta, mi hozta ezeket létre. A Hubbleűrtávcsővel a galaxis közepének nagyon szűk környezetét fényképezték le, és egy 400 fényév átmérőjű gyönyörű korongot sikerült felfedezniük. Ennek legeslegközepén pedig egy apró pontocskát, amelyben a mintegy fényévnyi méretű akkréciós diszk van. A Hubbleűrtávcsővel nem látható központi fekete lyuk tömege hozzávetőleg 1,2 milliárd naptömeg.

A nagyon nagytömegű fekete lyukak olyan erősek, hogy akár egész csillagokat is képesek elfogyasztani. A NASA és az ESA (Európai Űrkutatási Ügynökség) 2004-ben bejelentette, hogy megfigyelték, amint egy távoli galaxis óriási fekete lyukja egyetlen slukkra lenyelt egy csillagot. A Chandra röntgenműhold és az XMM-Newton európai műhold ugyanazt a jelenséget észlelte: az RX J1242-11 galaxis egy röntgenkitörést produkált, amikor a centrumában lévő fekete lyuk felfalt egy csillagot. E fekete lyuk tömegét 100 millió naptömegűnek becsülik. A számítások szerint amikor egy csillag veszélyesen megközelíti egy fekete lyuk eseményhorizontját, a hatalmas gravitáció eredményeképpen előbb eltorzul az alakja, jelentően megnyúlik, majd a csillagot az árapályerők széttépik, aminek bekövetkeztéről egy röntgenkitörés küld árulkodó jeleket. „Ez a csillag addig nyúlt, mígnem szétszakadt. Ez a szerencsétlen csillag egyszerűen rossz környéken sétálgatott" - mondta Stefanie Komossa, aki Németország Garching nevű városkájában, a Max Planck Intézetben dolgozik.

A fekete lyukak létezésének kimutatása több régi titokzatos rejtélyt megoldott. Például az M87 jelű galaxis mindig is különlegesnek számított, mert úgy néz ki, mint egy csillagokból álló hatalmas gömb, amelyből egy furcsa „farok" nyúlik ki. Mivel a csóvából bőségesen érkezik sugárzás, egy időben a csillagászok úgy gondolták, hogy antianyagból áll. De ma a csillagászok úgy találják, hogy egy hozzávetőleg 3 milliárd naptömegű óriási fekete lyuk szolgáltatja az energiát a csóvához. A különös csóváról úgy hiszik, a galaxisból eltávozó plazmából áll.

A fekete lyukakkal kapcsolatos egyik legfigyelemreméltóbb felfedezést a Chandra röntgenműhold tette, amikor a világűrben köröttünk lévő por kis üregein átpillantva, a belátható Univerzum széléhez közel fekete lyukak sokaságát sikerült észlelnie. Összesen hatszáz fekete lyukról tudunk. Ebből az adatból a csillagászok úgy becsülik, hogy az egész égbolton legalább mintegy 300 millió fekete lyuk van.

Gammakitörések

Az előzőekben említett fekete lyukak talán néhány milliárd évesek is lehetnek.

A csillagászoknak ritkán alkalmuk nyílik arra, hogy a szemük előtt keletkező fekete lyukakat lássanak. Talán ilyenek a misztikus gammakitörések, amelyekben óriási mennyiségű energia szabadul fel. Az energiafelszabadítás terén a hatalmas gammakitörések az Ősrobbanás után a második legnagyobbak az Univerzumban.

A gammakitöréseknek a hidegháborúra visszanyúló érdekes története van. Az 1960-as évek végén az Egyesült Államok attól tartott, hogy a létező nemzetközi szerződéseket megszegve a Szovjetunió vagy valamely más hatalom a Föld elhagyatott sivatagaiban vagy a Holdon nukleáris bombát robbant. Ezért az USA felbocsátotta a Vela műholdakat, amelyek a jellegzetes nukleáris villanásnyomokat, azaz tiltott nukleáris robbantások jeleit keresték. Az atomfegyverek csak rájuk jellemző mikromásodpercnyi hosszúságú kettős csúcsokat keltenek a gammatartományban, amit a műholdak észlelni tudnak. (A Vela műholdak az 1970-es években a Dél-Afrika partjainál fekvő Prince Edward-szigeteknél felfogtak két ilyen felvillanást, de a hírszerzők a mai napig vitatkoznak ezeknek a megfigyeléseknek az értelmezésén.)

Ami a Pentagont megijesztette, az az volt, hogy a Vela műholdak a világűrben végbemenő hatalmas nukleáris robbanások jeleit fogták fel. Vajon a Szovjetunió egy mások előtt ismeretlen, nagyon fejlett technológiát használva titokban hidrogénbombákat robbantgat a távoli világűrben? Mivel így a szovjetek meghaladnák az Egyesült Államok fegyvereinek színvonalát, vezető tudósokat vontak be ezeknek a zavaró jeleknek a vizsgálatába. A Szovjetunió felbomlása után ezeket az információkat már nem kellett titokban tartani, ezért hát a Pentagon a világ csillagászaira adatok tömegét zúdította, ami elsöprő hatást váltott ki. Évtizedek óta először történt meg, hogy egy hatalmas erejű, teljesen új csillagászati jelenséget fedeztek fel. A csillagászok gyorsan felismerték, hogy ezek a gammakitörések - ahogy ők elnevezték - titáni erejűek voltak, egyetlen másodperc alatt annyi energia szabadult fel, amennyi a Nap egész életében (azaz 10 milliárd év alatt). A jelenség azonban gyorsan tovatűnt: ha egyszer észrevették a Vela műholddal, mire a földi távcsöveket a gammakitörés irányába állították annyira elhalványodott, hogy a nyomában semmi nem volt látható. (A legtöbb kitörés 1 és 10 másodperc ideig tartott, a legrövidebbek csak 0,01 másodpercig, néhány pedig percekig is eltartott.) Mára űrtávcsövek, számítógépek és gyorsan reagáló kutatócsoportok révén a gammakitörések észrevételének lehetősége megváltozott.

Naponta átlagosan három alkalommal észlelnek gammakitörést, ami események bonyolult láncolatát indítja el. Amint a műhold detektálja egy kitörés energiáját, a csillagászok számítógépekkel azonnal meghatározzák a kitörés pontos koordinátáit, majd sok távcsövet és érzékelőt fordítanak pontosan feléje.

Az ezekről a berendezésekről érkező adatok valóban bámulatba ejtő eredményeket adtak. A gammakitörések szívében fekvő objektumok mérete csak néhányszor tíz kilométer. Másként fogalmazva, a gammakitörések elképzelhetetlenül hatalmas ereje egy New York városának megfelelő méretű helyre koncentrálódik. Éveken át az ilyen események kiváltó okaként egy kettőscsillag-rendszerben összeütköző két neutroncsillagot gondoltak. Az elképzelés szerint a két neutroncsillag egymás körüli pályájának a mérete folyamatosan csökkent, és egy halálos spirálban haladtak egymás felé. Végül összeütköztek és gigászi energiafelszabadulás következett be. Az ilyen események szélsőségesen ritkák, de mivel az Univerzum hatalmas, és mert ezek az események az egész Univerzumot bevilágítják, minden nap látható belőlük néhány.

2003-ban azonban a tudósok új bizonyítékokat gyűjtöttek, amik arra utaltak, hogy a gammakitörések inkább a „hipernóvák"-tól származnak, amelyek fekete lyukat hagynak maguk után. A gammakitörések irányába gyorsan beállított távcsövek ugyanis egy szupernóvára hasonlító fénylést találtak. Mivel a felrobbanó csillagnak nagyon erős mágneses tere van, ami a csillag északi és a déli pólusának irányába tereli a sugárzást, úgy tűnt, hogy egy szupernóva a normálisnál fényesebbnek és nagyobb energiájúnak látszhat, mint amilyen valójában. Ezeket a kitöréseket tehát mi csak akkor észleljük, ha pontosan a Föld felé irányulnak. A kitörés energiája nem mindenfelé oszlik el az égbolton, hanem csak a kitörés irányaira: emiatt az a téves benyomásunk támadhat, hogy ez az objektum fényesebb, mint amilyen valójában.

Ha a gammakitörések valóban kialakulóban lévő fekete lyukak, akkor az űrtávcsövek következő generációjának már képesnek kell lennie a nagyon részletes vizsgálatukra, és talán az időt és a teret illető legnagyobb kérdéseinkre is választ adnak majd. Például arra, hogy ha a fekete lyukak perec alakúra görbíthetik a teret, akkor vajon az időt is meghajlíthatjáke?

Van Stockum időgépe

Einstein elmélete a teret és az időt elválaszthatatlanul, megbonthatatlan egységbe köti össze. Eredményeképp bármelyik féreglyuk, amelyik összeköti a tér két pontját, összeköthet két távoli pontot az időben is. Másként fogalmazva, Einstein elmélete lehetővé teszi az időutazást.

Magának az időnek a fogalma évszázadokon át fejlődött. Newton szerint az idő egy nyílhoz volt hasonlatos: egyszer kilőtték, és sohasem változtatta meg az irányát, egyenesen és irányt nem tévesztve tartott célja felé. Einstein viszont a görbült tér koncepcióját vezette be, és így az idő inkább egy folyóhoz volt hasonlatos, ami felgyorsul és lelassul, ahogy az Univerzumban cikázik. De Einsteint aggasztotta a lehetőség, hogy talán az idő folyama ugyanoda visszagörbülhet, ahonnét elindult - visszatérhet önmagába. Talán elágazások és örvények is vannak az idő folyójában.

Ezt a lehetőséget W. J. Van Stockum ismerte fel 1937-ben, amikor az Einsteinegyenletek egy olyan megoldását találta meg, amelyik megengedte az időutazást. Ő egy forgó, végtelen hengerből indult ki. Noha fizikailag lehetetlen végtelen magasságú hengert építeni, mégis kiszámolta, hogy ha egy ilyen henger közel fénysebességgel vagy éppen fénysebességgel forog a tengelye körül, akkor magával ragadná a téridő szövetét, ugyanúgy, ahogy a turmixgép lapátjai a köztük lévő masszát. (Ezt a jelenséget „frame-dragging"-nek nevezik, és a forgó fekete lyukak környezetéről készített felvételeken meg is figyelték.)

Aki elég bátor ahhoz, hogy a henger körül utazzék, az fantasztikus sebességet érne el. Egy távoli megfigyelő számára úgy tűnne, mintha ez a személy túllépné a fénysebességet. Bár maga Van Stockum akkor nem vette észre, de a henger körül egy teljes kört téve az illető visszamenne az időben, korábban érne vissza, mint amikor elindult. Ha például valaki délben indul, mire visszaér a kiindulási pontjára, már csak az előző este 6 óra van. Minél gyorsabban forog ez a henger, annál korábbra fog visszatérni az utazó (az egyetlen korlát csak az, hogy a visszatéréskor az időpont nem lehetett korábbi, mint a henger keletkezésének az időpontja.)

A henger a májusfához hasonlít, és ahányszor körbetáncolja az utazó, egyre korábbra és korábbra megy vissza az időben. Az ilyen megoldásokat természetesen figyelmen kívül hagyhatjuk, egyrészt, mert egy henger nem lehet végtelen hosszú, másrészt, ha egy ilyen hengert mégis megépítenénk, a közel fénysebességgel történő forgása miatt a centrifugális erők olyan nagyok lennének, hogy a henger anyaga szétrepülne.

Gödeluniverzum

A nagy matematikus és logikus Kurt Gödel az Einsteinegyenletek még furább megoldását találta meg 1949-ben. Feltételezte, hogy az Univerzum forog. Van Stockum hengeréhez hasonlóan a téridő masszaszerűen magához ragadja az utazót. Ha rakétával megyünk a Gödeluniverzum körül körbe, akkor visszatérünk a kiindulási helyünkhöz, de az időben korábbra kerülünk.

Gödel univerzumában egy személy elviekben a tér és az idő bármely két pontja között közlekedhet. Bármely időszakban, minden eseményhez oda lehet menni, függetlenül attól, milyen messze van a múltban. A Gödeluniverzum a gravitáció miatt hajlamos arra, hogy összeomoljon. Ezért a centrifugális erőnek kell a gravitációs erőt kiegyensúlyoznia. Más szavakkal, az univerzumnak egy bizonyos sebességgel kell forognia. Minél nagyobb ez az univerzum, annál hajlamosabb az összeomlásra, és az összeomlás megelőzése céljából annál gyorsabban kellene forognia.

Például egy akkora univerzumnak, mint a mienk, Gödel számításai szemit minden 70 milliárd évben egyszer kellene megfordulnia, és az időutazáshoz szükséges minimális sugár 16 milliárd fényév lenne. Az időben történő visszamenetelhez éppen a fénysebesség alatti sebességgel kellene haladni. Gödel kellőképpen elővigyázatos volt azokkal a paradoxonokkal kapcsolatban, amelyek a megoldásából következtek: például hogy a múltban

találkozhatunk önmagunkkal és megváltoztathatjuk a történelem menetét. „Ha egy elég tág sugarú körutazást tennénk egy rakétán, ezekben a világokban lehetséges a múlt, a jelen és a jövő bármely régiójába elmenni és onnan visszajönni, pontosan ugyanúgy, ahogy lehetséges más világok távoli részeire utazni" - írta. „A dolgok ilyen állása abszurdumokat szül. Például megengedett, hogy valaki a közelmúltban azokra a helyekre menjen vissza, ahol ő maga is élt. Ott találhatna egy személyt, aki ő maga lenne, de életének egy korábbi szakaszában. Ott csinálhatna ezzel a személlyel valamit, ami emlékezete szerint nem történt meg saját magával a múltban."

Einsteint mélyen összezavarta a megoldás, amit barátja talált, aki a Princetonban lévő Institute of Advanced Studyban szomszédja is volt. Válasza nagyon jellemző: Véleményem szerint Kurt Gödel esszéje nagyon fontos hozzájárulás az általános relativitáselmélethez, különösen az idővel kapcsolatos elgondolások vizsgálatához. Az itt felvetett probléma engem is megzavart már az általános relativitáselmélet megalkotása idején, és nem sikerült tisztáznom... A „korább-később" megkülönböztetés megszűnik azokra a világpontokra, amelyek kozmológiai értelemben távol esnek egymástól, és felmerülnek azok az oksági kapcsolat irányát illető paradoxonok, amelyekről Gödel úr értekezett... Érdekes lesz megfontolni, hogy ezeket fizikai alapon vajon kizárhatjuk-e vagy sem.

Einstein válasza két okból érdekes. Először is beismerte, hogy amikor az általános relativitáselméletet megfogalmazta, már akkor zavarta őt az időutazás lehetősége. Mivel a tér és az idő - mint egy nyújtható és hajlítható gumi darabkái - egymáshoz van kötve, Einstein aggódott, hogy a téridő szövete annyira meghajolhat, hogy az időutazás lehetségessé válik. Másodszor, elutasította Gödel megoldását „fizikai alapokon" - mivelhogy az Univerzum tágul, nem pedig forog.

Einstein halála után már széles körben ismertté vált, hogy egyenletei megengedik egy sor különös jelenség (időutazás, féreglyukak) felléptét, de senki sem szentelt ezeknek túl nagy figyelmet, mert a tudósok úgy érezték, a természetben ezek nem fordulnak elő. Egyetértettek abban, hogy ezeknek a megoldásoknak a valós világban nincs alapjuk; meghalnánk, ha egy párhuzamos univerzumot egy fekete lyukon keresztül próbálnánk megközelíteni; az univerzum nem forog; és nem készíthetünk végtelen magasságú hengert, így az időutazás akadémikus kérdéssé vált.

Thorne időgépe

Az időutazás kérdése 35 évre, egészen 1985-ig álomba merült, amikor is Carl Sagan csillagász megírta Kapcsolat című regényét, amelyben hősnőjét a Vega nevű csillagra szerette volna elutaztatni. Ez egy kétirányú utazást igényelt volna: a hősnő először a Vegára utazik, utána pedig vissza a Földre, és ez olyasvalami, amit a fekete lyukakhoz kapcsolt féreglyukak nem tesznek lehetővé. A szerző Kip Thorne fizikushoz fordult segítségért. Thorne sokkolta a fizikus világot azzal, hogy az Einsteinegyenletek olyan új megoldását találta meg, amelyek mentesek voltak az előzőekben említett legtöbb problémától, és mégis lehetőség volt benne az időutazásra.

1988-ban két kollégájával, Michael Morrisszal és Ulvi Yurtseverrel együtt megmutatták, hogy lehetséges építeni időgépet, ha valaki valahogy az energia és az anyag különös formájához, az „egzotikus negatív anyaghoz" és „negatív energiához" jut. Ezzel az új megoldással szemben a fizikusok szkeptikusok voltak, mivel senki sem látta még ezt az egzotikus anyagot, és a negatív energia is csak pillanatokra kel életre. Ugyanakkor ez áttörést jelentett az időutazás megértésében.

A negatív anyag és a negatív energia nagy előnye, hogy a féreglyukakat megfordíthatóvá alakítja, és így az eseményhorizontok között mindkét irányban utazás tehető. Thorne csoportjának eredményei szerint az ilyen időgépekben való utazás nagyon nyugodalmas lenne, csak annyi stressz érne minket, mint egy közönséges földi repülőút alkalmával.

Az egyetlen probléma viszont éppen az, hogy ez az egzotikus anyag (vagyis a negatív anyag) rendkívül extrém tulajdonságú. Ellentétben az antianyaggal (ami létezik, és a Föld felszíne felé esik a gravitációs erő hatására), a negatív anyag felfelé szállna, a Föld gravitációját legyőzve repülne, mivel antigravitációs tulajdonságú lenne. A közönséges anyag a negatív anyagot nem vonzaná, hanem eltaszítaná. Ez azt is jelenti, hogy a természetben nagyon nehéz lenne megtalálni, ha egyáltalán létezik. Amikor 4,5 milliárd évvel ezelőtt a Föld keletkezett, ha volt is itt negatív anyag, akkor messze a világűrbe elsodródott. Ezért talán az űrben van negatív anyag, messze mindegyik bolygótól. (A negatív anyag feltehetően soha nem ütközik egyetlen csillaggal vagy bolygóval sem, mert a közönséges anyag eltaszítja.)

Míg negatív anyagot soha senki nem látott (és nagy valószínűséggel nem is létezik), addig a negatív energia fizikailag lehetséges, de roppant ritkán fordul elő. Henrik Casimir 1933-ban rámutatott, hogy két, elektromosan töltetlen, egymással párhuzamos fémlap kelthet negatív energiát. Alapesetben azt várnánk, hogy a két fémlap nyugodtan megmarad a helyzetében, mivel töltetlenek. De Casimir megmutatta, hogy egy gyenge vonzóerő mégis van a két lap között. 1948-ban ezt az aprócska vonzóerőt ki is mérték, bizonyítva, hogy a negatív energia valós lehetőség. A Casimireffektus a vákuumban rejlő bizarr lehetőséget aknázza ki. A kvantumelmélet szerint az üres térben „virtuális részecskék" hemzsegnek, amelyek kilépnek a semmiből, majd visszalépnek oda. Az energiamegmaradás elvének ez a kis sérülése Heisenberg határozatlansági elve miatt lehetséges, ami megengedi a dédelgetett klasszikus törvények egyetlen rövid pillanatig tartó megsértését.

Például a határozatlansági elv miatt a semmiből - kis valószínűséggel - egy elektron és egy antielektron keletkezhet, de utána megsemmisítik egymást. Mivel a fent emlegetett párhuzamos lapok egymáshoz nagyonnagyon közel vannak, a két lap között csak nagyon nehezen jöhetnek létre részecskék a semmiből, így, mivel a lemezeket körbevevő külső térben sokkal több virtuális részecske van, mint a lemezek között, ez egy befelé ható erőt hoz létre, amely kívülről befelé, egymás felé nyomja a lemezeket. Steven Lamoreaux a Los Alamos National Laboratoryban ezt az effektust 1996-ban nagyon pontosan kimérte. Az általa mért erő nagysága nagyon kicsi volt (nagyjából egy hangya súlyának a harmincezred részével volt egyenlő). Minél kisebb a lapok közötti távolság, annál nagyobb a keletkező erő.

Itt áll előttünk, hogy a Thorne által megálmodott időgép hogyan is működhetne. Egy nagyon fejlett civilizáció két párhuzamos lapot készít, amelyek között csak nagyonnagyon kis távolság van. Ezt a két lapot aztán egy gömbbé hajlítják, a gömbnek így egy belső és egy külső héja lesz. Ezután csinálnak még egy ilyen gömböt; majd valahogy egy féreglyukat keltenek a két gömb között, és így a térben létrejövő alagút összeköti a két gömböt. Mindkét gömb a féreglyuk egy-egy bejárataként fog szolgálni. Alaphelyzetben az idő a két gömbben szinkronban van. De ha az egyik gömböt egy közel fénysebességgel haladó rakétahajóra tesszük, akkor mivel a rakétában az idő lelassul - a két gömb közötti időszinkronizáció megszűnik. Ezután ha valaki a Földön beleugrik a Földön maradt gömbbe, azt a valakit a féreglyuk beszippanthatja, és felrepíti a rakétán lévő másik gömbbe, időben valahova a múltba. (Természetesen ez az időgép sem vihet vissza korábbra, mint ahogy az időgépet megalkották volna.)

Problémák a negatív energia körül

Noha amikor bejelentették, Thorne megoldása szenzációsan hangzott, a tényleges megvalósítás elé számos akadály gördül, még egy nagyon fejlett civilizáció számára is. Először is, a rendkívül ritkán előforduló negatív energiára óriási mennyiségben lenne szükség. Az ilyen típusú féreglyukak szájának nyitva tartása a negatív energia óriási mennyiségét igényli. Ha valaki a Casimireffektus segítségével állít elő negatív energiát, akkor a féreglyuk szájának egy atom méreténél is sokkal kisebbnek kellene lennie, ami gyakorlati okokból kizárja az időutazás lehetőségét. Vannak a Casimir-effektuson kívül más lehetőségek is negatív energia

felszabadítására, de mindegyiket nagyon nehéz kezelni. Például Paul Davies és Stephen Fulling fizikusok megmutatták, hogy egy rendkívül gyorsan mozgó tükör a negatív energia forrása lehet, ami a mozgó tükör előtt gyűlik össze.

Sajnos azonban a tükröt közel fénysebességgel kellene mozgatni, hogy ez az elképzelés működjön. De a Casimir-effektushoz hasonlóan, itt is csak nagyon kevés negatív energiát lehet termelni.

Negatív energia termelésére egy másik lehetőség a nagyon nagy energiájú lézersugarak használata. A lézerek energiaszintjei között vannak úgynevezett „összenyomott szintek", amelyekben a pozitív és a negatív energia együttesen létezik. De sajnos ezt az effektust is nagyon nehéz felhasználni.

A negatív energia egy pulzusa tipikusan csak körülbelül 10-15

másodpercig tart, amit egy pozitív energiaimpulzus követ. A pozitív és negatív energiaállapotok elválasztása lehetséges, de ezt végbevinni nagyonnagyon nehéz. A II. fejezetben ezt a kérdést még vizsgálni fogjuk. Végül pedig a fekete lyukak eseményhorizontja közeléből szintén nyerhető negatív energia. Ahogy azt Jacob Bekenstein és Stephen Hawking megmutatta, egy fekete lyuk sohasem teljesen fekete, mert lassan-lassan, de elpárolog. Ez a határozatlansági elv miatt van így: a fekete lyuk roppant nagy gravitációja ellenére sugárzás szökhet ki belőle. De mert a fekete lyuk ilyen módon energiát veszít, eseményhorizontjának mérete az idő előrehaladtával csökkenni fog. Azt szoktuk meg, hogy ha a fekete lyukba pozitív anyag (például egy csillag) beleesik, akkor az eseményhorizont mérete nagyobb lesz. Azonban ha negatív anyagot dobnánk a fekete lyukba, az eseményhorizontja összébb húzódna. Ezért van az, hogy a fekete lyukak párolgása negatív energiát eredményez az eseményhorizont közelében.

(Néhányan amellett érveltek, hogy egy féreglyuk száját az eseményhorizont közelében kellene elhelyezni, hogy összegyűjthessük a negatív energiát. Az ilyen negatív energia begyűjtése viszont rendkívül veszélyes és különösen nehéz, mivel az eseményhorizonthoz rendkívüli közel kellene történnie.)

Hawking azt is megmutatta, hogy általában negatív energia szükséges a féreglyukmegoldások stabilizálásához. Az okfejtés nagyon egyszerű. Általában pozitív energia eredményezi egy féreglyuk megnyitását. A féreglyukban sok anyag és energia összpontosul, így aztán ahogy a féreglyuk szájába a fénysugarak belépnek, összefutnak. Ha ezek a fénysugarak a túloldalon előbukkannak, akkor valahol a féreglyuk belsejében ezeknek a fénysugaraknak defókuszálódniuk kellett. Az egyetlen lehetőség, hogy ez megtörténjék, az, hogy negatív energia van jelen. Továbbá a negatív energia taszító jellegű, ami szükséges ahhoz is, hogy a gravitációja alatt a féreglyuk ne ömöljék össze. Ezért egy féreglyuk vagy egy időgép építéséhez a kulcs az, hogy megfelelő mennyiségű negatív energiát találjunk, ami a féreglyuk száját kinyitja és stabilizálja.

(Sok fizikus arra az eredményre jutott, hogy nagyon erős gravitációs terek esetében a negatív energiamezők meglehetősen szokványosak. Ezért elképzelhető, hogy egy nap a gravitációs negatív energiát használják majd az időgépek működtetéséhez.)

Egy másik akadály, amivel szembe kell néznünk, a következő: egyáltalán hol találunk egy féreglyukat? Thorne abban bízott, hogy a féreglyukak természetes képződmények a téridő habjában. Ez visszavezet minket a Zénón görög filozófus által 2000 évvel ezelőtt feltett kérdéshez: mennyi az a legkisebb távolság, amit megléphetünk?

Zénón valaha matematikailag bebizonyítani vélte, hogy nem kelhetünk át egy folyón. Először is azt észrevételezte, hogy a folyón keresztülívelő távolság végtelen sok pontra osztható fel. De mivel végtelen sok időt vesz igénybe, hogy végtelen sok ponton átmenjünk, lehetetlenség a folyón átkelni.

(Még kétezer évet vett igénybe, hogy a differenciál-és integrálszámítás megjelenésével ezt a paradoxont megoldják. Megmutatható, hogy végtelen sok ponton is át lehet menni véges idő alatt, ami a mozgást matematikailag is lehetségessé teszi.)

A princetoni John Wheeler megvizsgálta az Einstein-egyenleteket abból a célból, hogy megtalálja a legkisebb megtehető távolságot. Wheeler azt találta, hogy egy hihetetlenül kicsi, a Planck-hosszúság (10-33 cm) nagyságrendjébe eső távolság esetén az einsteini elmélet szerint a tér görbülete nagyon nagy lesz. Másképp fogalmazva, a Planck-hosszúságon a tér már nem sima, hanem nagyon görbült - a tér csomóssá és „habossá" válik. A tér fodros lesz, és a vákuumból előbukkanó és abban eltűnő apró buborékok tajtékoznak. Még az üres térben is állandóan a téridő kicsiny buborékjai forrnak, amelyek tipikus hossza ez a kicsiny távolság. Ezek a kis buborékok valójában apró féreglyukak és csecsemőuniverzumok. Általában a „virtuális részecskék" elektron-antielektron párokból állnak, amik csak egy pillanatra kelnek életre mielőtt megsemmisítenék egymást. De a Planck-hosszúságon az apró buborékok olyan egész univerzumokat és féreglyukakat képviselnek, amelyek akár életre is kelhetnének, csakhogy mégis el kell tűnniük a vákuumban. A mi Univerzumunk a téridő habjából kinövő ilyen apró buborékból indulhatott el, ami ma még ismeretlen okból hirtelen felfúvódott.

Mivel féreglyukak természetszerűleg léteznek a téridőhabban, Thorne feltételezte, hogy egy fejlett civilizáció valahogy kiszedhet egy féreglyukat a habból, amit kitágíthat és stabilizálhat a negatív energiával. Bár ez nem könnyű dolog, a fizika törvényeinek keretén belül van. Amíg Thorne időgépe elméleti fizikai szempontból lehetségesnek tűnik, megépítése mérnöki oldalról roppant nehéznek látszik. Ezenkívül van egy harmadik nyugtalanító kérdés: megsérti-e az időutazás a fizika alaptörvényeit?

Univerzum a hálószobában

1992-ben Stephen Hawking egyszer és mindenkorra szerette volna az időutazás kérdését megoldani. Ösztönösen az időutazás ellen volt; ha az időutazások a vasárnapi piknikekhez hasonló közönséges utak lennének, akkor a jövőből számos turistát kellene látnunk, akik fotóznának minket és furcsán bámulnának ránk.

De a fizikusok gyakran idézik T. H. White Üdv néked Artúr, nagy király című regényét, amelyben a hangyák társadalma deklarálja, hogy „Minden ami nem tiltott, az kötelező". Másképp fogalmazva, ha a fizikának nincsen olyan alapvető elve, ami megtiltaná az időutazást, akkor az időutazás fizikailag szükségszerűen lehetséges. (Az érv emellett a határozatlansági elvhez kötődik. Hacsak valami nem tiltott, akkor a kvantumeffektusok és a fluktuációk végül is valóra váltják, feltéve, hogy elegendően hosszú ideig várunk rá. Így még ha valami törvény meg is tiltja,

akkor is be fog következni. (Figyeljünk a szóhasználatbeli különbségekre! Az elv magasabbrendű előírás, mint a törvény. A fizika törvényei általában teljesülnek, de elegendően hosszú időt várva - ami akár több tíz milliárd év is lehet - bekövetkezhet a törvény megsértése. Az elv megsértése azonban sohasem lehetséges. - A fordító.)

Erre válaszként Stephen Hawking „időrendvédelmi hipotézist" javasolt, ami megakadályozná az időutazást és így „a történelmet a történészek számára biztossá" tenné. Hipotézise szerint az időutazás lehetetlen, mert sért bizonyos fizikai elveket.

Mivel a féreglyukak megoldása matematikailag túl nehézkes ahhoz, hogy alkalmazásuk egyszerű legyen, Hawking az érvelését a Charles Misner (University of Maryland) állal kitalált egyszerűsített univerzumokkal kezdi. A Misner-tér egy idealizált tér, amelyben például a hálószobánk válna az egész univerzumunkká. Mondjuk azt, hogy a bal oldali fal minden egyes pontja azonos a jobb oldali fal megfelelő pontjával. Ez azt eredményezi, hogy ha valaki a bal oldali falon keresztülsétál, akkor nem véres orral fog visszapattanni róla, hanem ehelyett átsétál a falon és újra megjelenik a jobb oldali falon. Azaz a jobb és a bal oldali falak csatlakoznak egymáshoz, bizonyos értelemben egy hengert alkotnak.

Továbbá az elülső fal pontjai azonosak a hátsó faléval, és a mennyezet pontjai a padlóéval, így ha bármelyik irányba is sétálunk,

keresztülmehetünk a falon és a szemközti falakon jelenünk meg újra. Nem lehet megszökni. Más szavakkal, a hálószoba maga az egész univerzum! Ami igazán bizarr ebben, az az, hogy ha valaki a bal oldali falat figyelmesen nézi, akkor azt valójában átlátszónak találja, és a hálószoba másik falán a képmását látja. Saját magának egy pontos klónja áll a szobában, továbbá mindig láthatjuk a hátunkat, de az elülső oldalunkat soha.

Ha lefelé vagy felfelé nézünk, akkor szintén a saját másunkat látjuk. Végül előttünk, mögöttünk, alattunk és felettünk saját magunk végtelen sok mását látjuk.

Magunkkal kapcsolatba lépni azonban nagyon nehéz dolog. Ahányszor megfordítjuk a fejünket, hogy az arcunk klónjának egy pillanatképét elkapjuk, azt találjuk, hogy a klónjaink is elfordulnak, és így soha nem láthatjuk a saját arcunkat. Ha a hálószoba elég kicsi, akkor a kezünket keresztüldughatjuk a falon, és megérinthetjük az előttünk álló klón vállát.

A Misner-térben a hálószoba akár az egész Univerzumot is magába foglalná. A szemben lévő falak azonos értékűek egymással, így az egyik fal keresztezése

esetén a szemközti falon azonnal meg is jelennénk. A plafon azonos értékű lenne a padlóval. A Misner-teret széleskörűen tanulmányozzák, mert topológiája a féreglyukakéval azonos, de matematikailag sokkal egyszerűbb kezelni. Ha a fal mozog, akkor a Misner-térben lehetséges az időutazás.

Ugyanakkor sokkolhat minket az, hogy ugyanebben a pillanatban a hátunk mögött álló klón kinyúl és megérinti a mi vállunkat. Ugyanígy, kinyújthatjuk a jobb és a bal kezünket, és megfoghatjuk a jobb és a bal oldalunkon álló klónokat, és a klónok összefont kezeinek végtelen láncolatát kapjuk. Végeredményben az egész univerzumot körbefonjuk azáltal, hogy kezet fogunk saját magunkkal. (Ugyanakkor nem túl célszerű a klónunkat fizikailag bántalmazni. Ha fogunk egy fegyvert és rászegezzük az előttünk álló klónra, helyesebb a fegyver elsütését még egyszer megfontolni, mert a mögöttünk álló klón is fegyvert szegez éppen ránk!)

Tegyük fel most, hogy a Misner-térben a falak összeomlanak köröttünk. A dolgok nagyon érdekessé válnak. A szoba összepréselődik, és a jobb oldali fal mondjuk 3 kilométer/óra sebességgel közeledik felénk. Ha most a bal oldali fal felé sétálunk ugyanekkora sebességgel, akkor visszatérhetünk a mozgásban lévő jobb oldali falon, de nagyobb sebességgel, mert sebességünkhöz a fal három kilométer/órás sebessége hozzáadódik, és így sebességünk hat kilométer/óra lesz. Minden alkalommal, amikor a bal oldali falat használva egy teljes kört teszünk, mindig felgyorsulunk három kilométer/órával amikor előbukkanunk a jobb oldali falon, és így nemsokára kilenc, tizenkét, tizenöt stb. kilométer/óra sebességgel mozgunk. Ahányszor teszünk egy kört az univerzum körül, növekszik a sebességünk. Végül egy hihetetlenül nagy, a fénysebességhez közeli sebességre teszünk szert.

Egy bizonyos kritikus pont után a Misner-térben olyan gyorsan utazunk, hogy időben korábbra érünk vissza a jobb oldali falon. A téridőben bármely korábbi pontot meglátogathatunk. Hawking igen alaposan megvizsgálta a Misner-teret. Úgy találta, hogy matematikailag a bal oldali és a jobb oldali fal ugyanolyan, mint a féreglyuk két szája. Más szavakkal: ez a szoba hasonlít egy féreglyukra, ahol az azonos bal oldali és a jobb oldali fal egy féreglyuk két szájának felel meg, amelyek szintén azonosak. Hawking azonban rámutatott arra is, hogy ez a Misner-tér sem a klasszikus fizika törvényei szerint, sem kvantummechanikailag nem stabil.

Ha például egy fénysugarat villantunk fel a bal oldali falnál, akkor ez a fénysugár állandóan energiára tesz szert, amikor kilép a jobb oldali falból. A fénysugár kékeltolódottá válik - azaz energiája egyre növekszik, míg végtelen nagy energiát nem érne el, ami olyan hatalmas gravitációs mezőt hoz létre, ami a szobát - vagyis inkább a féreglyukat összeroppantja.

Azaz, a féreglyuk attól összeomlik, ha megpróbálunk keresztülmenni rajta. Ezenkívül meg lehet mutatni, hogy az energiaimpulzus tenzornak nevezett valami, ami a tér energiaés anyagtartalmát méri, végtelenné válik, mert a két falon át a sugárzás végtelen sokszor halad át. Hawking számára időutazásnak ez adta meg az kegyelemdöfést - a kvantumok sugárzása egészen a végtelenségig nő, ami divergenciához vezet, ez megöli az időutazót és bezárja a féreglyukat.

Hawking cikke óta a fizikusok között élénk vita folyik, amit az általa felvetett divergenciaprobléma váltott ki. A tudósok pro és kontra hoznak lel érveket az „időrendvédelem" ügyében. Néhány fizikus úgy keres „kiskaput" Hawking levezetésében, hogy a féreglyukak méretét, hosszát és egyéb tulajdonságait megfelelően választja meg. Néhány féreglyukfajta esetén az energiaimpulzus tenzor divergál, de más típusok esetén jól meghatározott értékű. Szergej Krasznyikov orosz fizikus különböző féreglyukfajtára megvizsgálta ezt a divergenciakérdést, és arra jutott, hogy „nincsen egy árva bizonyíték sem arra nézve, ami szerint az időgépnek instabilnak kellene lennie."

Annyira Hawking ellen fordultak az események, hogy a princetoni Li-Xin Li fizikus egy anti-időrendvédelmi sejtést is megfogalmazott: „Nincs a fizikának olyan törvénye, ami a zárt, időszerű görbék megjelenését megakadályozná."

1998-ban Hawkingot visszavonulásra kényszerítették. Ő maga írta, hogy „A tény, hogy bizonyos esetekben az energiaimpulzus tenzor nem divergál, azt mutatja, hogy a visszahatás nem kényszeríti ki az időrendvédelmet." Ez nem jelenti azt, hogy az időutazás lehetséges, csak annyit, hogy még nem értjük teljesen a dolgokat. Matthew Visser fizikus Hawking visszavonulását úgy értékelte, hogy az „nem az időutazás kedvelőinek győzelme, hanem inkább egy jelzés arra, hogy a időrendvédelem kérdésének megoldása a kvantumgravitáció teljeskörűen megalkotott elméletét igényli."

Manapság Hawking nem állítja, hogy az időutazás teljességgel lehetetlen, csak azt, hogy nagyon valószerűtlen és kivitelezhetetlen. Az esélyek latolgatása jobbára az időutazás ellen szól, de egészében senki sem vetheti el. Ha valaki valahogy a pozitív és negatív energiából nagy mennyiségűt képes összegyűjteni, és megoldja a stabilitás problémáját, az időutazás tényleg lehetséges. (Talán annak oka, hogy nem árasztanak el minket a jövőből érkezett turisták mindössze annyi, hogy az időgéppel nem lehet visszamenni annál korábbi időpontra, mint amikor az időgépet üzembe helyezték, és ilyen időgépet eddig még senki nem alkotott.)

Gott időgépe

J. Richard Gott III az Einsteinegyenletek egy további megoldását találta meg 1991-ben, ami ugyancsak megengedte az időutazást. Megközelítése egészen újszerű és friss ötletekkel teli volt, hiszen teljesen lemondott a forgó objektumokról, a féreglyukakról, és a negatív energiáról. Gott 1947-ben született az Egyesült Államok Kentucky tagállamának Louisville nevű városában, és igazi déli akcentust beszél, ami egzotikusnak hat az elméleti fizikusok kifinomult világában. A tudományos pályafutását még gyerekként kezdte, amikor csatlakozott egy amatőrcsillagász-klubhoz, ahol élvezettel figyelte a csillagokat.

A középiskolában megnyerte a tekintélyes Westinghouse Science Talente Search versenyt, és sokáig nagyon szoros kapcsolatban volt ezzel a versennyel, hiszen éveken át a verseny zsűrielnöke volt. Miután a Harvardon matematikusként végzett, Princetonba ment és azóta is ott dolgozik. Amikor kozmológiai kutatásokat végzett, érdeklődni kezdett a „kozmikus húrok" iránt, amik az Ősrobbanás több elmélet által megjósolt ereklyéi. A kozmikus húrok vastagsága úgy egy atommagnyinál is kisebb lehet, de a tömegük egy csillag tömegéhez áll közel, és a térben akár több millió fényév hosszúak is lehetnek. Gott először az Einsteinegyenletek olyan megoldását találta meg, amik szerint lehetséges az ilyen kozmikus húrok létezése. De rögtön utána valami nagyon szokatlant is észrevett ezekkel a kozmikus húrokkal kapcsolatban. Ha valaki vesz két ilyen kozmikus húrt és egymás felé közelíti őket, akkor - mielőtt összeütköznének - a húrokat időgépként lehet használni.

Gott először azt vette észre, hogy ha teszünk egy körutazást az összeütköző kozmikus húrok körül, akkor a tér kisebbé válik, és különös tulajdonságokra tesz szert. Ha körbejárunk például egy asztalt, és visszatérünk oda, ahonnan elindultunk, akkor 360 fokot tettünk meg. De ha egy rakéta két, egymás felé mozgó kozmikus húrt repül körbe, kevesebb mint 360 fokot tesz meg a körutazás során, mivel a tér összehúzódott. Így, ha a rakéta nagyon sebesen halad a húrok körül,akkor egy távoli megfigyelő azután a fénysebességet is túllépi (mert a rakéta kevesebb utat tesz meg, mint ahogy azt egy távoli megfigyelő várja).

Ez azonban nem sérti meg a speciális relativitáselméletet, mert a rakétán az ő saját vonatkoztatási rendszerében a rakéta sohasem lépi túl a fény sebességét.

Az összeütköző kozmikus húrok körüli utazgatás azonban azt is jelenti, hogy lehet tenni egy kirándulást a múltba. Gott úgy emlékezett vissza, hogy „amikor megtaláltam ezt a megoldást, akkor nagyon izgatott lettem. A megoldáshoz kizárólag pozitív anyagra volt szükség, és a fénysebességnél kisebb sebességgel kellett mozogni. Ezzel ellentétben, a féreglyukmegoldások a sokkal egzotikusabb negatívenergia-sűrűségű anyagot igénylik (azaz a semminél könnyebb valamit)."

De az időgép energiaszükséglete roppant nagy. „Ahhoz, hogy a múltba elutazzunk, centiméterenként tízezerbillió tonna tömegű kozmikus húroknak kellene egymással szembe mozogniuk a fénysebesség legalább

99,999999996 százalékával. Detektálunk ugyanilyen nagy sebességgel mozgó nagyenergiájú protonokat az Univerzumban, tehát ez a sebesség elérhető" - jegyezte meg Gott.

Néhány ellenvélemény arra mutatott rá, hogy a kozmikus húrok ritkák, és ha egyáltalán léteznek, akkor az ütközésük még ritkább. Ezért Gott a következőket javasolta. Egy fejlett civilizáció a világűrben esetleg talál egy kozmikus húrt. Hatalmas űrhajókat és óriási egyéb eszközöket használva, a húrt átformálhatja, az oldalain kicsit meghajlított négyzetes hurokká (az alakja emlékeztet az állítható támlájú székekére). Hipotézise szerint ez a hurok a saját gravitációja alatt összeeshet, és a kozmikus húr két darabja közel fénysebességgel fog egymás felé repülni, és így az időgép egy rövid időre létrejön. Gott azt azért elismerte, hogy „egy akkora összeomló kozmikus húrnak, ami elég nagy lenne ahhoz, hogy egyszer megkerülnénk és ezzel egy évet visszamehetnénk vele az időben, a tömege és energiatartalma nagyobb lenne a fél galaxis tömegés energiatartalmánál."

Időparadoxonok

Hagyományosan a fizikusok az időparadoxonok miatt elutasítják az időutazásnak még a gondolatát is. Például, ha valaki visszamegy az időben és meggyilkolja a szüleit még a saját születése előtti időkben, akkor ő maga nem születhet meg. Ezért aztán senki sem mehet vissza az időben azért, hogy meggyilkolja a szüleit. Ez azért fontos, mert a tudomány logikailag összhangban lévő gondolatokon nyugszik; egy jól megalapozott időparadoxon elég ahhoz, hogy teljesen el kelljen vetnünk az időutazást. Ezek az időparadoxonok több osztályba sorolhatók:

Nagymamaparadoxon. E paradoxon szerint valaki úgy változtathatja meg a múltat, hogy az a jelent lehetetlenné teszi. Például, ha valaki visszamegy az időben a nagyon távoli múltba, hogy dinoszauruszokkal találkozzon, de véletlenül rálép egy apró, szőrös emlősre, pont arra, amelyikből az egész emberiség származik. Ha elpusztul az ősünk, logikus, hogy mi nem létezhetünk.

Információparadoxon. E paradoxon szerint az információ a jövőből -, ami így sehonnan sem - eredeztethető. Mondjuk, egy tudós épít egy időgépet és átadja az időutazás titkos információit saját magának, amikor ő maga még fiatal volt. Így az időutazás titkának nem lenne eredete, hiszen nem a fiatal tudós alkotta meg az időgépet, hanem idősebb önmagától kapta.

Bilker paradoxona. Ez a paradoxon arról szól, hogy valaki ismeri a jövőt, és a jelenben olyasvalamit tesz, ami lehetetlenné teszi az általa meglátott jövőt. Például épít valaki egy időgépet, amivel a jövőbe utazunk, és ott azt látjuk, hogy az a valaki elhatározta magát a házasságra egy Jane nevű nővel. De ha a jelenbe visszatérve tréfából ehelyett Helennel házasodik össze, azáltal a saját jövőjét lehetetlenné tette.

A származási paradoxon. E paradoxon szerint valaki saját magának az őse, például a saját maga apja, ami lehetetlenség. A brit filozófus Jonathan Harrison által írt mesében a történet hőse nemcsak saját maga apja, de kannibálként elfogyasztja saját magát is. Robert Heinlein klasszikus meséjében, a Mindannyian zombik vagytok-ban a főszereplő egyszerre a saját maga anyja, apja, lánya és fia - tehát a családfa saját magába vezet. (A részletekért lásd a Jegyzeteket. A származási paradoxon tisztázása nagyon kifinomult, ami mind az időutazás, mind a DNS működésének ismeretét igényli.)

A halhatatlanság halála c. regényében Isaac Asimov az ilyen paradoxonok megelőzésére szakosodott „időrendőrséget" jelenít meg. A Terminátor című film egy információs paradoxonon alapszik: egy jövőbeli robotból kinyert mikrochipet tanulmányoznak a tudósok, akik azután versenyt futva robotok sokaságát állítják elő, amik tudatossá válnak és világuralomra törnek. Más szavakkal, ezeknek a szuperrobotoknak a terveit soha nem készítette el egyetlen tervező sem; egyszerűen a jövőbeli robotok egyikéből származó törmelékdarabok érkeztek csak. A Vissza a jövőbe című filmben Micheal J. Fox azon erőlködik, hogy a nagymamaparadoxont kikerülje, amikor találkozik a tinédzserkorú anyjával, aki szerelembe esik vele. De ha a leendő anyukája elutasítaná Fox jövendő apjának közeledését, akkor az a Fox által alakított szereplő egész jövendőbeli létezését veszélyeztetné.

A forgatókönyvírók a fizika törvényeit készségesen figyelmen kívül hagynak egy hollywoodi kasszasiker kedvéért. De a fizikusok közösségében az ilyen paradoxonokat nagyon is komolyan veszik. E paradoxonok bármilyen megoldásának a kvantumelmélettel és a relativitáselmélettel összhangban kell lennie. Például az idő folyama egyszerűen nem érhet véget, ha összhangban vagyunk a relativitáselmélettel. Az idő folyamát nem lehet elrekeszteni. Az általános relativitáselméletben az időt egy sima, folytonos felület jelképezi, amit nem lehet eltépni vagy széthasítani. A topológiája megváltozhat, de nem lehet leállítani. Ez azt jelenti, hogy ha valaki a születése előtt megöli a szüleit, akkor - mivel az időfolyam nem megszakítható -, a gyilkos gyermek nem tűnhet csak el úgy egyszerűen. Ez ellentétes lenne a fizika törvényeivel.

Jelenleg a fizikusok az időparadoxonok két lehetséges megoldása mellett sorakoznak fel. Igor Novikov orosz kozmológus úgy gondolja, hogy a paradoxonok nem következnek be, mert valami arra kényszerít minket, hogy megfelelő módon cselekedjünk. Az ő megközelítését az „önkonzisztens" iskolának nevezik. Ha az időfolyam finoman visszahajlik önmagába és egy örvényt kelt, azaz ha visszaugranánk a múltba és időparadoxont készülnénk elkövetni, akkor szerinte valamiféle „láthatatlan kéz" közbeavatkozna.

Novikov megközelítése azonban a szabad akarathoz kapcsolódó

problémákat vet fel. Ha visszamegyünk az időben és a születésünk előtti időkben találkozunk a szüleinkkel, akkor azt gondolhatnánk, hogy szabadon megválaszthatjuk cselekedeteinket: Novikov ellenben azt gondolja, hogy a fizika még egy felfedezetlen törvénye megakadályozza, hogy megváltoztathassuk a jövőt (mint például a szüleink megölése és így a születésünk megakadályozása). Azt a megjegyzést teszi, hogy „Nem küldhetünk vissza egy időutazót az Éden kertjébe, hogy megkérje Évát, ne egyen az almafáról."

Mi ez a rejtélyes erő, ami visszatart minket a múlt megváltoztatásától és az időparadoxontól? „Szokatlan és titokzatos szabad akaratunk ilyen korlátozása, de nem párhuzamok nélküli" - írja Novikov. „Például az akaratom lehet az, hogy a mennyezeten sétáljak mindenféle speciális eszköz nélkül. A gravitáció törvénye megakadályoz engem ennek kivitelezésében; ha megpróbálom, le fogok esni, így tehát a szabad akaratom korlátozott." De időparadoxon bekövetkezhet akkor is, ha élettelen anyagot hajítanak vissza a múltba (aminek nincsen szabad akarata). Tegyük fel, hogy Kr. e. 330-ban, a Nagy Sándor és Perzsia királya, III. Dareiosz közötti történelmi csata előtti pillanatokba küldünk vissza gépfegyvereket, és mellékeljük a használati útmutatót is. Lényegesen megváltoztathatjuk az európai történelem ezutáni időszakát (és talán úgy találjuk majd magunkat, hogy ma perzsául, nem pedig valamilyen európai nyelven beszélünk).

Valójában a múlt legapróbb megzavarása is nem várt jelenbeli paradoxonokhoz vezethet. A káoszelmélet használja a „pillangóeffektus" kifejezést. A földi időjárás alakulásának egy kritikus pillanatában egy pillangó szárnyainak csapkodása is olyan fodrokat kelthet, amelyek az erők egyensúlyát megbonthatják és ez hatalmas vihart okozhat. (Érdemes megemlíteni,

hogy egy másik kritikus pillanatban ugyanez az effektus azonban éppenséggel egy hatalmas vihar kialakulását akadályozhatja meg. - A fordító)

Még a legkisebb élettelen tárgy visszaküldése a múltba óhatatlanul előrejelezhetetlen változásokat okoz a múltban, és ez bizony időparadoxonhoz vezet.

Az időparadoxonok másik megoldása, hogy az idő folyama kettéágazik, és két különböző univerzumot hoz létre. Másképp fogalmazva, ha valaki visszamegy a múltba és lelövi a szüleit mielőtt ő maga megszületne, akkor megöli azokat a személyeket, akik genetikailag azonosak voltak a szüleivel egy másik univerzumban, abban, amelyben ő maga soha nem született meg. De az ő eredeti univerzumában a szüleit soha nem bántotta.

Ezt a második hipotézist „sokvilág-elméletnek" nevezik - ez éppen az az ötlet, ami szerint az összes kvantumvilág létezhet. Ez kiküszöböli a Hawking által talált divergenciákat, mivel a sugárzás - a Misner-térnél látottakhoz hasonlóan - nem megy keresztül a féreglyukon újra meg újra. Csak egyszer. Ahányszor keresztezi a féreglyukat, egy új univerzumba lép be. Talán ez a paradoxon vezet a kvantumelmélet legalapvetőbb kérdéséhez: hogyan lehet Schrödinger macskája egyidejűleg halott és élő? E kérdés megválaszolásához a fizikusoknak két megdöbbentő gondolattal kellett foglalkozniuk: vagy létezik egy kozmikus tudat, ami figyel minket, vagy pedig a kvantumuniverzumok végtelen sokasága létezik.

6 . Párhuzamos

kvantumuniverzumok

Azt hiszem, nyugodtan mondhatom, hogy a kvantummechanikát senki sem érti.

RICHARD FEYNMAN

Bárki, akit nem sokkolt a kvantumelmélet, biztosan nem érti. NIELS BOHR

A Végtelen Valószínűtlenség Hajtóműve csodálatos új eszköz, mellyel roppant csillagközi távolságok a másodperc semmied része alatt áthidalhatók, és még csak arra az unalmas piszmogásra sincs szükség a hipertérben. DOUGLAS ADAMS

Douglas Adams könyvsikerében, a szemtelen és őrültségekkel teli tudományosfantasztikus műben, a Galaxis útikalauz stoposoknakban a főszereplő a csillagközi utazások legszellemesebb megoldásába botlik. A galaxisok közötti utazáshoz féreglyukak, hiperhajtóművek és dimenziókapuk helyett a határozatlansági elvet használják fel az intergalaktikus űr irdatlan mélységeinek átszeléséhez. Ha bizonyos valószínűtlen események valószínűségét valahogy ellenőrizhetnénk, akkor minden lehetséges lenne beleértve a fénysebességnél gyorsabb utazást, de még az időutazást is. A távoli csillagokat egyetlen másodperc alatt elérni nagyon valószínűtlen, de ha valaki az akarata szerint kontrollálhatja a kvantumvalószínűségeket, akkor a valószínűtlen mindennapos dologgá válhat.

A kvantumelmélet azon a gondolaton nyugszik, hogy minden lehetséges eseménynek - függetlenül attól, hogy mennyire fantasztikusan vagy bután hangzik valaki számára ez az esemény - van egy valószínűsége, amellyel bekövetkezhet. A felfúvódó világegyetem középpontjában éppen ez a gondolat van - amikor az eredeti Ősrobbanás bekövetkezett, egy kvantumátmenet történt egy másik állapotba, amelyben az Univerzum hirtelen hatalmas mértékben felfúvódott. Úgy tűnik, az egész Univerzumunk egy nagyon valószínűtlen kvantumugrásból született. Noha Adams viccként vette a dolgot, mi fizikusok felismertük, hogy ha ezeket a valószínűségeket irányíthatnánk, akkor olyanokat vihetnénk végbe, amik a varázslattól nem sokban különböznének. Persze, jelenleg a technológiánk messze el van maradva attól, hogy ezeket a valószínűségeket változtatgassuk.

Néha megkérem az egyetemen doktorandusz (PhD) diákjaimat, hogy számolják ki, mi annak a valószínűsége, hogy hirtelen felszívódnak és a téglafal túloldalán jelennek meg. A kvantumelmélet szerint ennek bekö- vétkezése nagyon kicsi valószínűségű esemény, de ezt a valószínűséget ki lehet számolni. Vagy például a szobánkban szívódunk fel és elkerülünk a Marsra. A kvantumelmélet szerint - elvben - valaki hirtelen a Vörös Bolygón találhatja magát. Természetesen ennek a valószínűsége roppant kicsiny, olyan kicsi, hogy az Univerzum életkoránál is többet kellene várnunk arra, hogy egyszer bekövetkezzék. Eredményképpen a mindennapi életünkben az ilyen eseményeket mint valószerűtleneket, ki is zárhatjuk.

Szubatomi szinten ezek a valószínűségek viszont kulcsfontosságúak az elektronikai eszközök, a számítógépek és a lézerek működésében. Valójában az elektronok rendszeresen dematerializálódnak, és magukat rematerializálva találják az Ön személyi számítógépe és CD-lejátszója egyes alkatrészei falának túloldalán. A modern civilizáció összeomlana, ha az elektronok nem lehetnének ugyanabban az időpillanatban két helyen.

(E bizarr elv nélkül testünk molekulái szintén összeesnének. Gondoljunk el két, éppen összeütköző naprendszert, amelyekben a két csillag és bolygóik Newton gravitációs törvényének vannak alávetve. Az összeütköző naprendszerek bolygók és kisbolygók kaotikus zagyvalékává válnának. Ha az atomok ugyanígy Newton törvényeinek engedelmeskednének, szétesnének, ahányszor csak nekiütköznek egy másik atomnak. Ami két atomot stabilan együtt tart, az az, hogy az elektronok egyszerre nagyon sok helyen lehetnek, és így az atomokat egyben tartó „elektronfelhőt" alkotnak. Ez az oka annak is, hogy a molekulák miért stabilak és az Univerzum miért nem esik szét.)

De ha az elektronok sok, a létezés és a nemlétezés közötti párhuzamos állapotban előfordulnak, akkor az Univerzum miért nem teheti meg ugyanezt? Valaha az Univerzum kisebb volt, mint egy elektron^10. Ha megengedjük a kvantumelvek alkalmazását az Univerzumra, akkor rá vagyunk kényszerítve arra, hogy tekintetbe vegyük a párhuzamos univerzumok lehetőségét.

10 A könyvben több helyen is előforduló hasonló állításoknak általánosságban csak az Univerzum általunk belátott részére (még pontosabban: annak anyagára) vonatkoztatva van értelmük. Az Univerzum egészének méretéről természetesen csak akkor beszélhetünk, ha a kiterjedése véges, vagyis ha a 2. fejezet végén tárgyalt esetek közül a zárt univerzum valósul meg. Ezt azonban nem tudjuk bizonyosan.

Megjegyzendő még, hogy mivel a részecskék pontszerűek, „az elektron mérete" voltaképpen az elektron hullámfüggvényének hozzávetőleges kiterjedését jelenti. (A szaklektor megjegyzése.)

Ez pontosan az a lehetőség, amit Philip K. Dick Az ember a fellegvárban című zavarbaejtő tudományosfantasztikus regényében vizsgált meg. A könyvben szerepel egy, a miénktől elszeparált alternatív univerzum. Abban az univerzumban 1933-ban megölik Roosevelt elnököt első hivatali

évében. Garner alelnök (nem kitalált személy, John Nance Garner (1868-1967), 1933-1941 között

az USA alelnöke - a fordító) lép a helyébe és az Egyesük Államok hadseregét gyengítő elszigetelődési politikát folytat. Készületlenül a Pearl Harbor-i támadásra, nem tudja megakadályozni az USA egész hadiflottájának megsemmisülését, és 1947-re az Egyesült Államok kénytelen megadni magát a németeknek és a japánoknak. Az USA-t végül három részre szakítják, a keleti partot a Harmadik Birodalom, a nyugati partot a japánok ellenőrzik, és a Sziklás Hegység Államok maradnak köztük ütközőzónaként. Ebben a párhuzamos univerzumban egy titokzatos személy ír egy könyvet a Biblia nyomdokain haladva, Nehezen vonszolja magát a sáska címmel, amit a nácik betiltanak. A könyv elbeszéli, hogy létezik egy másik univerzum, amelyben Rooseveltet nem gyilkolták meg és az Egyesült Államok Nagy-Britanniával együtt legyőzte a nácikat. A főszereplőnő küldetése megvizsgálni, hogy ha a másik univerzummal kapcsolatban bármi igaz, akkor ott zsarnokság és fajüldözés helyett a demokrácia és a szabadság uralkodik-e.

Alkonyzóna

A mi világunkat és Az ember a fellegvárban világát csak egy aprónyi véletlen, a gyilkos golyó választja el egymástól. De az is lehetséges, hogy a mi világunkat egy párhuzamos világtól a lehető legkisebb esemény: egy egyszerű kvantumesemény, egy kozmikus sugár becsapódása választja csak el. Az Alkonyzóna című televíziós filmsorozat egyik epizódjában egy férfi arra ébred, hogy a felesége nem ismeri meg őt. Az asszony felsikolt, és felszólítja a távozásra, mielőtt hívná a rendőrséget. Amikor körbesétálja a várost, észreveszi, hogy régi barátai sem ismerik meg, mintha ő maga sohasem létezett volna. Végül meglátogatja szülei házát, és ott szíven üti a valóság. Szülei kijelentik, hogy sosem látták őt és soha nem is volt fiuk.

Barátok, család és otthon nélkül céltalanul bolyong a városban, végül pedig hajléktalanként egy közpark padján hajtja álomra fejét. Amikor a következő nap reggelén felébred, akkor a kényelmes ágyában találja magát, feleségével együtt. De amikor a felesége megfordul, sokkolja őt az, hogy nem is a felesége, hanem egy általa soha nem látott különös nő van ott. Lehetségesek az ilyen abszurd történetek? Talán. Ha az Alkonyzóna főszereplője megkérdezne valakit, hogy válaszolja meg az anyjával kapcsolatos kérdéseket, akkor talán azt kapná válaszul, hogy az édesanyja elvetélt és ezért soha nem is volt fia. Néha egy kozmikus sugárnak nevezett apró kis részecske érkezik a világűrből, és az embrió belsejében összeütközik a DNS-sel, ami olyan mutációt okoz benne, hogy az vetéléshez vezet. Egy ilyen esetben a két világot egyetlen kis kvantumesemény választ ja el egymástól, az egyikben normális, alkotó polgárként élünk, és a másik világ ezzel a világgal tökéletesen azonos, kivéve, hogy nem születtünk meg benne soha.

E világok között ugrándozni a fizika törvényeinek keretein belül van, de nagyon valószínűtlen: az ilyen események megtörténtének valószínűsége csillagászati méretekben kicsiny. Láthatjuk, a kvantumelmélet az Univerzumnak egy sokkal különösebb képét tárja elénk annál, mint amit Einstein adott nekünk. A relativitáselméletben az élet színpada egy gumilepedő, és a színpadon keresztül-kasul haladó színészek görbült vonalakon mozognak. Akárcsak Newton világképében, a színészek Einstein világában is csak szajkózzák az előre megírt szövegüket. De a kvantumjátékban a színészek hirtelen elhajítják a szövegkönyvet és a sajátjukat veszik elő helyette. A marionettbábuk elszakíthatják az őket tartó zsinórokat. A szabad akarat megteremtődik. A színészek eltűnhetnek és feltűnhetnek a színpadon. Még különösebb, hogy ugyanabban a pillanatban a színpad két különböző pontján találhatják magukat. Amikor a színészek felmondják a szövegüket, soha nem tudhatják biztosan, hogy beszélnek-e valakihez vagy sem, hiszen a partner hirtelen eltűnhet és egy másik helyen jelenhet meg.

Egy szörnyen nagy elme: John Wheeler

A kvantummechanika abszurditásai közül - talán csak Einstein és Bohr kivételével - nem birkózott meg senki más többel, mint John Wheeler. Az egész fizikai valóság csak illúzió? Léteznek párhuzamos univerzumok? Régebben, amikor még nem rágódott az ilyen konok kvantumparadoxonokon, Wheeler ezeket a valószínűségeket atom-és hidrogénbombák építésére használta, majd a fekete lyukakról szóló úttörő vizsgálatokban alkalmazta. John Wheeler az utolsó óriás, vagy ahogy egyik tanítványa,

Richard Feynman egyszer nevezte őt: a „szörnyen nagy elme", aki a kvantumelmélet őrültségeivel viaskodott.

Wheeler volt az is, aki megalkotta a fekete lyuk kifejezést egy, a NASA New Yorkban, a Goddard Institute for Space Studies intézetben rendezett konferencián 1967-ben, amit az első pulzárok felfedezése után tartottak. Wheeler Florida Jacksonville nevű városában született 1911-ben. Édesapja könyvtáros volt, de a mérnökség a család vérében volt. Három nagybátyja bányamérnök volt és munkájuk során gyakran használtak robbanóanyagokat. A dinamit használata izgatta őt, és nagyon szerette a robbantásokat nézegetni. (Egy nap, amikor óvatlanul kísérletezett egy dinamitdarabkával, az véletlenül felrobbant a kezében, és leszakította egy ujját és hüvelykujja egy darabját. Véletlen egybeesés, de Einsteinnek kollégista korában, szintén óvatlansága következményeként egy hasonló balesete volt és kezét össze kellett varrni.)

Wheeler koraérett gyerek volt, a matematikában mester, és falt minden könyvet, amit csak talált az új elméletről: a kvantummechanikáról. Niels Bohr, Werner Heisenberg és Erwin Schrödinger a szemei előtt fejlesztették ki Európában az új teóriát, ami hirtelen felfedte az atom titkait. Nem sokkal azelőtt a filozófus Ernst Mach még gúnyolódott az atomokon, hogy egyáltalán léteznek-e, és azt állította, hogy atomokat még soha senki nem figyelt meg a laboratóriumokban és feltehetően csak fikciók. Azt hirdette, hogy amit nem láthatunk, az valószínűleg nem is létezik. A nagy osztrák hogy amit nem láthatunk, az valószínűleg nem is létezik. A nagy osztrák ban öngyilkosságot követett el, részben azért, mert az általa képviselt atomgondolatot gyakran és gúnyosan nevették ki kollégái.

Néhány nagyszerű év alatt, 1925-től 1927-ig aztán az atom titkai előugrottak az ismeretlenségből. Soha a modern történelemben (leszámítva az 1905-ös évet, amikor Einstein első munkája megjelent), ilyen rövid idő alatt ehhez fogható nagyságú áttörést nem értek el. Wheeler részese akart lenni ennek a forradalomnak. Az Egyesült Államok a fizikában akkoriban hátul volt - nem volt egyetlen világszínvonalú fizikusa sem. Mint előtte Robert J. Oppenheimer, Wheeler is elhagyta az Egyesült Államokat, és Koppenhágába utazott, hogy magától a mestertől, Niels Bohrtól tanuljon.

Korábbi kísérletek kimutatták, hogy az elektron részecskeként és hullámként is viselkedik. A hullám-részecske-természet különös kettősségét a kvantumfizikusok végül is tisztázták: az elektron az atomban folytatott a kvantumfizikusok végül is tisztázták: az elektron az atomban folytatott hen egy osztrák fizikus, Erwin Schrödinger a róla elnevezett híres Schrödinger-hullámegyenletet tette közzé, ami nagyon pontosan leírta az elektronhoz társult hullámnak a mozgását. Ez a nagy görög pszi betűvel jelölt hullám és az egyenlet lélegzetelállító pontossággal írta le az atomok viselkedését, és ez indította el a fizika forradalmát. Hirtelen bepillanthattunk magába az atomba, és majdhogynem csak a fizika alapelveiből ki lehetett számítani, hogy az elektronok hogyan táncolnak pályáikon, hogyan mennek át egyik pályáról a másikra, és hogyan kötik össze az atomokat a molekulákban.

Ahogy a kvantumfizikus Paul Dirac kérkedett vele, a fizika gyorsan mindössze mérnökséggé redukálta a kémia egészét. Kijelentette, hogy „a fizika nagy részének és a kémia egészének matematikai elméletéhez szükséges alapvető fizikai törvényeket tehát teljességgel ismerjük, és az egyetlen nehézség, hogy alkalmazásuk olyan egyenletekre vezet, amelyek túlságosan bonyolultak ahhoz, hogy megoldhatók legyenek." Amilyen lenyűgöző volt a pszi-függvény, olyannyira titokzatos volt, hogy valójában mi is a jelentése.

Végül 1928-ban a fizikus Max Born az alábbi elképzelést vetette fel: ez a hullámfüggvény^11 annak a valószínűségét jelenti, hogy az elektron egy bizonyos pontban van. Más szavakkal, soha nem tudhatjuk bizonyossággal, hogy hol van az elektron; csakis a hullámfüggvényét számolhatjuk ki, ami elmondja nekünk, hogy itt és itt ennyi és ennyi valószínűséggel található. Így ha az atomfizikát az elektron tartózkodási helyét megadó hullámok valószínűségére vezettük vissza, és ha az elektron egyszerre lehet két helyen, hogyan tudjuk végül is meghatározni, hogy valójában hol van az elektron?

11 Pontosabban: a hullámfüggvény abszolút értékének négyzete. (A szaklektor megjegyzése.)

Bohr és Heisenberg végül is egy „kvantummechanikai szakácskönyvben" fogalmazták meg azokat a „recepteket", amelyek olyan nagyon szépen és kiváló pontossággal működtek az atomkísérletekben. A hullámfüggvény csak annyit árul el, hogy az elektron itt vagy másutt mekkora valószínűséggel van. Ha egy bizonyos pontban a hullámfüggvény nagyon nagy értéket vesz fel, akkor az azt jelenti, hogy nagyon nagy a valószínűsége annak, hogy az elektron abban a pontban van. (Ha pedig ott kicsi, akkor valószínűtlen, hogy az elektront ott meg lehet találni.)

Például, ha „láthatnánk" egy személy hullámfüggvényét, akkor az nagyon hasonlóan nézne ki magához a személyhez. De a hullámfüggvény némileg szétfolyik a térben, azt eredményezve, hogy egy nagyon kis valószínűséggel az illetőt a Holdon lehetne megtalálni. (Ténylegesen egy személy hullámfüggvénye az egész Univerzumban szétterül.)

Ez azt is jelenti, hogy egy fa hullámfüggvénye megadja annak valószínűségeit, hogy a fa áll-e vagy eldőlt, de azt nem adja meg határozottan, hogy a két állapot közül melyikben van éppen. A józan ész persze azt mondja nekünk, hogy az objektumok jól meghatározott állapotban vannak.

Amikor egy fára pillantunk, a fa határozottan előttünk van - vagy áll, vagy eldőlt, de kettő egyszerre nem lehetséges.

A valószínűségek hullámai és a létezés józan ész általi észlelése közötti ellentmondásokat feloldandó, Bohr és Heisenberg feltételezte, hogy egy külső megfigyelő által elvégzett mérés után a hullámfüggvény varázslatosan „összeesik", és az elektron egy határozott állapotba kerül - azaz, ha egy fát néznénk, akkor a fa megnézése után látjuk, hogy például tényleg áll. Másként fogalmazva, a megfigyelés folyamata határozza meg az elektron állapotát. A megfigyelés szükséges ahhoz, hogy létezés legyen. Mintán rápillantottunk az elektronra, a hullámfüggvénye összeesik, az elektron most egy határozott állapotba került, és a továbbiakban nincs szükség a hullámfüggvényre.

Nem túl szabatosan megfogalmazva tehát Bohr koppenhágai iskolájának posztulátumai a következőképpen foglalhatók össze:

a) Minden energia diszkrét csomagokban fordul elő, amelyeket kvantumoknak nevezzünk. (Például a fény kvantuma a foton. A gyenge erő

kvantumait W-és Z-bozonoknak nevezik, az erős kölcsönhatás kvantuma a gluon, és a gravitáció kvantumát gravitonnak hívják, noha ezt még laboratóriumokban nem figyelték meg.)

b) Az anyagot pontszerű részecskék reprezentálják, de a részecske megtalálásának valószínűségét egy hullám adja meg. A hullám pedig eleget tesz egy bizonyos hullámegyenletnek (mint például a Schrödingeregyenletnek).

c) Mielőtt egy megfigyelést végezne valaki, az objektum az összes lehetséges állapotában egyidejűleg létezik. Hogy meghatározzuk, melyik állapotban van, megfigyelést kell végeznünk, ami „összeugrasztja" a hullámfüggvényt, és az objektum egy jól meghatározott állapotba kerül. Az objektum megfigyelése a hullámfüggvényt lerombolja. A hullámfüggvény betöltötte feladatát: azt, hogy megadja, egy objektumot egy adott állapotában milyen valószínűséggel lehet megtalálni.

Determinizmus vagy határozatlanság?

A kvantumelmélet minden idők legsikeresebb fizikai elmélete. A kvantumelmélet legmagasabb rendű megfogalmazása a Standard Modell, ami a részecskegyorsítókkal évtizedeken át végzett kísérletek gyümölcseit reprezentálja.

Az elmélet részeit 1 a tízmilliárdhoz pontossággal tesztelték. Ha a neutrínó tömegét nem számítjuk, akkor a Standard Modell kivétel nélkül minden szubatomi részecskével végzett kísérleti eredménnyel összhangban van.

Attól függetlenül, hogy a kvantumelmélet mennyire sikeres, olyan kísérleti alapokon nyugszik, amelyek az utóbbi nyolcvan évben nagy teológiai és filozófiai viharokat keltettek. A második posztulátum különösen felkeltette a vallások haragját, mivel azt kérdezi, ki határozza meg a sorsunkat.

Hosszú időn át a filozófusokat, a teológusokat és a tudósokat izgalomban tartotta a jövő, és az, hogy vajon megismerhető-e a sorsunk. Shakespeare Macbeth-jében Banquo kétségbeesetten felejthetetlen szavakat ad elő, amikor a végzetünket eltakaró fátyolt fellebbentésére készül:

...ha csakugyan

Beláttok az idő vetésibe,

Hogy mely mag erjed s nő, - melyik vesz el, Csak szóljatok ...

( I . felvonás, 3. jelenet )

(Szász Károly fordítása)

Shakespeare ezeket a szavakat 1606-ban írta. Egy másik angol, Isaac Newton nyolcvan évvel később arcátlanul bejelentette, hogy erre az ősi kérdésre tudja a választ. Einstein és Newton egyaránt hitt a determinizmusnak nevezett elképzelésben, ami azt állítja, hogy elvben minden jövőbeli esemény előre meghatározott. Newton számára az Univerzum egy gigantikus óragépezet volt, amelyet Isten az idő kezdetén felhúzott. Azóta pontosan kiszámítható úton folyamatosan jár, alávetve a mozgás három törvényének. A francia matematikus Pierre Simon de Laplace, aki Napóleon tudományos tanácsadója volt, azt írta, hogy Newton törvényeit alkalmazva ugyanazzal a pontossággal jelezhetjük előre a jövőt, mint ahogy látjuk a múltat. Azt írta továbbá, hogy ha egy Lény az Univerzumban lévő összes részecske helyét és sebességét tudhatná, akkor „egy ilyen elme számára semmi sem lenne bizonytalan; és a jövő, akárcsak a múlt, a szemei előtt jelen lennének." Amikor Laplace bemutatta Napóleonnak fő művének egy példányát - ez volt az Égi mechanika -, az uralkodó megjegyezte, hogy „Ön ezt a munkát az egekről anélkül írta meg, hogy akárcsak egyszer is említette volna Istent." Laplace így felelt: „Uram, erre a hipotézisre nem volt szükségem."

Newton és Einstein számára a szabad akarat eszméje, miszerint saját sorsunk kovácsai vagyunk, illúzió volt. A valóságnak ezt a józan ész sugallta fogalmát, miszerint minden konkrét objektum, amit megérintünk, az valós és jól meghatározott állapotokban létezik, Einstein „objektív valóságnak" hívta. Álláspontját legvilágosabban az alábbiakban tette közzé:

„Determinista vagyok, kényszerítve arra, hogy úgy cselekedjek, mintha szabad akaratom lenne, mivel ha civilizált társadalomban akarok élni, felelősséggel kell cselekednem. Tudom, hogy filozófiai értelemben egy gyilkos nem felelős a bűneiért, de nem szeretnék együtt teázni vele. A pályafutásomat változatos erők, elsődlegesen azok a titokzatos mirigyek határozták meg, amelyeket nem tartottam ellenőrzés alatt, és amikben a természet az élet esszenciáját előkészítette. Henry Ford ezt Belső Hangnak nevezné, Szókratész a démonjaiként hivatkozna rájuk: a saját szavaival minden ember megmagyarázza, hogy az emberi akarat nem szabad... Minden determinált... olyan erők által, amelyeket nem tartunk hatalmunkban. Az emberek, a növények, vagy a kozmikus por, mi mindannyian a misztikus időben táncolunk egy láthatatlan, távoli játékos vezényletére.

A teológusok ugyancsak birkóztak ezzel a kérdéssel. A világ legtöbb vallása hiszi a predesztináció (eleve elrendelés) valamilyen formáját, elfogadja a gondolatot, hogy Isten nemcsak mindenható, de mindenütt jelenlévő, és mindentudó is (még a jövőt is tudja). Néhány vallásban ez azt jelenti, hogy Isten még a születésünk előtt tudja, hogy a pokolba vagy a mennyországba kerülünk-e. Lényegében tehát van valahol a mennyekben egy „végzet könyve" mindannyiunk nevével, és tartalmazza a születésünk dátumát, a sikereinket és a bukásainkat, az örömeinket és a vereségeinket, még a halálunk időpontját is, és azt is, vajon a paradicsomban fogunk-e élni vagy az örök kárhozatban.”

(A predesztinációnak ez a kényes teológiai kérdése vezetett részben a katolikus egyház kettészakadásához 1517-ben, amikor Luther Márton kiszögezte 95 pontját a wittenbergi templomra. Ebben támadta a búcsúcédulák árusításának egyházi gyakorlatát - ez lényegében megvesztegetés volt, amivel a gazdagok kikövezni vélték útjukat a mennyországba. Úgy tűnik, Luther talán azt mondta, Istennek tudnia kell a jövőbeli sorunkat és ez előre el van rendelve, ezért Istent nem lehet meggyőzni arról, hogy megváltoztassuk elgondolásait az egyháznak adott bőkezű adományokkal.)

A fizikus számára, aki elfogadja a valószínűségek koncepcióját, a harmadik posztulátum messze a legvitatottabb: fizikusok és filozófusok generációnak okozott fejfájást. A „megfigyelés" egy gyengén, rosszul definiált gondolat. Továbbá azon a tényen alapul, hogy a fizikának két típusa van: a szubatomi világok bizarr fizikája, ahol az elektronok egy időben két helyen is lehetnek, és a másik, a makroszkopikus világok fizikája, amiben mi is élünk, és ami Newton józan ésszel felfogható törvényeinek engedelmeskedik.

Bohr szerint egy láthatatlan „fal" választja el az atomi világot a számunkra ismerős mindennapi, makroszkopikus világtól. Míg az atomi világ a kvantumelmélet fura szabályainak van alávetve, addig mi az életünket a fal másik oldalán éljük, a csillagok és a bolygók jól definiált világában, ahol a hullámok mindig összeesnek.

Wheeler, aki a kvantumelméletet annak megalkotóitól tanulta, a két iskolának a kérdésről vallott gondolatait szerette volna összegezni. Példának felhozta a baseballjáték három bírójának az esetét. A játék során döntést kell hozniuk pontokról, és a három bíró sorban ezeket mondja:

Első bíró: Azt mondom, amit látok.

Második bíró: Elmondom, hogy van ez.

Harmadik bíró: Amíg én nem mondom, addig nem léteznek.

Wheeler szerint Einstein a második bíró, aki hitt abban, hogy van az emberi tapasztalaton túl egy abszolút valóság. Einstein ezt „objektív valóságnak" nevezte, ami az a gondolat, hogy az objektumok emberi közbeavatkozás nélkül is meghatározott állapotban léteznek. Bohr a harmadik bíró, aki amellett érvelt, hogy a valóság csak azután létezik, ha egy megfigyelést végeztünk.

Fák az erdőben

A fizikusok néha megvetéssel tekintenek a filozófusokra, és Cicerót idézik, aki egyszer azt mondta: „Nincs olyan abszurd dolog, amit egy filozófus még nem mondott ki." A matematikus Stanislaw Ulam pedig, aki fanyarul szemlélte az ostoba gondolatoknak adott fennkölt elnevezéseket, úgy vélekedett, hogy, „Az őrültség az a képesség, hogy finoman elválasszuk egymástól az értelmetlenség különböző típusait." Maga Einstein írta a filozófiáról:

„Az egész filozófia nem olyan, mintha mézzel írták volna? Csodálatosnak néz ki amikor elmélkedünk rajta, de ha még egyszer rápillantunk, minden elveszett. Csak a pempő marad vissza."

A fizikusok ugyancsak szeretik mesélni azt a kétes hitelességű történetet, amelyben állítólag egy egyetem rektora felbőszült, amikor rápillantott a fizikusok, a matematikusok és a filozófusok költségvetésére. „Miért van az, hogy ti, fizikusok állandóan olyan sok pénzt kértek eszközökre? A matematikai tanszék semmi mást nem kér, csak papírt, tollat és szemetes kosarat a papírnak, a filozófiai tanszék pedig még szerényebb. Ők még szemeteskosarat sem kérnek."

De lehet, hogy a filozófusok nevetnek utoljára. A kvantumelmélet nem teljes, és bizonytalan filozófiai alapokon nyugszik. A kvantumelmélet körüli vita arra kényszerít, hogy a Berkeley püspökéhez hasonló filozófusok állításait újra megvizsgáljuk - a püspök a 18. században azt hirdette, hogy az objektumok csak azért léteznek, mert az emberek ott vannak és megfigyelik azokat; ezt a filozófiát szolipszizmusnak vagy idealizmusnak nevezik.

Ha az erdőben egy fa kidől, de senki nincs ott, hogy megnézze, akkor ahogy ők hirdetik - valójában a fa nem dőlt ki.

Az erdőben kidőlő fák esetét újraértelmezhetjük a kvantumelmélettel. Mielőtt egy megfigyelést tennénk, még nem tudjuk, hogy a fa kidőlt-e vagy sem. Valójában a fa egyszerre létezik az összes lehetséges állapotában: lehet, hogy elégették, kidőlt, esővízben elpusztult, fűrészporrá lett, és így tovább. Amint egyszer megfigyeljük a fát, a fa hirtelen egy határolt állapotába kerül, és mi látjuk, hogy például ki van dőlve.

A relativitáselmélet és a kvantumelmélet filozófiai nehézségeit összehasonlítva Feynman egyszer megjegyezte: „Volt egyszer egy kor, amikor az újsághírek szerint a relativitáselméletet mindössze húsz ember értette. Nem hiszem, hogy volt egy ilyen időszak... Másfelől - gondolom biztonsággal kijelenthetem, hogy a kvantummechanikát senki sem érti." Azt írta, hogy a kvantummechanika „a józan ész nézőpontjából a természetet abszurdként írja le. És teljes egyezésben van a kísérletekkel. Ezért remélem, elfogadják a természetet olyannak, amilyen - abszurdnak." Ez kínos érzelmeket váltott ki sok gyakorló fizikusból, akik úgy érezték, mintha futóhomokra építették volna fel a világot. Steven Weinberg azt írta, hogy „beismerem a kényelmetlen helyzetet, miszerint olyan elmélet keretei között dolgoztam egész életemben, amit senki sem ért teljesen."

A hagyományos tudományban az észlelő amennyire csak lehetséges, megpróbál érzelmek nélkül elválni a világtól. (Ahogy egy vidám fickó mondta: „Mindig azonnal kiszúrhatod a tudóst egy sztriptízbárban, mivel ő az egyetlen, aki a nézőket figyeli.") De most első alkalommal úgy látjuk, hogy lehetetlen elválasztani a megfigyelőt a megfigyelttől. Mint Max Planck egyszer megjegyezte, „A tudomány nem oldhatja meg a Természet végső titkát. Ez azért van, mert végső soron mi magunk is része vagyunk annak a titoknak, amit meg akarunk oldani."

A macskaprobléma

Erwin Schrödinger, aki a hullámegyenletet felírta, úgy gondolta, hogy ez túl messzire vezet. Megvallotta Bohrnak, megbánta, hogy valaha is a hullámkoncepciót javasolta, és hogy a fizikába a valószínűség gondolatát bevezette.

A valószínűségek gondolatának lerombolására egy kísérletet javasolt. Gondoljuk el, hogy egy macskát bezárunk egy dobozba. A dobozban van egy puska is, amelyet egy darabka urán közelében elhelyezett Geigerszámláló működtet. Senki sem vitatja, hogy az urán radioaktív bomlása tisztán kvantumesemény, amelynek bekövetkeztét időben senki sem jelezheti előre.

Legyen mondjuk 50% az esélye annak, hogy egy uránatommag elbomlik a következő másodpercben. De ha az uránatommag elbomlik, akkor bekapcsolja a Geiger-számlálót, ami viszont a puskát hozza működésbe, az pedig lelövi a macskát, és a macska elpusztul. Mielőtt kinyitnánk a dobozt, lehetetlen megmondani, hogy a macska élő vagy holt. A macska állapotának leírására a fizikusok az élő és a halott macska hullámfüggvényét összeadják

- azaz a macskát 50% eséllyel döglöttnek, és egyidejűleg 50% eséllyel élőnek gondolják.

Most nyissuk ki a dobozt. Amint bepillantunk a dobozba, egy megfigyelést teszünk, így a hullámfüggvény összeomlik és látni fogjuk, hogy a macska - mondjuk - él. Schrödinger szerint mindez ostobaság. Hogyan lehet a macska egyszerre élő és holt is egyidejűleg, csak mert nem néztünk bele a dobozba? Hirtelen életre és létezésre kelt akkor, amint megfigyeltük?

Einsteinnek szintén ellenszenves volt ez a magyarázat. Valahányszor vendégei érkeztek azt kérte: nézzenek a Holdra. Hirtelen létezővé válik-e attól, hogy egy egér ránéz? Einstein úgy hitte, a válasz nem. De bizonyos értelemben a válasz lehet igen.

Az események végül 1930-ban jutottak el csúcspontjukká, amikor Einstein és Bohr között egy történelmi összecsapásra került sor a Solvaykonferencián.

Wheeler később ezt úgy emlegette, mint az általa ismertek közül a szellemtörténet legnagyobb vitáját. A következő 30 évben nem hallott nagyobb emberek között fontosabb vitát, amely az Univerzum megértésében mélyebb következményekkel járt volna.

A mindig bátor, merész és meglepően ékesszóló Einstein „gondolatkísérletek" zárótüzét szolgáltatta a kvantumelmélet lerombolására. A szakadatlanul motyogó Bohr szédült minden egyes támadás után. A jelenlevő

Paul Ehrenfest fizikus így értékelt: „Számomra csodálatos volt ott lenni a Bohr és E. közötti vitákon. E. mint egy sakkjátékos, egyre újabb példákkal hozakodik elő. A másodfajú örökmozgók egy típusaként szándékszik megtörni a határozatlansági elvet. Bohr mindig a filozófiai füst ködéből keresi az eszközöket, hogy egyik példát a másik után megcáfolja. Einstein meg mint egy, minden reggel frissen ugrándozó keljfeljancsi. Óh, pompás volt! De én fenntartások nélkül Bohr-párti és E.-ellenes vagyok. E. éppen úgy viselkedik most Bohrral szemben, ahogyan az abszolút egyidejűség védelmezői viselkedtek ővele."

Végül Einstein egy olyan kísérletet indítványozott, amiről azt gondolta, hogy megadja a kvantumelméletnek a kegyelemdöfést. Képzeljünk el egy fotongázt tartalmazó dobozt. A dobozon van egy zár, ami nyitvatartásának nagyon rövid ideje alatt elengedhet egy darab magányos fotont. Mivel a zár sebességét és a foton energiáját is pontosan lehet mérni, valaki meghatározhatná a foton állapotát végtelen nagy pontossággal, ami megsértené a határozatlansági elvet.

Ehrenfest azt írta, hogy „Bohr számára ez kemény csapás volt. Abban a pillanatban nem látta a megoldást. Egész este nagyon boldogtalan volt, egyik embertől a másikig sétált, próbálta meggyőzni őket, hogy ez nem lehet igaz, mert ha E.-nek igaza van, akkor ez a fizika végét jelentené. De nem talált cáfolatot. Sosem fogom elfelejteni az egyetemi klubot elhagyó két ellenség látványát. Einstein, a fenséges figura, egy halvány ironikus mosollyal győztesen lépked, és a nagyon felizgatott Bohrt, ahogy elüget..."

Amikor később Ehrenfest összefutott Bohrral, Bohr beszédképtelen volt; minden, amit ki tudott motyogni a száján ugyanaz és ismét csak ugyanaz az egy szó volt: „Einstein... Einstein... Einstein..."

A következő napon, egy intenzív, álmatlan éjszaka után Bohr képes volt egy apró rést találni Einstein érvelésében. A foton kibocsátása után a doboz kissé könnyebbé vált, mert az anyag és az energia ekvivalensek egymással.

Ez azt jelenti, hogy a doboz a gravitáció hatása alatt kissé felemelkedik, mivel az energiának tömege van, Einstein saját gravitációelméletének megfelelően. De ez a foton energiájában bizonytalanságot okoz. Ha ebből kiszámoljuk a tömeg és a zársebesség bizonytalanságát, kiderül, hogy a doboz pontosan eleget tesz a határozatlansági elvnek. Bohr Einstein saját gravitációelméletét használta fel Einstein cáfolatához! Bohr nagyszerű győzedelmet aratott. Einstein vesztett.

Amikor Einstein panaszkodott, hogy „Isten nem játszik kockajátékot", Bohr azzal vágott vissza, hogy „álljunk le azzal, hogy megmondjuk Istennek, mit tegyen". Végül Einstein beismerte, hogy Bohr sikeresen cáfolta meg az érvelését. Einstein később azt írta: „Meg vagyok győződve róla, hogy ez az elmélet kétségkívül tartalmazza az igazság elemeit." (Ennek ellenére Einstein megvetést érzett az olyan fizikusok iránt, akik nem értékelték a kvantummechanika szövevényes paradoxonjait. Egyszer azt írta, hogy „természetesen manapság minden csirkefogó azt hiszi, hogy tudja a választ, de ezzel csak saját magát csapja be.")

Ez és még más, a kvantumfizikusokkal folytatott viták után Einstein végül is beadta a derekát, de egy eltérő megközelítést választott. Elismerte, hogy a kvantumelmélet helyes, de csak bizonyos határokon belül, mint a valódi igazságnak egy közelítése. Ugyanazon az úton, ahogy az általános relativitáselmélet általánosította (de nem tette semmissé) Newton elméletét, a kvantummechanikát is bele akarta foglalni egy általánosabb, hatékonyabb elméletbe, az egyesített térelméletbe.

(Ez a vita, egyik oldalról Einstein és Schrödinger, másik oldalról Heisenberg és Bohr között nem egykönnyen hagyható figyelmen kívül, mivel ezek a „gondolatkísérletek" ma már laboratóriumokban elvégezhetők. Noha a tudósok nem tudnak egy macskát egyidejűleg élőnek és holtnak feltüntetni, a nanotechnológiával egyes atomokat manipulálhatnak. Nemrégiben ezeket az elmét próbáló kísérleteket elvégezték egy hatvan szénatomot tartalmazó gömbölyű fullerénmolekulával, így a nagy objektumokat a kvantumobjektumoktól elválasztó, Bohr által vizionált „fal" gyorsan morzsolódik. A kísérleti fizikusok manapság azon elmélkednek, mi kellene annak kimutatásához, hogy egy vírus, ami több ezer atomból áll, ugyanabban az időpontban két helyen is lehet egyszerre.)

A bomba

Sajnos ezek a kifinomult viták Hitler hatalomra kerülésével 1933-ban megszakadtak. Rohanás kezdődött az atombomba megépítéséért. Einstein híres E = mc^2 egyenletének felírása óta ismert volt, hogy az atomba óriási mennyiségű energia van bezárva. De a legtöbb fizikus kinevette azt az ötletet, hogy ez az energia valaha is kinyerhető lesz. Még Ernst Rutherford is - az az ember, aki felfedezte az atommagot - azt mondta, „Az atomhasítással történő energiatermelés nagyon gyenge gondolat. Bárki, aki ezeknek az atomoknak a transzformációjától egy energiaforrást vár, az fantazmagóriát kerget."

1939-ben Bohr egy nagyon fontos utazást tett az Egyesült Államokba, és New Yorkban szállt partra, hogy találkozzon tanítványával, John Wheelerrel. Baljós hírt hozott: Otto Hahn és Lise Meitner kimutatták, hogy az urán atommagja a hasadásnak nevezett folyamatban két részre esik és energia szabadul fel. Bohr és Wheeler nekiálltak kidolgozni a maghasadás kvantummechanikai elméletét. Mivel a kvantumelméletben minden az esélyektől és a valószínűségektől függ, megbecsülték annak valószínűségét, hogy egy neutron kettétörheti az uránmagot, és ebből két vagy több neutron származik, amelyek még több uránmagot hasíthatnak ketté és így tovább egy modern várost is elsöprő láncreakció erejét hozva létre. (Ezt az

uránban lejátszódó folyamatot Szilárd Leó már 1933-ban felismerte, de óvatosságból az erre vonatkozó szabadalmát kérésére a Brit Admiralitás titkosította - a fordító.)

(A kvantumelméletben soha nem lehet tudni, hogy egy bizonyos neutron elhasítja-e az uránatomot, de hihetetlen pontossággal ki lehet számítani, hogy milliárd uránatom közül hány fog egy bombában szétesni. Ez a kvantummechanika ereje.)

Számításaik azt mutatták, hogy atombomba készítése lehetséges. Két hónappal később Szilárd Leó, Wigner Jenő, Wheeler és Bohr találkozott Einsteinnel annak Princetonban lévő régi irodájában, és az atombomba kilátásairól cseréltek eszmét. Bohr úgy hitte, hogy a bomba megépítése az egész amerikai nemzet erőforrásait igénybe veszi. (Nemsokára Szilárd meggyőzte Einsteint, hogy Einstein írjon egy sürgető levelet Frankiin Roosevelt elnöknek - a levelet magát is Szilárd fogalmazta meg -, hogy felgyorsítsák az atombomba megépítését.)

Ugyanebben az évben a nácik, tudatában lévén annak, hogy az urániumból katasztrofális mennyiségű energia szabadítható fel, és ebből legyőzhetetlen fegyver készíthető, utasították Bohr tanítványát, Heisenberg-et, hogy készítsen ilyen bombát Hitler számára. A hasadás kvantumvalószínűségéről folytatott egész éjszakás viták halálosan komollyá váltak, a máglyahalálban vergődő emberiség sorsáról szóltak már. A macska életben találásának valószínűségéről szóló vitákat gyorsan felváltották az urán hasadásának valószínűségéről folytatott megbeszélések.

Amikor a nácik már lerohanták Európa nagyobb részét, akkor - 1941-ben Heisenberg tett egy titkos utat Koppenháhába idős mesteréhez, Bohrhoz. A találkozó pontos természetét még ma is a misztikum fátyla borítja, és noha díjnyertes színházi előadást írtak belőle, a történészek a mai napig vitatkoznak, hogy mi is hangzott el. Heisenberg felkínálta a náci atombomba elszabotálását? Vagy Heisenberg megpróbálta beszervezni Bohrt a náci bomba építésébe? Hat évtizeddel később, 2002-ben a Heisenberg szándékait övező titok nagyobb része végleg eloszlott, amikor a Bohr-család nyilvánosságra hozott egy, az 1950-es években Bohr által Heisenberg-nek írt levelet, bár Bohr ezt a levelet soha nem adta postára. Ebben a levélben Bohr visszaemlékezett arra, hogy Heisenberg azt mondta a találkozón, hogy a náci győzelem elkerülhetetlen. Mivel az elsöprő náci lendületet nem állították meg, csak az lenne logikus, ha Bohr a náciknak dolgozna. Bohr ízig-vérig remegett és megdöbbent. Reszketve elutasította, hogy lehetővé tegye kvantumelméleti munkáinak náci kezekbe kerülését. Mivel Dánia akkor már német megszállás alatt volt, Bohr repülővel, titokban tervezett elmenekülni. Az oxigénhiánytól majdnem megfulladt, miközben a repülőúton a szabadság felé tartott.

Időközben a Columbia Universityn Enrico Fermi megmutatta, hogy a nukleáris láncreakció megvalósítható. Miután ehhez a következtetéshez eljutott, körültekintett New York városában, és arra gondolt, hogy egyetlen bomba eltüntethetné a város híres sziluettjét. Wheeler, felismerve, hogy milyen óriásivá válik ez a máglya, önként otthagyta Princetont és csatlakozott Fermihez a University of Chicago egyetemen, ahol a Stagg Field stadion alagsorában együtt megépítették az első atomreaktort, s ezzel hivatalosan megnyitották az atomkort.

A következő évtizedben Wheeler tanúja volt az atomhadviselés néhány monumentális fejleményének. A háború alatt segített a Washington állambeli Hanfordban a hatalmas reaktor megtervezésében, ami a Nagaszakit elpusztító atombombához szükséges nyers plutóniumot állította elő. Néhány évvel később a hidrogénbombán dolgozott, és tanúja volt 1952-ben az első hidrogénbomba-robbanásnak: a pusztítás eltüntetett egy kis szigetet a Csendes-óceánban. De miután egy évtizednél is hosszabb időn át a világtörténelem élvonalában volt, véglegesen visszatért első szerel méhez, a kvantumelmélet titkaihoz.

Pályaösszegzés

A háború utáni időszakban Wheeler számos tanítványának egyike Richard Feynman volt, aki rábukkant arra az eljárásra, ami a kvantummechanika bonyolultságait talán a legegyszerűbb és legalaposabb módon összegzi. (Ennek az ötletnek köszönhetően Feynman 1965-ben elnyerte a Nobel-díjat.) Mondjuk, valaki keresztül akar sétálni a szobán. Newton szerint a legrövidebb utat is lehetne választani az A pontból a B pontig - nevezzük ezt klasszikus útvonalnak. De Feynman szerint először is az A és a B pontot összekötő összes lehetséges útvonalra figyelemmel kell lennünk. Ez azt jelenti, hogy a Marson, a Jupiteren, a legközelebbi csillagon át vezető, de még az időben hátra, egészen az Ősrobbanásig visszavivő útvonalakat is tekintetbe kell venni. Mindegy, hogy mennyire számít őrültnek vagy rendkívül bizarrnak az útvonal, figyelembe kell venni őket. Feynman megadta a pontos szabályt, amivel minden egyes útvonalhoz egy számot rendelünk.

Csodálatosképpen, az összes lehetséges útvonalra kapott számokat összeadva megkapjuk, hogy az A pontból a B pontba való eljutásnak mennyi a valószínűsége a standard kvantummechanika szerint. Ez valóban nagyon figyelemreméltó volt.

Feynman azt találta, hogy a newtoni mozgástörvényeket sértő bizarr útvonalakhoz rendelt számértékek rendszerint kiejtik egymást, és az összegük egy nagyon kicsi számot ad eredményül. Ez a kvantumfluktuációk eredete - az útvonalakat jelentik, amiket összegezve nagyon kicsi számot kapunk. Azt is felismerte, hogy a józan észnek megfelelő newtoni útvonal az egyetlen, amelyik nem esik ki és ezért az összeghez a legnagyobb járulékot adja; ez az az útvonal, amelyiknek a legnagyobb a valószínűsége, így a fizikai világból a mi józan eszünk egyszerűen a végtelen számú állapot közül a legvalószínűbbet észleli. De együtt élünk az összes lehetséges állapottal, amelyek némelyike visszavisz minket a dinoszauruszok korába, vagy a legközelebbi szupernóvához vagy az Univerzum széléhez. Ezek a furcsa - és szerencsére nagyon kis valószínűségű - útvonalak hozzák létre a megszokott newtoni útvonaltól való apró eltéréseket.

Más szavakkal, bármilyen szokatlanul is hangzik, minden alkalommal, amikor a szobán Ön keresztülmegy, a teste valahogy „végigszaglássza" az összes lehetséges útvonalat az időben előre, elérve a távoli kvazárokat és az Ősrobbanást is, és utána összeadja őket. A funkcionál-integráloknak nevezett hatékony matematikai eszközökkel Feynman kimutatta, hogy a newtoni útvonal egyszerűen a legvalószínűbb, de nem az egyetlen. Matematikai bűvészmutatványokkal Feynman képes volt ezt a képet igazolni, és akármilyen furcsának tűnik, de ez a kép egyenértékű a

kvantummechanikával.

(Valójában ezzel a megközelítéssel Feynmannak sikerült levezetni a Schrödinger-féle hullámegyenletet.)

Manapság, amikor a GUT-elméletet, az inflációt, továbbá a húrelméletet fogalmazzuk meg, akkor Feynman „útvonal-összegzési", azaz pályaintegrál felfogását használjuk. A világ minden egyetemén tanítják ezt a módszert, és egyben a kvantumelméletnek messze a leghatékonyabb és legkényelmesebb megfogalmazása.

(Feynman útvonal-összegzési módszerét én minden nap használom a saját kutatásaimban. Minden általam leírt egyenlet az útvonalak összegzésének nyelvén van leírva. Amikor egyetemi hallgatóként először tanultam Feynman nézőpontjáról, az megváltoztatta az egész

gondolkodásmódomat az Univerzumról. Az általános relativitáselmélet és a kvantumelmélet elvont matematikáját értettem, de az ötlet, hogy bizonyos értelemben megérintem azokat az útvonalakat, amelyek engem a Marsra vagy éppenséggel egy távoli csillagra visznek amikor keresztülsétálok a szobán, az egész világképemet megváltoztatta. Hirtelen, a kvantumvilágban élve, egy különös új gondolkodásmódom lett magamról. Kezdtem felismerni, hogy a kvantumelmélet sokkal idegenebb, mint a relativitáselmélet agyament következményei.)

Amikor Feynman megalkotta ezt a különös szabályrendszert, a Princeton Universityn dolgozó Wheeler gyorsan átrohant a szomszédba, az Institute for Advanced Study intézetbe, hogy meglátogassa Einsteint és meggyőzze az új szemléletmód eleganciájáról és hatékonyságáról. Wheeler izgatottan magyarázta Einsteinnek Feynman elméletét a pályaintegrálokról. Wheeler nem vette észre, hogy milyen szörnyen őrültnek kellett hangzania mindennek Einstein számára. A magyarázat után Einstein megrázta a fejét, és megismételte, hogy ő nem hiszi, hogy Isten kockajátékot játszana a világgal. Einstein elismerte Wheelernek, hogy talán téved, de kitart amellett, hogy kiérdemelte a jogot, hogy tévedhessen.

Wigner barátja

A legtöbb fizikus a vállát vonogatja és megadóan felteszi a kezét, amikor a kvantummechanika legbolondabb paradoxonjaival kerül összeütközésbe. A legtöbb gyakorló tudós számára a kvantummechanika egy receptgyűjtemény, amelynek alkalmazása hátborzongató pontossággal megadja a valószínűségek értékeit. Ahogy a fizikusból lett pap John Polkinghorne mondta: „Az átlagos kvantummechanikus nem filozofál többet, mint egy átlagos autószerelő."

De a fizika legmélyebb gondolkodóinak némelyike erejét megfeszítve küszködik ezekkel a kérdésekkel. Például „Schrödinger macskája" kérdésének jó néhány megoldása ismert. A Nobeldíjas Wigner Jenő és mások által védelmezett megoldás szerint a tudat határozza meg a létezést. Wigner azt írta, hogy „teljesen konzisztens módon a kvantummechanika törvényeit lehetetlen volt megalkotni a[z észlelő] tudatával való kapcsolat nélkül... éppen a külvilág tanulmányozása vezetett el ahhoz a következtetéshez, hogy a tudattartalom maga a végső valóság." Vagy, ahogyan azt a költő John Keats írta egyszer, „soha semmi sem válik valósággá, amíg meg nem tapasztaljuk."

Ha én végzek egy megfigyelést, mi határozza meg azt, hogy én milyen állapotban vagyok? Ez azt jelenti, hogy valaki másnak meg engem kell megfigyelnie, hogy a hullámfüggvényem összeessen? Ezt a valakit néha „Wigner barátjának" nevezik. De ez azt is jelenti, hogy valakinek meg Wigner barátját kell megfigyelnie, és megint másvalakinek Wigner barátjának a barátját és így tovább. Van egy kozmikus tudat, ami meghatározza a barátok egész sorozatát azzal, hogy figyeli az egész Univerzumot?

Az egyik fizikus, aki kitartóan hisz a tudat központi szerepében, Andrej Linde, a felfúvódó Világegyetem elmélete megalapítóinak egyike. „Én, mint ember, nem ismerek semmilyen olyan értelmezést, amiben kijelenthetném, hogy az Univerzum itt van, ha nincsenek, akik észleljék. Az Univerzum és mi együtt vagyunk. Ha valaki azt mondja, hogy az Univerzum létezik észlelők nélkül, annak semmilyen jelentése nincs. Nem tudom elképzelni a mindenség olyan konzisztens elméletét, ami figyelmen kívül hagyja a tudatot. Egy felvevőgép nem játszhatja el az észlelő szerepét, mert ki fogja leolvasni, mi van a felvevőgépre rögzítve? Ahhoz, hogy lássuk, valami történik és elmondjuk másnak, hogy valami történik, szükségünk van az Univerzumra, egy felvevőgépre és magunkra... Észlelők nélkül az Univerzum halott."

Linde filozófiája szerint a dinoszauroszok maradványai valójában nem léteztek mindaddig, amíg meg nem pillantottuk őket. De amikor rájuk néztünk, akkor életre keltek, úgy, mintha már millió évekkel ezelőtt léteztek volna. (A fizikusok, akik ezt a nézőpontot vallják, gondosan rámutatnak arra, hogy ez a kép kísérletileg összhangban áll egy olyan világgal, amelyben a dinoszauruszmaradványok tényleg több millió évesek.) (Néhányan, akik nem szeretik a tudatot a fizikába behozni, azt állítják, hogy egy kamera is észlel egy elektront, ezért a hullámfüggvénye a tuda- tot nélkülöző igénybevétel nélkül is összeeshet. Akkor viszont ki az, aki azt mondaná, hogy a kamera létezik? Egy másik kamerára van szükség ahhoz, hogy megfigyelje az első kamerát és összeomlassza annak hullámfüggvényét, így egy második kamerára van szükség az első észlelésére, és egy harmadikra, hogy figyelje a másodikat, és így tovább a végtelenségig, Ezért a kamerákkal való operáció nem válaszolja meg a kérdést, hogyan omlik össze a hullámfüggvény.)

Dekoherencia

A fizikusok között nagy népszerűségre tett szert a dekoherencia, ami részben feloldja ezeket a bonyolult filozófiai kérdéseket. A dekoherencia tanát először Dieter Zeh német fizikus fogalmazta meg 1970-ben. Azt vette észre, hogy a valós világban a macskát nem lehet elválasztani a környezettől.

A macska állandó kapcsolatban van a levegővel, a dobozzal, még a kísérleti berendezést átszelő kozmikus sugarakkal is. Ezek a kölcsönhatások

- függetlenül attól, hogy milyen kicsik - radikálisan befolyásolják a hullámfüggvényt: ha pedig a hullámfüggvényt a legcsekélyebb mértékben is megzavarja valami, akkor a hullámfüggvény azonnal az élő macska vagy a halott macska két külön hullámára esik szét, amelyek többé nem vesznek részt kölcsönhatásban. Zeh megmutatta, hogy elegendő egyetlen légköri molekulával ütközni ahhoz, hogy a hullámfüggvény összeessen, és ez kikényszeríti az élő és a halott macska hullámfüggvénye közötti végleges szétválást. Másképp fogalmazva, még mielőtt kinyitnánk a dobozt, a macska már kontaktusba került a levegő molekuláival, és ezért már vagy holt, vagy élő.

Zeh olyan megfigyelést tett, ami mindaddig elkerülte a figyelmet: ahhoz, hogy a macska egyszerre legyen élő és halott, az élő macska

hullámfüggvényének és a döglött macska hullámfüggvényének egymással majdnem teljesen pontos szinkronban kell vibrálnia, amit koherenciának neveznek. De kísérletileg ez majdhogynem lehetetlen. Laboratóriumban kivételesen nehéz együttesen vibráló koherens objektumokat előállítani.

(A gyakorlatban nehéz egy maroknyi atomnál többet koherens vibrációra késztetni a külső környezettel való kölcsönhatások miatt.) A valódi világban az objektumok kölcsönhatnak a környezettel, és a külvilággal való legkisebb kölcsönhatás is megzavarhatja a két hullámfüggvényt, és az ilyen zavar után rögtön elkezdenek „dekoherenciálódni" - ami annyit tesz, hogy szinkronjukból kiesnek és elválnak egymástól. Ha egyszer a két hullámfüggvény már nincs egymással fázisban, akkor - ahogy Zeh megmutatta a két hullámfüggvény többé nem hat egymással kölcsön.

Sokvilág

Első pillanatra a dekoherencia kielégítően hangzik, mivel ebben az elméletben a hullámfüggvény nem a tudat hatására esik össze, hanem a külvilággal való véletlen kölcsönhatások eredményeképp. Ez azonban nem oldja meg az Einsteint nyugtalanító alapvető fontosságú kérdést: hogyan „választja" ki a természet, hogy neki melyik állapotba kell összeomlania? Amikor egy levegőmolekula ütközik a macskával, ki vagy mi határozza meg a macska végső állapotát? A dekoherenciaelmélet egyszerűen csak annyit állít, hogy a két hullámfüggvény elválik egymástól és nem hat többé kölcsön, de nem válaszolja meg az eredeti kérdést: halott vagy élő-e a macska? Más szavakkal megfogalmazva ez azt jelenti, hogy a dekoherencia a kvantummechanikában szükségtelenné teszi a tudat szerepét, de nem oldja meg az Einsteint zavaró kulcskérdést: hogyan „választja ki" a természet a macska végső állapotát? E kérdésről a dekoherenciaelmélet hallgat.

De létezik a dekoherenciának egy természetes továbbfejlesztése, ami megoldja ezt a kérdést és amit a fizikusok széles köre elfogadott. Ezt a második megközelítést szintén Wheeler egyik tanítványa, Hugh Everett III kezdte kidolgozni, aki annak a lehetőségét vizsgálta meg, hogy a macska egyidejűleg élő és holt, de két különböző univerzumban. Amikor Everett PhD-disszertációját 1957-ben befejezte, alig figyeltek fel rá, de ahogy múltak az évek, a „sokvilág"-értelmezés iránti érdeklődés elkezdett nőni. Ma pedig már a kvantumelmélet paradoxonjai iránt megújult érdeklődés szökőárját nem lehet megállítani.

Ebben a radikálisan új értelmezésben a macska halott is és élő is, mert az Univerzum két részre hasadt. Az egyik univerzumban a macska halott, egy másik univerzumban a macska élő. Valójában minden egyes

kvantumhelyzetben az Univerzum félbehasad, és a kettéhasadt univerzumok véget nem érő sorozata áll elő. Ebben a képben mindenféle univerzum lehetséges, és az egyik éppen olyan valóságos, mint a másik. Az egyik univerzumban élők erőteljesen tiltakozhatnak, hogy csak az ő univerzumuk az igazi és az összes többi csak utánzat, vagy mindössze csak a képzeletben létezik. Ezek a párhuzamos univerzumok nem tiszavirág-életű szellemvilágok; minden egyes univerzumon belül szilárd tárgyak tűnnek fel és konkrét események történnek, amik éppoly valóságosak és objektívek, mint bármelyik másikban. Ebben az elméletben a hullámfüggvény soha nem esik össze, hanem folyamatosan csak változik, örökösen szétesik más hullámfüggvényekre, és egy soha véget nem érő fához hasonlít, amelynek minden egyes ága egy-egy egész univerzumot jelent. A sokvilág-elmélet nagy előnye, hogy egyszerűbb, mint a koppenhágai értelmezés: elvethetik a harmadik posztulátumot, vagyis nem szükséges hozzá a hullámfügg- vény összeomlása. Az ár, amit ezért fizetünk, hogy olyan univerzumaink vannak, amelyek folyamatosan millió ágra oszlanak. (Úgy találhatjuk, nehéz megérteni, hogyan lehet számon tartani az univerzumok burjánzását. De Schrödinger hullámegyenlete ezt automatikusan biztosítja. A hullámfüggvény fejlődésének egyszerű nyomonkövetésével bárki rögtön láthatja a hullám nem kevés elágazását.)

Ha ez az értelmezés helytálló, akkor éppen ebben a pillanatban a testünk együtt létezik és halálos harcba száll a dinoszauruszok hullámfüggvényével. A szobában, ahol vagyunk, együtt létezünk egy olyan világ hullámfügg- vényével, ahol a második világháborút a németek nyerték meg, ahol a világűrből érkezett idegenek kószálnak és amelyben Ön sohasem született meg. Az ember a fellegvárban és az Alkonyzóna világai a szobánkban létező univerzumok között van. Az elválasztóretesz az, hogy többé nem vagyunk velük kölcsönhatásban, mivel a hullámfüggvényük elvált tőlünk. Ahogy Alan Guth mondta, „Van egy univerzum, amelyben Elvis él." A fizikus Frank Wilczek azt írta: „kísért minket az a tudat, hogy saját magunknak végtelen sok kópiája éli a saját párhuzamos életét és minden egyes pillanatban megduplázódik és új egzisztencia kel életre, és számos alternatív jövőbe visz minket." Megjegyzi, hogy a görög civilizáció története, és így a nyugati világé is más lehetne, ha Trójában Heléna nem lett volna elragadóan szép, hanem egy csúnya bibircsók lett volna az orrán. „Nos, a bibircsókok egyetlen sejt mutációjából is képződhetnek, gyakran a Nap ultraibolya sugárzása okozza őket." Úgy folytatta, hogy „A következtetés: sok-sok olyan világ létezik, amelyben Helénának biztosan van egy bibircsók az orra hegyén."

Nekem eszembe jutott egy rész Olaf Stapledon klasszikus sci-fi regényéiről, a Csillagkészítőből (Star Maker): „Akárhányszor egy teremtmény több cselekvési lehetőséggel került szembe, mindegyiket választotta, s ezzel a kozmosznak... sok különböző története jött létre. Mivel a kozmosz minden fejlődési sorozatában sok teremtmény volt és mindegyik folytonosan számos lehetséges következménnyel nézett szembe, és a következményeik kombinációinak száma megszámlálhatatlan volt, minden világsorozat minden pillanatában különböző univerzumok végtelen száma alakult ki."

A fejünk beleszédül, amikor észrevesszük, hogy a kvantummechanika ilyen értelmezése szerint az összes lehetséges világ velünk együtt létezik. Noha féreglyukakra lenne szükség, hogy ezeket a más világokat elérjük, ezek a kvantumrealitások ugyanabban a szobában léteznek, amelyikben mi is vagyunk. Akárhova megyünk, ezek velünk együtt léteznek. A kulcskérdés: ha mindez igaz, miért nem látjuk, hogy betöltik ezek a más univerzumok a szobát, ahol vagyunk? Ez az, ahol a dekoherencia belép: a hullámfüggvényünk dekoherálódott ezektől a más világoktól (azaz, a hullámok nincsenek többé fázisban egymással). Többé nem vagyunk kapcsolatban velük. Ez azt jelenti, hogy a környezettel való legkisebb beszennyeződés is meg fog óvni minket attól, hogy a különböző hullámfüggvények kölcsönhassanak egymással. ( A II. fejezetben említeni fogok egy lehetséges kivételt e szabály alól, amelyben intelligens lények utazni tudnak a kvantumrealitások között.)

Túlságosan furcsának tűnik mindez ahhoz, hogy lehetséges legyen? A Nobeldíjas Steven Weinberg a rádióhoz hasonlítja a többszörös univerzum elméletét. Mindenki körül a különböző állomásokról leadott több száz, különböző hullámhosszúságú rádióhullám van. Egy adott pillanatban a dolgozószobánk, vagy a kocsink, vagy a hálószobánk tele van ezekkel a rádióhullámokkal. De ha bekapcsoljuk a rádiót, egy időben csak egy frekvencián fogjuk az adást; a többi frekvenciát leválasztottuk és többé nincsenek fázisban egymással. Minden adónak más a

frekvenciája és más az adóteljesítménye. Ennek eredményeképpen a rádió egy időben csak egy adóra hangolható.

Hasonlóképpen, Univerzumunkban egyetlen frekvenciára vagyunk „rákapcsolva", arra, ami megfelel a fizikai valóságnak. De ugyanabban a szobában párhuzamos valóságok végtelen sokasága létezik velünk együtt, bár nem tudunk „rájuk hangolódni". Noha ezek a világok nagyon hasonlóak, mindegyiknek kicsit más az energiája. És mert minden világ sok trillió atomból áll, emiatt az energiakülönbség nagyon nagy is lehet. Mivel ezek a frekvenciák arányosak az energiatartalommal (a Planck-törvénynek megfelelően), ez azt jelenti, hogy minden világ eltérő frekvenciákon vibrál és többé nem hat kölcsön. Minden szándék és akarat ellenére, ezeknek a különböző világoknak a hullámai nem fognak kölcsönhatni és nem befolyásolják egymást.

Meglepő módon ezt a különös nézőpontot elfogadva, a tudósok le tudják származtatni a koppenhágai iskola összes eredményét anélkül, hogy a hullámfüggvény összeomlására szükségük lenne. A kísérleteket akár a koppenhágai értelmezéssel, akár a sokvilág-értelmezéssel végzik el, pontosan ugyanazt az eredményt fogják kapni. Bohr hullámfüggvény-összeesése matematikailag egyenértékű a környezettel való beszennyeződéssel. Más szavakkal, Schrödinger macskája ugyanabban a pillanatban lehet élő is, holt is, ha valahogy tudjuk izolálni a macskát a kozmikus sugaraktól, az atomoktól és minden lehetséges környezeti szennyezéstől. Természetesen ez gyakorlatilag kivitelezhetetlen. Amint a macska kapcsolatba kerül egy kozmikus sugárral, az élő macska és a halott macska elválik egymástól, és ezért tűnik úgy, hogy a hullámfüggvénye összeomlott.

A bitelmélet

A kvantumelmélet mérési problémái iránti megújult érdeklődés során Wheeler a kvantumfizika nagy öregjévé vált, és sok konferencián tűnt fel, amit a tiszteletére szerveztek. A New Age hívei még egyfajta guruként is köszöntötték, mint akit izgat a tudat szerepe a fizikában. (Ő nem mindig örült az ilyesféle asszociációknak. Egyszer nagyon lehangolta, amikor egy parapszichológussal ugyanazon a rendezvényen találta magát. Gyakran előállt egy állítással, ami tartalmazta azt a mondatot, hogy „Ahol füst van, ott füst van.")

A kvantumelmélet paradoxonjain való hetvenévnyi elmélkedés után Wheeler az első, aki elismeri, hogy nem tudja az összes választ. Állandóan megkérdőjelezi a saját feltevéseit. Amikor a kvantummechanika mérési problémáiról kérdezik, azt mondja: „Megőrülök ettől a kérdéstől. Megvallom, hogy néha száz százalékig komolyan veszem a gondolatot, hogy a világ csak a képzelet koholmánya, más alkalmakkor meg azt, hogy a világ tőlünk függetlenül létezik. De szívből jövően aláírom Leibniz következő szavait: »A világ lehet fantazmagória és a létezés talán csak csupa álom, de ez az álom vagy fantazmagória számomra elég valóságos, ha az értelmet helyesen használva soha nem csap be minket.«"

A sokvilág/dekoherenciaelmélet mára nagy népszerűségre tett szert a fizikusok körében. De Wheelert nyugtalanítja, hogy „túl sok a többletcsomag".

Ő Schrödinger macskájának problémáját illetően egy másik magyarázattal játszadozik. Ezt az elméletet ő úgy nevezi: „Bitből Az" (It from Bit). Ez egy, a fősodortól eléggé eltérő elmélet, ami abból indul ki, hogy az információ a létezés gyökere. Amikor a Holdra nézünk, vagy egy galaxisra, vagy egy atomra, állítása szerint azok lényege a bennük tárolt információ.

Ez az információ csak akkor kelt életre, amikor az univerzum észlelte önmagát. Az univerzum történetét egy kördiagramon szemlélteti. Az univerzum kezdetekor az univerzum megjelent, mert észlelték Ez azt jelenti, hogy ,Az" (az univerzum anyaga) akkor jelent meg a semmiből, amikor az univerzum információját (a „bit"-et) megfigyelték. Ő ezt „részvételi univerzumnak" hívja - az alapgondolat az, hogy az univerzummal kölcsönösen alkalmazkodunk egymáshoz; a mi létezésünk teszi az Univerzumot lehetővé. (Mivel a kvantummechanika mérési problémáiról általában nincs egyetértés, a „Bitből Az" elmélet kapcsán a legtöbb fizikus várakozási álláspontra helyezkedik.)

Kvantumszámolás és teleportálás

Az ilyen filozófiai eszmefuttatások talán reménytelenül elvontnak tűnhetnek, mentesnek bármilyen, evilágunkbeli gyakorlati alkalmazástól. A kvantumfizikusok azon problémáznak, hogy az elektron egy időben hány helyen lehet, de ezzel az erővel azon is vitatkozhatnának, hogy egy tű hegyén hány angyal táncolhat.

Ez azonban nem elefántcsont-toronyban élő akadémikusok haszontalan álmodozása. Egy nap minden alkalmazások leggyakorlatiasabbja lehet majd: a világ gazdaságát hajthatják. Egy nap az egész nemzetgazdaság Schrödinger macskájának komplexitásától függhet. Akkor számítógépeink talán a párhuzamos univerzumokban fognak számolni. Ma majdnem az egész számítógépes infrastruktúránk a szilícium tranzisztorokon alapul. Moore törvénye azt állítja, hogy a számítógépek teljesítménye minden 18. hónapban megkétszereződik, és ez azért lehet igaz, mert képesek vagyunk egyre kisebb és kisebb tranzisztorokat ultraibolya sugárzással szilíciumlapokba belemarni. Noha a Moore-törvény technológiánk forradalmasodását írja le, az általa leírt folyamat nem tart örökké. A legfejlettebb Pentium chip keresztben 20 atomnyi méretű. Ilyen hihetetlenül kicsi méreteken el kell hagynunk a Newton-törvényeket és a kvantummechanikát kell alkalmaznunk, ahol Heisenberg határozatlansági elve jut szerephez.

Ennek következményeképpen nem tudjuk pontosan, hogy hol van az elektron. Vagyis az elektron ahelyett, hogy belül maradna, kilép a szigetelésből és a félvezetőkből, és rövidzárlatok keletkeznek.

A közeljövőben elérjük a szilícumlapokra égethető legkisebb tranzisztorméreteket.

A szilíciumkorszak a végéhez közeledik. Talán belépünk a kvantumkorszakba. A Szilíciumvölgy elhagyatott övezetté válhat. Egy nap kényszerítve lehetünk arra, hogy magukkal az atomokkal számoljunk és a számítógépek új szerkezeti rendszerét vezessük be. Manapság a számítógépek bináris rendszerben dolgoznak - minden számot nullák és egyesek sorozatával adnak meg. Az atomok viszont felfelé, lefelé és oldalra mutató tengelyek körül forognak egyszerre. A számítógépek jelenlegi bitjeit (a nullát és az egyet) talán ku-bitekkel cserélik fel (ami bármilyen érték lehet nulla és egy között), és így a kvantumszámítógépek sokkal, de sokkal gyorsabbak lesznek a közönséges számítógépeknél.

A kvantumszámítógép alapjaiban rázhatja meg a nemzetközi

biztonságpolitikát.

Manapság a nagy bankok, a multinacionális vállalatok és az

ipari nemzetek bonyolult számítógépes algoritmusokkal kódolják titkaikat. Nagyon sok kódot alapoznak nagy számok tényezőkké bontására. Például egy százjegyű számot tényezőkké bontani egy mai közönséges számítógépnek néhány száz évébe kerülne. De egy kvantumszámítógépnek ilyen számolás nem kerül különösebb megerőltetésébe; a világ nemzetnek összes titkos kódját nagyon rövid időn belül feltörné.

Hogy lássuk, hogyan működne egy kvantumszámítógép, tegyük fel, hogy felsorakoztatunk atomokat egymás után, és egy külső mágneses tér hatására mindegyik atom forgástengelye ugyanarra néz. Ezután lézerfénnyel megvilágítjuk őket, így sok forgástengely átbillen, ahogy a lézersugár elmozdítja őket. A visszavert lézersugár mérésével bonyolult matematikai műveletet rögzítettünk: a fény szóródását az atomokon. Ha ezt a folyamatot a kvantumelmélet segítségével kiszámoljuk, Feynman nyomán össze kell adnunk az atomok összes lehetséges pozícióját, megforgatva őket minden lehetséges irányba. Noha csak egy egyszerű kvantumszámítás, ami a másodperc törtrészét veszi igénybe, egy közönséges számítógépnek majdnem lehetetlen elvégezni, bármennyi időt is kapjon rá.

Ahogy az oxfordi David Deutch megmutatta, elvben ez azt jelenti, hogy amikor kvantumszámítógépet használunk, akkor az összes lehetséges uni- verzumra összegeznünk kellene. Noha nem teremthetünk közvetlen kapcsolatot ezekkel az univerzumokkal, egy ilyen atomi számítógép kiszámíthatja a jellemzőiket a párhuzamos univerzumban létező állapotok spinjeinek összegzésével. (Míg mi a szobánkban nem vagyunk többé koherensek más univerzumokkal, addig a kvantumszámítógép atomjai viszont konstrukciójukból adódóan ezekkel egyidejűleg, koherensen vibrálnak.) Bár a kvantumszámítógépek ereje valóban döbbenetes, a gyakorlatban a problémák is hatalmasak. A kvantumszámítógépben használt atomok jelenlegi világrekordja hét. Kvantumszámítógéppel a legjobb esetben is meg tudjuk szorozni a hármat öttel, és az eredmény tizenöt lesz, ami nehezen nevezhető figyelemreméltó előrehaladásnak. Hogy a kvantumszámítógép akárcsak egy közönséges laptoppal versenyképes legyen, több száz, esetleg milliónyi atom együttes vibrálására lenne szükségünk. Mivel az atomokat akárcsak egyetlen légköri molekulával való ütközés is dekoherenssé teszi, rendkívüli tisztaságra van szükség és az atomokat a környezettől izolálni kell. (A mostani modern számítógépek sebességét meghaladó kvantumszámítógép építéséhez néhány ezer vagy néhány millió atomra lenne szükség, így a kvantumszámolás még évtizedekké van tőlünk.)

Kvantumteleportáció

Végül, a fizikusok párhuzamos kvantumuniverzumukról szóló, látszólag lényegtelen vitájának lehet egy elképzelhető gyakorlati alkalmazása: a kvantumteleportáció. Az emberek és eszközök nagy távolságokra szállítását szolgáló, a Star Trek-ben is használt „transzporter" és más tudományosfantasztikus ötletek csodálatos megoldásnak tűnnek ahhoz, hogy óriási távolságokat ugorjunk át. A teleportáció ötlete azonban zavarba ejtette a fizikusokat, mert a határozatlansági elvet sérteni látszik. Ha egy atomon mérést végzünk, akkor megzavarjuk az atom állapotát és ezen nem lehet tökéletes másolatot készíteni.

1933-ban a tudósok találtak egy hézagot ebben az érvelésben, mégpedig a kvantum-összeköttetésnek nevezett valamit felhasználva. Ez egy régen javasolt kísérleten alapul, amit még Einstein, valamint kollégái, Borisz Podolszki és Nathan Rosen javasoltak (ez az úgynevezett EinsteinPodolszki-Rosen-paradoxon), mégpedig azért, hogy rámutassanak arra, mennyire őrült dolog is valójában a kvantumelmélet. Tegyük fel, hogy történik egy robbanás és ebből a robbanásból két elektron egymással el lentétes irányba repül ki, közel fénysebességgel. Mivel az elektronok olyanok, mint egy pörgettyű, feltehetjük, hogy a spinek korreláltak: azaz, ha az egyik elektron forgástengelye lefelé néz, akkor a másik elektroné felfelé (így a teljes forgásmennyiség nulla). Mielőtt egy mérést végeznénk, nem tudjuk egyik elektronról sem, hogy merre áll a forgástengelye.

Várjunk néhány évet. Eközben az elektronok sok-sok fényév távolságra távolodnak el egymástól. Ha most az egyik elektronon végzünk egy mérést, és mondjuk azt találjuk, hogy a forgástengelye felfelé áll, akkor rögtön megtudjuk, hogy a másik elektron forgástengelye lefelé néz (és fordítva). Valójában a tény, hogy az elektron forgástengelyét felfelé állónak találtuk, ez kényszeríti ki, hogy a másiké lefelé nézzen. E szerint rögtön megtudunk valamit a sok-sok fényévnyi távolságra lévő elektronról. (Úgy tűnik, az információ a fény sebességénél gyorsabban terjedt, ami megsérti Einstein speciális relativitáselméletét.) Árnyalt érveléssel Einstein meg tudta mutatni, hogy egy páron végzett sikeres méréssel a mérést végző személy megsérti a határozatlansági elvet. Ami még fontosabb, megmutatta, hogy a kvantummechanika sokkal különösebb, mint azt korábban bárki is gondolta.

Egészen addig a fizikusok az Univerzumot lokálisnak hitték, azaz hogy az Univerzum egyik részén bekövetkező zavarok csak helyileg terjednek, a forrás közelében maradnak. Einstein megmutatta, hogy a kvantummechanika lényegét tekintve - nem lokális: egy forrásból származó zavarok azonnali hatást fejtenek ki az Univerzum egy távoli részén. Einstein ezt kísérteties távolhatás"-nak nevezte, amit ő abszurdnak érzett. Ezért tar- totta Einstein a kvantummechanikát téves elméletnek.

(A kvantummechanika kritikusai az EinsteinPodolszki-Rosen-paradoxont azzal a feltevéssel tudták feloldani, hogy ha a mérőberendezéseink elég érzékenyek lennének, megállapíthatnánk, merre forog az elektron. A fázistengelyben és az elektron pozíciójában megmutatkozó határozatlanság csak fikció, mivel a mérőberendezéseink túl durvák. Ezért bevezetik a „rejtett változók" fogalmát - e szerint kell, hogy létezzen egy rejtett kvantumelmélet, amelyben egyáltalán nincs határozatlanság, és a rejtett változóknak nevezett új mennyiségeken alapszik.)

A tét nagyon megnőtt 1964-ben, amikor John Bell fizikus az EPR-paradoxont és a rejtett változókat döntő próbának vetette alá. Megmutatta, hogy ha valaki tényleg elvégzi az EPR-kísérletet, a két elektron spinje között olyan számszerű korrelációnak kell lennie, ami attól függ, hogy melyik elméletet használjuk. Ha a rejtett változók elmélete a helyes, ahogy azt a szkeptikusok hitték, akkor a spinek egyféle módon korreláltak. Ha a kvantummechanika a helyes, akkor a spinek másképpen függnek össze. Vagyis a kvantummechanika (a modern atomfizika alapja) egyetlenegy elméleti kísérleten áll vagy bukik.

elméleti kísérleten áll vagy bukik.

as évek elején Alan Aspect és kollégái Franciaországban végrehajtották az EPR-kísérletet két, egymástól 13 méter távolságban elhelyezett detektorEPR-kísérletet két, egymástól 13 méter távolságban elhelyezett detektor ben az EPR-kísérletet olyan detektorokkal végezték el, amelyeket 11 kilométer távolság választott el. Mindkét alkalommal a kvantumelmélet győzött.

Az ismereteknek egy bizonyos formája a fénysebességnél gyorsabban kell, hogy terjedjen. (Noha Einstein tévedett az EPR-kísérletet illetően, igazolta volt a fontosabb kérdést: a fénysebességnél gyorsabban terjedő kommunikációt illetően. Az EPR-kísérlet bár megengedi azt, hogy valamit azonnal megtudjunk a galaxis túloldalán történtekről, nem teszi lehetővé, hogy így üzenetet küldjünk ezen az úton. Például nem lehet Morse-jeleket küldeni ilyen módon. Valójában egy „EPR-távírókészülék" csak véletlenszerű jeleket tudna küldeni, mivel minden méréskor a mért spinek, véletlenszerűen állnak be. Az EPR-kísérlet alkalmas arra, hogy a Galaxis túloldaláról információt szerezzünk, de nem engedi meg hasznos - azaz nem véletlenszerű - információ küldését.)

Bell szerette egy Bertelsman nevű matematikus példáján keresztül leírni ezt az effektust. Ez a matematikus különösen öltözködött, mindig egyik lábára zöld zoknit, a másik lábára kék zoknit húzott, mégpedig véletlenszerűen váltogatva, mikor melyikre milyent. Ha egy nap valaki észrevette hogy a bal lábára kék zoknit húzott fel, akkor a fénysebességnél is gyorsabban tudta, hogy a másik zoknija zöld. De ennek ismerete nem teszi lehetővé, hogy valaki így küldjön üzeneteket. A valódi információ ettől különbözik. Az EPR-kísérlet nem azt jelenti, hogy telepátiával fénysebességnél gyorsabban közölhetünk információkat, de időutazást sem jelent. Azt viszont jelenti, hogy lehetetlen teljesen elszigetelni magunkat az Univerzum egységétől.

Ez arra kényszerít minket, hogy az Univerzumról egy másik képet alkossunk. A testünk atomjai és a sok fényévnyi távolságban lévő atomok között van egyfajta kozmikus „összeköttetés". Mivel minden anyag egyetlen robbánásból - az Ősrobbanásból - származik, bizonyos értelemben a testünk atomjai valamiféle kozmikus kvantumhálón keresztül kapcsolatban állnak az Univerzum másik oldalán lévő atomokkal. Az összekuszálódott részecskék olyanok, mintha valamiféle sok fényév hosszúságú köldökzsinórral (ez lenne a hullámfüggvényük) összekötött ikertestvérek lennének. Ami a egyikkel történik, az automatikusan hatással van a másikra is, és ezért a pár egyik tagját érintő tudás azonnal tudomására jut a másiknak. Az ilyen összekuszált párok úgy tesznek, mintha egyetlen objektum lennének, noha nagyon nagy távolság választja el őket. (Pontosabban, mivel a részecskék hullámfüggvényei az Ősrobbanásban egyszer összekötődtek és koherensek voltak, a hullámfüggvényeik még az Ősrobbanás után néhány milliárd év múlva is részben össze lehetnek kötve, ezért a hullámfüggvény egyik felét érintő zavar a hullámfüggvény másik felére is hat.)

1993-ban néhány tudós azt vetette fel, hogy az EPR-összeköttetés elképzelése alkalmas kvantumteleportáció működtetésére. A CalTech, a dániai Aarhus Egyetem és a University of Wales tudósai 1998-ban végezték el a kvantumteleportációt bizonyító első kísérletet, amikor egy egyszerű fotont teleportáltak egy asztallapon keresztül. Az egyik csapattag, Samuel Braunstein a University of Walesről, az összekötött párokat azokhoz a szerelmesekhez hasonlította, „akik olyan jól ismerik egymást, hogy akkor is kezeskednek a szerelmesükért, amikor nagyon nagy távolság van köztük."

(A kvantumteleportációhoz három tárgy kell, legyenek ezek A, B és C. Legyen B és C a két iker, amik összeköttettek. Noha B-t és C-t nagy távolság választhatja el egymástól, még mindig össze vannak kötve. Kerüljön most kapcsolatba B az A-val, ahol A a teleportálandó dolog. B „beolvassa" A-t, így az A-ban tárolt információ B-be kerül. Ez az információ automatikusan átkerül a C ikerbe, így C az A-nak replikációja, azaz pontos mása lesz.)

A kvantumteleportáció területén gyors a haladás. 2003-ban a genfi egyetem tudósai egy 1,2 mérföld (kb. 1,8 km) hosszúságú optikai kábelen keresztül tudtak fotonokat teleportálni. Az 1,3 mm hullámhosszúságú fotonok 1,55 mm-es hullámhosszúságúvá váltak, amikor a hosszú kábel végén lévő másik laboratóriumba teleportálták őket. Nicolas Gisin, a projekt egyik fizikusa szerint „Lehetséges, hogy még az én életemben nagyobb objektumokat, például molekulákat is tudunk majd teleportálni, de az előbbi technológiákat elnézve, igazán nagy objektumok nem lesznek

teleportálhatók."

Egy további jelentős áttörés 2004-ben következett be, amikor a National Institute of Standards and Technology munkatársai nemcsak a fény kvantumját, de egy egész atomot teleportáltak. Sikeresen összeomlasztják három berilliumatom hullámfüggvényét, majd az egyik atom tulajdonságait sikeresen teleportálták egy másikba, ami hatalmas előrelépés. A kvantumteleportáció gyakorlati alkalmazása potenciálisan beláthatatlan. Azonban rá kell mutatni arra, hogy a kvantumteleportációhoz számos technikai nehézség társul. Először is, az eredeti objektum tönkremegy a folyamat során, ezért a teleportálandó objektumról nem lehet másolatokat készíteni. Csak egyetlen másolat lehetséges. Másodszor, nem lehetséges fénysebességnél gyorsabban teleportálni. A relativitáselmélet érvényben marad, még a kvantumteleportációban is. (Ahhoz, hogy egy A tárgyat egy C tárgyba teleportáljanak, szükség van a köztes B tárgyra is, ami viszont a fénysebességnél lassabban mozog.) Harmadszor, és talán ez a legfontosabb korlátozó tényező a kvantumteleportációban, ugyanazzal kell szembenéznünk, mint a kvantumszámolásnál: az objektumoknak koherensnek kell lenniük. A környezettel való legkisebb beszennyeződés is lerombolja a kvantumteleportációt. Ugyanakkor elképzelhető, hogy a 21. században vírust már fognak tudni teleportálni.

Emberek teleportálása újabb problémákat vethet fel. Braunstein megfigyelte, hogy „...mostanában a kulcskérdés a továbbított információ abszolút mennyisége. Még a legjobb kommunikációs csatornákkal is azt az információmennyiséget, amit jelenleg képesek vagyunk emberként felfogni, az Univerzum életkorával megegyező idő alatt tudnánk továbbítani."

Az Univerzum hullámfüggvénye

A kvantumelmélet végső kiteljesedése akkor jöhet el, amikor a kvantummechanikát nemcsak egyedi fotonokra, hanem magára az egész Univerzumra alkalmazzuk. Stephen Hawking azzal élcelődik, hogy akárhányszor Schrödinger macskájának a problémájáról hall, a fegyveréért nyúl. Erre a problémára a saját megoldását javasolta - az egész Univerzumnak legyen saját hullámfüggvénye. Ha az egész Univerzum egy hullám-függvény része, akkor nincs szükség észlelőre (akinek az Univerzumon kívül kellene léteznie).

A kvantumelméletben minden részecske egy hullámmal van összetársítva. Ténylegesen a hullám azt mondja meg nekünk, hogy egy adott pontban a részecskét mekkora valószínűséggel lehet megtalálni. Amikor az Univerzum nagyon fiatal volt, sokkal kisebb volt egy szubatomi részecskénél, ezért talán az Univerzumnak magának is van hullámfüggvénye. Mivel az Univerzum egy időpillanatban nagyon sok állapotban létezhet, és mert az Univerzum valaha kisebb volt egy elektronnál, talán az Univerzum is nagyon sok állapotban létezett, amelyet egy szuperhullámfüggvény ír le.

Ez a sokvilág-elmélet egy változata: nincs szükség arra, hogy egy kozmikus észlelőt hívjunk segítségül, aki egyszerre az egész Univerzumot megfigyelné. De Hawking hullámfüggvénye nagyon különbözik Schrödinger hullámfüggvényétől. Schrödinger hullámfüggvényében a téridő minden pontjában van egy hullámfüggvény. Hawkingnál minden univerzum egy hullám. Schrödinger pszi-függvénye az elektron összes lehetséges állapotát leírja, ellenben a Hawking által bevezetett pszi-függvény az Univerzum összes lehetséges állapotát reprezentálja. A közönséges kvantummechanikában az elektron a közönséges térben létezik, míg az Univerzum hullámfüggvénye a „szupertérben" létezik, az összes lehetséges univerzumok terében, aminek a fogalmát még Wheeler vezette be.

Ez az alaphullámfüggvény (minden hullámfüggvények öreganyja) nem a Schrödingeregyenletnek tesz eleget, hanem a Wheeler-DeWitt-egyenletnek, amely az összes lehetséges univerzum esetében érvényes. Az 1990-es évek elején Hawking azt írta, hogy képes részben megoldani az Univerzumnak az általa adott hullámegyenletét, és megmutatni, hogy a legvalószínűbb univerzumban a kozmológiai állandó eltűnik (nullává lesz).

Ez a cikke nagy vitát provokált, mert a megoldás az összes lehetséges univerzum összegzésén alapult. Hawking ezt az összegzést úgy végezte el, hogy belefoglalta a mi Univerzumunkat az összes lehetséges más univerzummal összekötő féreglyukakat is. (Képzeljük el a levegőben úszó szappanbuborékok végtelen óceánját, amelyben minden buborékot a féreglyukaknak megfelelő vékony kis szálak kötnek össze, és ezután adjuk ezeket össze.)

Végtére is kétségek merültek fel Hawking ambiciózus módszerével kapcsolatban.

Rámutattak arra, hogy az összes lehetséges univerzum összeadása matematikailag kétséges, legalábbis addig, amíg nincs meg a „minden elmélete". A bírálók amellett érvelnek, hogy míg a „minden elméletét" nem alkotják meg, addig az időutazást, a féreglyukakat, az Ősrobbanás pillanatát és az Univerzum hullámfüggvényét illető számításokban valójában nem lehet megbízni.

Manapság fizikusok sokasága hiszi azt, hogy végre megtaláltuk a „minden elméletét", noha nem a végleges formájában: húrelméletnek vagy Melméletnek nevezik. Ez vajon meg fogja nekünk engedni, hogy „Isten elméjében olvassunk", ahogy azt Einstein szerette volna?

7. Melmélet: minden húrok öreganyja

Valakinek, aki az Univerzumot egy egységes álláspontból kiindulva tudja megérteni, annak az egész Teremtés egyedülállóan igaznak és szükségesnek tűnik.

J. D'ALAMBERT

Úgy érzem, annyit küzdöttünk a húrelmélettel, hogy - legoptimistább pillanataimban - elképzelem, egy nap az elmélet végső alakja lepottyan az égből és valakinek az ölében landol. Realisztikusabban szemlélve a dolgokat, az az érzésem, hogy egy olyan mélyebb elmélet megalkotásának a folyamatában járunk most, amilyen ezt megelőzően még senkinek nem volt a birtokában, és majd valamikor a 21. században, amikor én már túl öreg leszek ahhoz, hogy a témában bármi hasznos ötletem legyen, a fiatalabb fizikusok majd eldöntik, hogy tényleg a végső elméletet találtuk-e meg. EDWARD WITTKN

H. G. Wells 1897-ben írt klasszikus regénye, A láthatatlan ember különös mesével kezdődik. Egy hideg téli estén, egy ismeretlen ember különös ruházatban érkezik meg egy kis faluba. Arca teljesen el van takarva; sötétkék szemüveget hord és arcát teljesen beborító fehér kötést visel. Kezdetben a falusiak szánalommal fogadják, azt gondolván, hogy valami szörnyű baleset érte őt. De a faluban különös dolgok veszik kezdetét Egy nap a szállásadója belépve a szobájába felsikoltott, amikor meglátta, hogy a ruha magától mozog. Kalapok rohantak keresztül a szobán, az ágynemű a levegőbe szökkent, a székek nyikorogtak, és ahogy a horrorra visszaemlékezett, „a bútorok megőrültek".

Az egész falu zsongott ezeknek a szokatlan eseményeknek a hírétől. Végül a falusiak egy csoportja összegyűlt és letámadták a titokzatos idegent.

Legnagyobb elképedésükre lassan elkezdte lefejteni arcáról a kötést. A tömeg megrémült. A kötés nélkül az idegen feje teljességgel hiányzott. Valójában láthatatlan volt. Kitört a káosz, ahogy a népek ordítani és sikoltozni kezdtek. A falusiak üldözőbe vették a láthatatlan embert, aki könnyedén elfutott előlük.

A következőkben egy csavargó segítségével egy sor jelentéktelen bűncselekményt követett el, aki aztán ellopta a láthatatlanság titkát tartalmazó könyveit. Egymás üldözése közben hősünk bemenekült egy lakásba, ahol - mint kiderült - egykori egyetemi évfolyamtársa, dr. Kemp lakott, akinek elbeszélte láthatatlansága történetét. Az ő valódi neve Mr. Giffin, és a University College-ban dolgozott. Orvostudományi tanulmányai közben ott belebotlott egy forradalmian új felfedezésbe, ami megváltoztatja a test fénytörő és fényvisszaverő tulajdonságait. A titka a negyedik dimenzió.

Bejelentette dr. Kemp-nek, hogy „egy új elvet találtam... egy formulát, egy geometriai kifejezést, ami magában foglalja a negyedik dimenziót." Sajnálatos módon ahelyett, hogy felfedezését az emberiség javára hasznosította volna, személyes előnyökre és rablásokra gondolt. Megpróbálta ehhez megnyerni barátját is. Együtt, állította, kifoszthatnák a világot. De dr. Kemp elborzadt ettől, és leleplezte a rendőrségnek Mr. Griffin tervét. Ők embervadászatba kezdtek, és a halálosan megsérült láthatatlan ember a halálban visszakapta látható alakját.

Mint a legjobb sci-fi regényekben, H. G. Wells legtöbb elbeszélésében is jelen van a tudomány egy darabkája. Bárki, aki hozzáfér a negyedik dimenzióhoz (vagy inkább az ötödikhez, mert manapság az időt tekintjük negyediknek) tényleg láthatatlanná válhat, és rendszerint csak az isteneknek és a szellemeknek tulajdonított tulajdonságokat ölthet magára.

Képzeljük el egy pillanatra, hogy egy képzeletbeli faj csak az asztallap kétdimenziós világában lakhat, csakúgy, mint Edwin Abbot 1884-ben írt Síkföldjében [Flatland: A Románcé of Many Dimensions by a Square]. Anélkül intézhetik itt ügyeiket, hogy tudnának az őket körülvevő harmadik dimenzióról.

De ha egy síkföldi tudós végrehajthatna egy kísérletet, ami lehetővé tenné neki, hogy az asztal felett lebegjen egy hüvelykkel, akkor láthatatlanná válna, mert a fény alatta haladna el, mintha ő maga nem is létezne.

Síkföld felett lebegve, az asztallapon végbemenő összes eseményt láthatná. A hipertérben lebegés határozott előnyökkel jár bárki számára, és aki a hipertérből nézne lefelé, az isten erejét birtokolná.

Nemcsak a fénysugár haladna el alatta, láthatatlanná téve őt, ő maga a tárgyak felett fog elrepülni. Más szavakkal, a saját akaratából el tudna tűnni és keresztülsétálhatna a falakon. Egyszerűen azáltal, hogy a harmadik dimenzióba lép, képes eltűnni Síkföld univerzumából. Ha visszaugrik az asztallapra, akkor hirtelen rematerializálódik a semmiből, így aztán meg tud szökni bármilyen börtönből. Síkföldön a börtön egy, a fogoly köré rajzolt körből állna, és ezért egyszerűen át kell ugrani a harmadik dimenzióba és máris a börtönön kívül van.

Egy hiperlény elől titkaink nem maradhatnának rejtve. A páncélteremben tartott arany könnyen látható a harmadik dimenzió előnyös nézőpontjából, mivel onnan nézve a páncélterem csak egy nyitott négyszög. Gyerekjáték lenne belenyúlni a négyszögbe és kiemelni az aranyat anélkül, hogy fel kellene törni a páncéltermet. A bőr átvágása nélkül lehetne operációkat végezni.

Ehhez hasonlóan H. G. Wells azt az elgondolást szerette volna közölni, hogy egy négydimenziós világban mi lennénk Síkföld lakói, akik megfeledkeznek a tényről, hogy magasabb létsíkok lehetnek felettünk. Úgy hisszük, hogy a világ abból áll, amit látunk és nem gondolunk arra, hogy egész univerzumok lehetnek pont az orrunk előtt. Noha csak másfél centiméterrel előttünk egy másik univerzum lebeghet a negyedik dimenzióban úszva, az az univerzum számunkra láthatatlan.

Mivel egy hiperlény egy szuperember erejét birtokolná, olyanokat, amiket a szellemeknek és az isteneknek szoktak tulajdonítani, egy másik sci-fi művében H. G. Wells latolgatta a kérdést, hogy vajon vannak-e természetfeletti lények, amelyek magasabb dimenziók lakói? Azt a kulcskérdést vetette fel, ami manapság számos kutatás és hatalmas spekulációk tárgya: ezekben a magasabb dimenziókban vajon új fizikai törvények vannak? Az 1895-ben írt A csodálatos látogatás című regényében egy lelkész fegyvere véletlenül eltalál egy angyalt, aki éppen a mi dimenziónkon keresztül halad át. Valamiféle kozmikus okból a párhuzamos univerzum dimenziói és a miénk időlegesen ütköznek, és így válik lehetővé, hogy az angyal a mi világunkba zuhanjon le. A történetben Wells azt írja, hogy „Akármennyi háromdimenziós univerzum lehet, amelyek egymásra vannak pakolva." A lelkész a sérült angyalt kérdezgeti. Sokkolja az az észrevétel, hogy a mi világunk törvényei nem alkalmazhatók az angyal világában. Az ő univerzumában például nincsenek síkok, inkább csak hengerek, így maga a tér görbült.

(Teljes húsz évvel Einstein általános relativitáselmélete előtt Wells már foglalkozott a gondolattal, hogy görbült felületű univerzumok létezhetnek.) Ahogy a lelkész megfogalmazta: „Az ő geometriájuk más, mert a terük meg van görbülve, és így náluk a síkok hengerek; és náluk a gravitáció törvénye nem a fordított négyzetes aránynak felel meg, és három alapszín helyett huszonnégy alapszín van." Több mint egy évszázaddal azután, hogy Wells ezt a mesét megírta, a fizikusok felismerték, hogy egy párhuzamos univerzumban tényleg lehetséges, hogy a fizikának új törvényei, a szubatomi részecskéknek más típusai vannak, és más atomok, valamint más kémiai kölcsönhatások léteznek. (Ahogy azt majd a 9. fejezetben látni fogjuk, ma néhány kísérletet már folytatnak, amelyekben az éppen felettünk lebegő párhuzamos univerzumok jelenlétét kívánják felfedezni.)

A hipertér gondolata számos művészt, zeneszerzőt, misztikust, teológust és filozófust izgatott, különösen a 20. század elején. Linda Dalrymple Henderson művészettörténész szerint Pablo Picasso érdeklődése a negyedik dimenzió iránt inspirálta a kubizmus megszületését. (Az általa festett Dora Maar portája c. képen a szemek közvetlenül ránk néznek, annak ellenére, hogy az orr oldalra néz, ami lehetővé teszi számunkra, hogy a nő egészét megcsodáljuk. Ehhez hasonlóan egy hiperlény úgy néz le ránk, hogy egészében lát minket: elölről, hátulról és oldalról egyszerre.) Christus l'hypercubus című híres festményén Salvador Dali a megfeszített Jézust egy tesszeraktnak is nevezett négydimenziós kockára feszítve festette meg. Az állhatatos emlékezet című festményén Dali egybeolvasztott órákkal próbálta meg az időt mint negyedik dimenziónak a gondolatát közvetíteni.

Marcel Duchamp aktképén (A lépcsőn lejövő akt, No. 2.) a modell a lépcsőkön lefelé úgy mozog, mintha időcsúszás lépne fel. Ez egy másik megragadása a kétdimenziós felületen az időnek mint negyedik dimenziónak.

Az M-elméletről

A negyedik dimenziót sokáig misztikum és mendemondák vették körül; manapság azonban egy egészen eltérő okból támasztották fel, mégpedig a húrelmélet, és annak legújabb megtestesülése, az Melmélet kifejlesztése okán. A fizikusok sokáig kitartóan ellenálltak a hipertér gondolatának; gúnyolódtak rajta, és a magasabb dimenziókat a misztikusok és a sarlatánok birodalmának tartották. Azok a tudósok, akik komolyan felvetették egy láthatatlan világ létezését, nevetség tárgyai voltak.

Mindez megváltozott az Melmélet megérkezésével. A magasabb dimenziók jelenleg a fizikában végbemenő forradalom középpontjában vannak, mivel a fizikusok a mai fizikát illető legnagyobb problémával kénytelenek szembenézni: a relativitáselmélet és a kvantummechanika közötti szakadékkal.

Figyelemreméltó, hogy ez a két elmélet a legalapvetőbb szinten összegzi az Univerzumról meglévő összes fizikai tudásunkat. Jelenleg csak az Melmélet képes ezt a két nagy, látszólag ellentmondó elméletet egyetlen koherens egészben egyesíteni, megalkotva a „minden elméletét". Az elmúlt században javasolt összes elmélet közül az egyetlen jelölt - ahogy Einstein mondta - az „Isten gondolataiban való olvasásra" az Melmélet. Csak egy tíz vagy tizenegy dimenziós hipertérben van elég „szoba" ahhoz, hogy egyetlen elegáns elméletben egyesítsük a természet összes erőformáját. Egy ilyen mesés elmélet választ tudna adni az örök kérdésre: mi történt a kezdet előtt? Talán megfordult az idő? Keresztülmehetünk-e az Univerzumon dimenziókapukkal? (Noha az elmélet kritikusai rámutatnak arra, hogy az elmélet kísérleti igazolása messze túl van jelenlegi lehetőségeinken, nagyon sok olyan kísérlet van, amelyek megváltoztathatják ezt a helyzetet és amiket már tervbe is vettek, amint azt a 9. fejezetben látni fogjuk.)

Az elmúlt ötven évben minden kísérlet, amely az Univerzum egyesített leírását szerette volna megadni, csúfos kudarcban végződött. Ezt könnyű megérteni. Az általános relativitáselmélet és a kvantumelmélet majdnem minden tekintetben egymás ellentéte. Az általános relativitáselmélet a nagyon nagy elmélete: fekete lyukaké, az Ősrobbanásé, kvazároké és a táguló Univerzumé. A sima felületek matematikáján alapul, mint a gumiasztalok és -lepedők. A kvantumelmélet ennek pontosan az ellentéte: az icipici világát írja le: atomokét, protonokét, neutronokét és a kvarkokét és a kvantumoknak nevezett diszkrét energiacsomagok elméletén alapul.

A relativitáselmélettől eltérően, a kvantumelmélet azt állítja, hogy csak az események valószínűsége számítható ki, és így soha nem lehetünk egészen biztosak abban, merre van egy elektron. Ez a két elmélet eltérő matematikát használ, eltérőek a feltevései, mások a fizikai elvei, és mások az érvényességi tartományaik. Nem meglepő, hogy minden egyesítési kísérlet megbukott.

A fizika óriásai - Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli és Arthur Eddington -, akik Einstein nyomdokain haladva megpróbálták az egyesített térelméletet megalkotni, könyörtelenül sikertelenségre voltak ítélve. 1928-ban Einstein médiapánikot váltott ki egyesített térelméletének egy korai változatával. Még a New York Times is közölte cikkének egy részét, beleértve az egyenleteket is. Száznál is több újságíró nyüzsgött háza előtt. Angliából Eddington Einsteinnek azt írta, hogy „Jól szórakozhat, amint meghallja, hogy az egyik nagy londoni áruház (Selfridges) kirakta az ablakába az Ön közleményét (egymás mellé ragasztva a hat oldalt), így az arra sétálók az egészet elolvashatják. Nagy tömegek gyűltek össze elolvasni."

1946-ban Schrödinger ugyancsak elkapta a „betegséget", és felfedezte, amit a mesebeli egyesített térelméletnek gondolt. Sietősen olyat tett, ami nagyon szokatlan volt akkoriban (de manapság már egyáltalán nem az): sajtókonferenciát hívott össze. Még Írország miniszterelnöke, Damon DeValera is feltűnt, hogy meghallgassa Schrödingert. Amikor megkérdezték, hogyan lehet ilyen biztos az egyesített térelmélet végső alakjának megtalálásában, a tudós így felelt: „Hiszem, hogy igazam van. Ha tévednék, borzasztóan nagy bolondként néznék magamra." (A New York Times végül elküldte a kéziratot Einsteinnek és másoknak, hogy kommentálják. Szomorú dolog, de Einstein rájött, hogy Schrödinger újra felfedezte az általa évekkel korábban javasolt régi elméletét, amit ő végül is elvetett. Einstein a válaszában nagyon udvarias volt, de Schrödingert még így is megalázta.)

1958-ban Jeremy Bernstein fizikus részt vett egy, a Columbia Universityn rendezett előadáson, ahol Wolfgang Pauli mutatta be az egyesített térelméletnek Werner Heisenberggel közösen kifejlesztett verzióját. A hallgatóság soraiban ült Niels Bohr, akire nem tett nagy hatást az elmélet. Amikor Bohr felállt és megszólalt, azt mondta, hogy „Mi, itt hátul meg vagyunk győződve arról, hogy az Önök elmélete őrültség. De ami megoszt minket az az, hogy az Önök elmélete vajon elég őrült-e."

Pauli rögtön tudta, mire gondolt Bohr - hogy a Heisenberg-Pauli-elmélet túl konvencionális, túl közönséges egy egyesített térelmélethez. „Isten gondolataiban olvasni" azt jelentette, hogy radikálisan új gondolatokra és matematikára van szükség.

Sok fizikus meg van arról győződve, hogy az egész mögött van egy egyszerű, elegáns és teljes elmélet, ami azonban eléggé őrült és elég abszurd ahhoz, hogy igaz legyen. John Wheeler rámutatott arra, hogy a 19. században a földi életformák óriási változatosságának megmagyarázása reménytelennek tűnt. De Charles Darwin megalkotta a természetes kiválasztódás elméletét, és ez az egyetlen elmélet megadta azt a vázat, ami megmagyarázza a Földön előforduló életformák változatosságát. A Nobeldíjas Steven Weinberg egy másik analógiát használ. Kolumbusz után a korai európai felfedezők merész hőstettei nyilvánvalóan jelezték, hogy az „északi pólusnak" léteznie kell, de nem volt közvetlen bizonyíték rá. Mivel a Föld minden térképén hatalmas üres területek voltak azon a helyen, ahol az északi pólusnak lennie kellett, a korai felfedezők egyszerűen feltételezték, hogy az északi pólus létezik, noha soha senki nem járt még ott. A korai felfedezőkhöz hasonlóan, a ma fizikusai bőségesen találtak közvetett bizonyítékokat a „minden elméleté"-nek létezésére, de jelenleg nincsen közmegegyezés arról, hogy melyik elmélet lenne az.

A húrelmélet története

Az egyik olyan elmélet, ami biztosan „elég őrült" ahhoz, hogy az egyesített térelmélet lehessen, a húrelmélet vagy Melmélet. A fizika évkönyvei szerint talán a húrelmélet volt a legfurább történetű elmélet. Véletlenül fedezték fel, és rossz problémára alkalmazták, az ismeretlenségbe száműzték, majd hirtelen a „minden elmélete"-ként támadt fel. A végső elemzésekben - mivel lehetetlen az elmélet lerombolása nélkül apró változtatásokat eszközölni rajta - vagy a „minden elmélete" lesz, vagy pedig a „semmi elmélete".

Ennek a különös történetnek az oka az, hogy a húrelmélet fordítva fejlődik. Általában - a relativitáselmélethez hasonlóan - alapvető fizikai elvekből indulnak ki. Ezután az elveket alapul véve, ezeket klasszikus egyenletekké csiszolják. Végül pedig valaki kiszámolja ezen egyenletek

kvantumfluktuációját. A húrelmélet ezzel ellentétesen fejlődött, kvantumelméletének véletlenül történt felfedezésével kezdődött; a fizikusokat még mindig zavarba hozza, hogy ezt az elméletet milyen fizikai alapelvek vezérlik valójában.

A húrelmélet eredete 1968-ra nyúlik vissza, amikor a svájci Genfben lévő CERN magfizikai laboratóriumban két fiatal fizikus, Gabriele Veneziano és Mahiko Suzuki lapozgatott egymástól függetlenül egy matematikai könyvet, és belebotlottak Euler béta-függvényébe, a Leonhard Euler által felfedezett, de azóta majdnem feledésbe merült régi, 18. századi matematikai kifejezésbe. Látszólag ez a függvény a különös szubatomi világot írja le. Le voltak nyűgözve attól, hogy ez az absztrakt matematikai kifejezés látszólag jól leírta két nagyenergiájú pi-mezon ütközését. A Venezianomodell gyorsan nagy szenzációvá lett a fizikában, és több száz közlemény megírásához vezetett, amelyekben a magerők leírására szerették volna általánosítani.

Más szavakkal, az elméletet pusztán véletlenül fedezték fel. Edward Witten (sokan úgy gondolják, hogy az elmélet számos nagyszerű áttörése mögött az ő kreatív agya áll) azt mondta, hogy „a huszadik századbeli fizikusok tulajdonképpen nem részesülhettek volna abban a kiváltságban, hogy ezt az elméletet tanulmányozhassák. Igazság szerint a húrelméletet most még nem lett volna szabad kitalálni."

Élénken emlékszem a húrelmélet megszületésére. Abban az időben még Berkeleyben, a University of Californián voltam fizikus egyetemi hallgató, és emlékeimbe idézem, hogy láttam a fizikusokat a fejüket rázni és azt állítani, hogy ezen az úton a fizika nem képzelhető el. A múltban a fizikát a természet nagyon alapos és részletes megfigyelésére alapozták, majd gondosan megfogalmaztak néhány hipotézist, az ötleteket gondosan tesztelték adatokon, és újra meg újra az unalomig ismételték ezt az eljárást. A húrelméletben egyszerűen meg kellett tippelni a választ. Ezt utat lehetetlennek képzelték.

Mivel a szubatomi részecskék még a legerősebb berendezéseinkkel sem láthatóak, a fizikusok egy erőszakos, de hatékony eljáráshoz folyamodtak: nagy energiájú ütközésekben darabokká törik őket. Dollármilliárdokat költöttek óriási „atomzúzókka", vagyis részecskegyorsítókra, amelyek több mérföld nagyságúak, és egymással ütköző szubatomi részecskenyalábokat állítanak elő. Az ütközésből származó törmeléket a fizikusok aprólékosan megvizsgálják. Ennek a nehéz és fáradságos eljárásnak a célja, hogy néhány számot megállapítsanak, amelyek a szórási mátrix (más néven az S-mátrix) elemei. E számok együttesének kulcsszerepe van, mivel a szubatomi fizika összes információját lekódolják - azaz, ha valaki ismeri az S-mátrixot, akkor meg tudja határozni az elemi részecskék összes tulajdonságát.

Az elemi részecskék fizikájának egyik célja, hogy az S-mátrix matematikai szerkezetét megjósolja az erős kölcsönhatások esetére - ez egy annyira merész célkitűzés, hogy számos fizikus szerint minden ismert fizikán túl van. Így aztán elképzelhető az a szenzáció, amit Veneziano és Suzuki okozott azzal, hogy egyszerűen megtippelték az S-mátrix szerkezetét, amikor felütöttek egy matematikai kézikönyvet.

A modell teljesen különbözik minden valaha látott korábbitól. Szokás, ha valaki javasol egy új elméletet (például a kvarkok létezését), a fizikusok megpróbálják összebarkácsolni az elméletet néhány egyszerű paraméter változtatgatásával (mint például a részecskék tömege vagy a hatások erőssége). De Veneziano modellje annyira trükkös volt, hogy az alapvető szimmetriáihoz való legkisebb hozzányúlás is lerombolta az egész formulát. Mintha csak egy nagyon finoman csiszolt kristályról lenne szó, ami azonnal széttörik, amint megpróbálja valaki megváltoztatni az alakját.

A több száz közlemény közül, amelyek nyilvánvaló módon próbálták módosítani a paramétereket, lerombolták az elmélet szépségét és ezek közül egy sem élte túl korát. Az abból az időszakból még ma is aktuális cikkek azok, amelyekben arra keresik a választ, hogy egyáltalán mitől működik az elmélet - vagyis amelyekben megpróbálják felderíteni a szimmetriáit.

Végső soron a fizikusok megtanulták, hogy ebben az elméletben nincsen semmilyen változtatható paraméter.

A Veneziano-modellnek, akármilyen figyelemreméltó modell is, számos fogyatékossága volt. Először is, a fizikusok észrevették, hogy mindössze csak az S-mátrixnak egy első közelítése, nem pedig maga az egész mátrix. Bunji Sakita, Miguel Virasoro és Keiji Kikkawa felismerték, hogy az S-mátrix tagok végtelen sorozatának tekinthető, és a Venezianomodell csupán csak a sorozat első, de legfontosabb tagja. (Durván fogalmazva, a sorozat minden egyes tagja az útvonalak sorszámát jelenti, amelyeken a részecskék egymásnak ütközhetnek. Megalkották azokat a szabályokat, amelyekkel a közelítések magasabb rendű tagjait is ki lehet számolni. Én a PhD-dolgozatomban elhatároztam, hogy teljesen befejezem ezt a programot és a Venezianomodell összes lehetséges korrekcióját megalkotom. L. P. Yu kollégámmal együtt a modell korrekciós tagjainak végtelen halmazát számítottam ki.)

Végül a Chicago Universityn dolgozó Nichiro Nambu és a Nihon Egyetemen lévő Tetsuo Goto azonosította a kulcsot, ami a modellt működteti: egy vibráló húrt. (Ebben az irányban dolgozott Leonard Susskind és Holger Nielsen is.) Amikor egy húr egy másik húrral ütközik, egy, a Venezianomodell által leírt S-mátrixot kelt. Ebben a képben minden részecske nem más, mint egy vibráció vagy egy hang a húron. (Ezt a felfogást később még részletesen tárgyalom.)

A fejlődés nagyon gyors volt. 1971-ben a húrmodellt John Schwarz, André Neveu és Pierre Ramond általánosította, és így magában foglalt egy új kvantumot, amit spinnek (forgásnak) neveztek, ami így a részecskekölcsönhatások leírásának elméletére reális jelölt lett. (Az összes szubatomi részecske, amint azt látni fogjuk, egy miniatűr búgócsigához hasonlatosan forogni tűnik. Minden szubatomi részecske forgásmennyisége lehet egész szám, mint pl. 0,1, 2, vagy félegész szám, mint például 1/2, 3/2. Figyelemreméltó módon a Neveu-Schwarz-Ramond-húrelmélet éppen a forgásmennyiségnek ezt a mintázatát adja.)

Én azonban még nem voltam elégedett. A duális rezonanciamodell, ahogy akkoriban nevezték, esetleges formulák és hozzávetőleges számítások laza kollekciója volt. Amióta csak a brit fizikus, Michael Faraday bevezette a fizikába, a megelőző 150 évben minden fizikát a „mező" (erőtér) fogalmára alapoztak. Gondoljunk egy rúdmágnes mágneses erővonalaira. Mint a pókháló, az erővonalak áthatolnak a téren mindenütt. A tér minden egyes pontjában megmérhetjük a mágneses erővonal irányát és erősségét. Ehhez hasonlóan a mező egy matematikai objektum, amely különböző értékeket vesz fel a tér minden egyes pontjában, így a mező a mágneses, elektromos, vagy éppen a magerő erősségét méri az Univerzum

összes pontjában. Emiatt az elektromosság, a mágnesség, a gravitáció vagy a magerő alapvető leírása a mezőkön alapszik. Miért különböznek a húrok? Amire szükség volt, az a „húrok térelmélete", ami lehetővé tenné, hogy az elmélet összes mondanivalója egyetlen egyszerű egyenletben legyen összegezhető.

1974-ben elhatároztam, hogy megbirkózom ezzel a problémával. Az osakai egyetemről való Keiji Kikkawa kollégámmal sikeresen kicsikartam a húrok térelméletét. Egy körülbelül három centiméter széles egyenletben összegezhettük a húrelméletben tárolt összes információt. Amint a húrok térelméletét megformuláztuk, meg kellett győznöm a fizikusközösséget a formula erejéről és szépségéről. Részt vettem egy elméleti fizikai konferencián a Colorado állambeli Aspen Centerben még azon a nyáron, és tartottam egy szemináriumot egy kicsi, válogatott fizikuscsoportnak. Elég ideges voltam: a hallgatóságban két Nobeldíjas volt, Murray Gell-Mann és Richard Feynman, akik rendszerint notóriusán agyafúrt, mélybe hatoló kérdéseket tettek fel, ami miatt az előadó gyakran frusztrálva távozott.

(Egyszer, amikor Steven Weinberg tartott egy előadást, felírt a táblára egy szöget jelző betűt, a W-t, amit a tiszteletére Weinberg-szögnek neveztek el. Feynman megkérdezte, mire utal a táblán a W betű. Amint Weinberg elkezdte a választ, Feynman bekiabálta: „Wrong!(Hibás)"; a hallgatóság harsányan hahotázott. Feynman ugyan elszórakoztatta a résztvevőket, de az utolsó nevetés Weinberggé lett. Ez a szög Weinberg elméletének egy igen fontos része, ami egyesíti az elektromágneses és a gyenge kölcsönhatást, és ami végső soron meghozta Weinbergnek a Nobel-díjat.)

Előadásomban hangsúlyoztam, hogy a húrok térelmélete nyújtaná a térelmélet legegyszerűbb, legérthetőbb megközelítését, ami addig leginkább összefüggéstelen egyenletek zavaros halmaza volt. A húrok térelméletével az egész elmélet egy körülbelül három centiméter hosszúságú egyenletben összegezhető - az egész Venezianomodell minden tulajdonsága, a végtelen perturbációközelítés összes tagja, és a forgó húrok teljes leírása egy olyan egyenletből származtatható, ami egy szerencsesüteményben elfér. Kiemeltem, hogy a húrelmélet szimmetriái azok, amik az elmélet erejét és szépségét szolgáltatják. Amikor egy húr a téridőben mozog, akkor egy kétdimenziós felületet tapogat le, és egy szalagra hasonlít. Az elmélet ugyanolyan alakú marad függetlenül attól, hogy ezen a kétdimenziós felületen milyen koordináta-rendszert használunk. Sohasem felejtem el, hogy az előadás után odajött hozzám Feynman és azt mondta, hogy „Nem értek ugyan egyet teljesen a húrelmélettel, de az Ön által tartott előadás egyike volt az általam hallott legszebb előadásoknak."

Tíz dimenzió

Amint útjára indult a húrelmélet, gyorsan felgombolyították a szálakat. Gilaude Lovelance felfedezte, hogy az eredeti Veneziano-modellben van egy apró matematikai szépséghiba, amelyet csak úgy lehet eltüntetni, ha a téridőnek huszonhat dimenziója van. Ehhez hasonlóan Neveu, Schwarz és Ramond szuperhúrmodellje csak tíz dimenzióban létezhet. Ez elképesztette a fizikusokat. Az egész tudománytörténetben korábban nem látott ilyet soha senki. Még sehol sem találtak ki egy olyan elméletet, ami saját maga választja ki a dimenzióit. Például Newton és Einstein elméletei akárhány dimenzióban megszövegezhetők, vagy a gravitáció híres fordított négyzetes arányossága négy dimenzióra egy fordított köbös arányosságként általánosítható. De a húrelmélet csakis meghatározott dimenziókban létezhet.

Gyakorlati szemszögből nézve ez katasztrófa volt. Mindenki egyöntetűen azt gondolta, hogy a mi világunk a tér három dimenziójában (hosszúság, szélesség és magasság) meg az idő egy dimenziójában létezik. Egy tízdimenziós univerzumot elfogadni azt jelentette, hogy az elmélet a tudományosfantasztikus irodalom határait súrolja. A húrelmélettel foglalkozók viccek célpontjaivá váltak. (John Schwarz arra emlékezett, egyszer egy liftben együtt utazott Richard Feynmannal, aki tréfásan meg kérdezte: „Nos, John, hány dimenzióban élsz ma?") De függetlenül attól, hogy a húrfizikusok hogyan próbálták megmenteni az elméletet, az gyorsan meghalt. Csupán a legkitartóbbak folytatták a munkát. Ez az időszak a magányos erőfeszítéseké volt.

Két ilyen kitartó fizikus, akik ezekben a zord években is dolgoztak az elméleten, John Schwarz (CalTech) és Joel Scherk (École Normale Superior, Párizs) volt. Mindaddig a húrelméletről azt képzelték, hogy csak az erős nukleáris kölcsönhatásokat írja le. De volt egy probléma: a modell megjósolta egy részecske létezését, ami azonban nem mutatkozik az erős kölcsönhatásokban; egy olyan különös részecskéét, aminek nulla a tömege, de 2 kvantumegység a spinje. Ennek az idegesítő részecskének a megtalálására irányuló összes kísérlet kudarcot vallott. Minden olyan alkalommal, amikor valaki megpróbálta ezt a 2 spinű részecskét az elméletből kiiktatni, a modell összeomlott és elvesztette a varázsát. Valahogy ez az akaratlanul feltűnt 2 spinű részecske hordozta az egész modell titkát.

Ekkor Scherk és Schwarz merész feltevést tett. Talán a hiba valójában erény. Ha az aggasztó 2 spinű részecskét gravitonként értelmezik (egy részecske, ami Einstein elméletéből következne), akkor az elmélet pontosan Einstein gravitációelméletét foglalná magában! (Más szavakkal, Einstein általános relativitáselmélete egyszerűen a szuperhúron lévő legkissebb vibrálásból vagy hangból bukkanna elő.) Ironikus módon, míg más kvantumelméletekben a fizikusok kitartóan próbálják elkerülni a gravitációnak még csak az említését is, a húrelmélet egyenesen megköveteli a gravitációt. Ezzel a merész szökkenéssel a tudósok felismerték, hogy a húrmodellt inkorrekt módon alkalmazták a rossz problémára. A húrelmélet nemcsak az erős nukleáris kölcsönhatások elmélete, hanem a „minden elmélete". Ahogy Witten hangsúlyozta, a húrelmélet egyik vonzó tulajdonsága, hogy megköveteli a gravitáció felléptét. Míg a standard térelméletek évtizedek óta elbuktak a gravitáción, a húrelméletben a gravitációnak valójában kötelező fellépnie.

Scherk és Schwarz termékeny ötletét azonban általánosan elvetették. Ahhoz, hogy a húrelmélet a gravitációt és a szubatomi világot is leírja, a húrok hosszának a Plank-hosszúsággal kellett, megegyeznie (ez 10-33 cm); más szavakkal, milliárdszor milliárdszor kisebbnek kellett lenniük, mint egy proton. Ez túlságosan kis szám volt ahhoz, hogy a legtöbb fizikus képes legyen elfogadni.

Csakhogy az 1980-as évek derekára az egyesített térelmélet keresésére irányuló egyéb próbálkozások meginogtak. Azok az elméletek, amelyek a gravitációt naivan megpróbálták a Standard Modellbe beilleszteni, a véglények mocsarába süppedtek bele (amit majd röviden elmagyarázok). Minden egyes alkalommal, amikor valaki igyekezett a gravitációt véglegesen összeházasítani más kvantumerőkkel, az olyan matematikai

ellentmondásokhoz vezetett, amelyek az elméletet megölték. (Einstein úgy gondolta, hogy Istennek talán nem volt választása az Univerzum teremtését illetően. Ennek egyik oka az lehet, hogy csak egyetlen elmélet van, ami mentes ezektől a matematikai ellentmondásoktól.)

A matematikai inkonzisztenciáknak két ilyen típusa lépett fel. Az első az anomáliák problémája volt. A kvantumfluktuációk általában nagyon kicsik. A kvantumeffektusok rendszerint csak kis korrekciókat adnak Newton mozgástörvényeihez. Jórészt ezért hagyhatjuk figyelmen kívül őket a mi makroszkopikus világunkban - túl kicsik ahhoz, hogy észrevegyük. De amikor a gravitációt belefoglaljuk a kvantumelméletbe, akkor ezek a kvantumfluktuációk végtelen naggyá válnak, ami értelmetlen. A második fajta matematikai inkonzisztencia „anomáliákat" okoz, azaz az elméletben kis aberrációkat, amelyek akkor keletkeznek, amikor az elmélethez kvantumfluktuációkat adunk. Ezek az anomáliák tönkreteszik az elmélet eredeti szimmetriáját, és így megfosztják fő erősségétől.

Képzeljük el például, hogy egy rakétatervezőnek egy csillogó, áramvonalas közlekedési eszközt kell terveznie, ami a légkörön suhanna keresztül. A rakétának igen nagy szimmetriával kell bírnia, hogy a légellenállás a súrlódás hatásait csökkentse (ebben az esetben hengerszimmetrával, ez a rakéta ugyanolyan marad, ha a hossztengelye körül megforgatjuk). Ezt a szimmetriát O(2)-nek nevezik. De két potenciális probléma akad. Az egyik, hogy amikor a rakéta nagy sebességgel halad, a szárnyain vibráció lép fel. A hangsebesség alatti repülőgépek esetében ezek a vibrációk igen kicsik. De szuperszonikus sebességgel történő repüléskor ezeknek a vibrációknak az erőssége megnövekedhet, és végső soron leszakítják a szárnyakat. Ehhez hasonló divergenciákkal kell megküzdenie a kvantumgravitáció bármely elméletének. Normálisan nagyon kicsik és figyelmen kívül hagyhatók, de a gravitáció kvantumelméletében a képünkbe villannak.

A másik probléma a rakétával, hogy a törzsön apró repedések jelenhetnek meg. Ezek a felhasadások a rakéta eredeti O(2) szimmetriáját lerombolják. Az ilyen kicsi repedések végül is elszaporodnak és darabjaira törik a törzset. Hasonlóképpen, az ilyen „repedések" a gravitációelmélet szimmetriáját ölhetik meg.

Két út létezik e problémák megoldására. Az egyik a gyorstapasz megoldás, azaz „ragasztóval" el kell simítani a repedéseket, és egy pálcával merevíteni kell a szárnyakat, remélve, hogy a légkörben a rakéta nem fog felrobbanni. Történetileg ez az a megközelítés, amivel a fizikusok a gravitációt a kvantumelmélettel igyekeztek összeházasítani. Megpróbálták ezt a két problémát a szőnyeg alá söpörni. A második út az, hogy mindent az elejéről kezdünk, új alakkal és egy új, egzotikus anyagot használva, ami ellenáll az űrutazás hatásainak.

A fizikusok évtizedeket töltöttek el azzal, hogy a kvantumgravitáció elméletét összeillesszék, de csak megfejthetetlen rejtvényeket fedeztek fel újabb anomáliákkal és divergenciákkal. Fokozatosan felismerték, hogy a gyorstapasz-megoldást talán fel kellene adni és egy teljesen új elméletei kellene megalkotni.

A húrok divatba jönnek

1984-ben a szerencse a húrelmélet mellé szegődött. John Schwarz (CalTech) és Mike Green (Queen's Mary College, London) megmutatták, hogy a húrelmélet mentes az összes olyan ellentmondástól, amelyek más elméletekkel a pusztulásba küldtek. A fizikusok azt már tudták, hogy a húrelmélet mentes a matematikai divergenciáktól, de Schwarz és Green megmutatták, hogy anomáliák sincsenek benne. Ennek eredményeképpen a „minden elméletére" a húrelmélet vált a vezető (és ma már az egyetlen) jelöltté. A lényegében halottnak tekintett elmélet hirtelen feltámadt. A semmi elméletéből a húrelmélet hirtelen a minden elméletévé vált. Számtalan fizikus állt neki elszántan húrelméleti tanulmányokat olvasni. A világ kutatólaboratóriumaiból cikkek lavinája özönlött. A könyvtárakban már porlepte régi cikkek lettek a fizika legégetőbb témái. A párhuzamos világok gondolata, amelyet túlságosan idegenszerűnek tekintettek ahhoz, hogy igaz legyen, a fizikusok közösségében most központi helyre került, konferenciák százait, tanulmányok tízezreit szentelték a témának.

(Az események időnként kicsúsztak a kezünkből, mivel néhány fizikust elkapott a „Nobel-láz". 1991 augusztusában még a Discover Magazine is nagy hűhót csapott, borítólapján a szenzációs címmel: „A Minden Új Elmélete: Egy fizikus megküzd az utolsó kozmikus rejtéllyel". A cikk idézett egy fizikust, aki erősen szomjazott a hírnévre és a dicsőségre: „Nem vagyok a szerények egyike. Ha ez működik, akkor Nobeldíj van benne" dicsekedett. Amikor szembesítették azokkal az ellenvéleményekkel, miszerint a húrelmélet még gyerekcipőben jár, azzal vágott vissza, hogy „A legnagyobb húrelméleti fejek azt mondják, hogy négyszáz évet venne igénybe a húrok bizonyítása, de én azt mondom nekik, hogy be kellene fogni a szájukat.")

Az aranyláz folytatódott. Volt a „szuperhúrdivat" kapcsán negatív reakció is. Egy harvardi fizikus azon gúnyolódott, hogy a húrelmélet igazából nem is a fizika körébe tartozik, hanem a matematikáéba vagy a filozófiáéba, ha ugyan nem a valláséba. A Nobeldíjas Sheldon Glashow (Harvard University) vezette a rohamot, a szuperhúrok elméletét a csillagháborús programhoz hasonlítva (amelybe óriási erőforrásokat öltek bele, de semmit sem teszteltek belőle). Glashow azt mondta, hogy valójában ő nagyon boldog, hogy ennyi fiatal fizikus dolgozik a húrelméleten, mert így legalább nyugton hagyják. Amikor megkérdezték, mit tart arról, miszerint a következő ötven évben a húrelmélet uralhatja a fizikát, ugyanúgy ahogyan a kvantummechanika dominált az utóbbi ötven évben, azt felelte, hogy a húrelmélet a fizikát a Kaluza-Klein-elmélethez hasonlóan fogja dominálni (amit ő „fantasztikusnak" tartott), ami ma már ki sem érdemel. Megpróbálta a húrfizikusokat a Harvardon kívül tartani. De ahogy a következő generáció a húrelmélet felé tolódott el, a Nobeldíjasok magányos hangját gyorsan elnyomták. (Azóta a Harvard is több fiatal húrfizikust alkalmaz.)

Kozmikus zene

Einstein egyszer azt mondta, hogy ha egy elmélet nem nyújt olyan egyszerű fizikai képet, hogy azt egy gyerek is megértse, akkor az az elmélet valószínűleg használhatatlan. Szerencsére, a húrelmélet mögött egy egyerű kép áll, egy zenére alapozott kép.

A húrelmélet szerint, ha lenne egy szupermikroszkópunk, amivel az elektron szívébe pillanthatnánk, akkor nem egy pontszerű részecskét látnánk, hanem egy rezgő húrt. (A húr rendkívül kicsi, a Planck-hosszúság 10-33 cm-ének megfelelő, milliárd milliárdszor kisebb, mint egy proton, amiért az összes szubatomi részecske pontszerűnek tűnik.) Ha lefognánk azt a húrt, a rezgés jellege megváltozna; az elektron átfordulna neutrínóba. Fogjuk le máshol, akkor kvarkba fordul át. Ezen a módon bármely szubatomi részecskévé átfordulhat. Ezzel a húrelmélet nehézség nélkül magyarázza meg, miért létezik annyi szubatomi részecske. Ezek nem mások, csak különböző „hangok", amelyeket egy szuperhúron lehet lejátszani.

Az Univerzum összes szubatomi részecskéjét egy húr különböző rezgéseinek tekinthetjük. A húr „harmóniái" a fizika törvényei.

A húrok szétválás és újraegyesülés útján kölcsönhatásba léphetnek, így jelenítve meg az atomokban lévő protonok és elektronok között általunk látott kölcsönhatásokat. Ilyen módon, a húrelméleten keresztül az atomfizika és a magfizika törvényeit reprodukálhatjuk. A „melódiák", amelyeket a húrokra írtak, a kémia törvényének felelnek meg. Az Univerzumot úgy szemlélhetjük, mint a húrok hatalmas szimfóniáját.

A húrelmélet nemcsak a kvantummechanika részecskéit magyarázza meg az Univerzum zenei hangjaiként, de Einstein relativitáselméletét is — a legalacsonyabb vibrációja, a nulla tömegű, kettő spinű részecske gravitonként, a gravitáció részecskéjeként vagy kvantumaként értelmezhető. Ha ezeknek a gravitonoknak a kölcsönhatását kiszámítjuk, akkor pontosan Einstein régi gravitációelméletét kapjuk meg, kvantumformában. Ahogy a húrok mozognak, eltörnek és újraalakulnak, az nagyon szigorú megkötéseket jelent a téridőre nézve. Mikor ezeket a megkötéseket elemezzük, ismét Einstein jó öreg általános relativitáselméletét kapjuk meg. Így a húrelmélet elegánsan, egymagában megmagyarázza Einstein elméletét. Edward Witten azt mondta, hogy ha Einstein sohasem fedezte volna fel a relativitást, akkor a húrelmélet melléktermékeként úgyis felfedezték volna. Bizonyos értelemben az általános relativitáselméletet ingyen kapjuk.

Az is a húrelmélet szépsége, hogy a zenéhez hasonlítható. A muzsika nyújtja azt a metaforát, amivel megérthetjük az Univerzum természetét szubatomi szinten és kozmikus szinten is. Ahogy az ünnepelt hegedűművész, Yehudi Menuhin írta egyszer: „A zene a káoszból rendet teremt; a ritmus a széttartót egységbe fogja; a melódia a megszakítottat folytonossá varázsolja; a harmónia az össze nem illőket összeegyezteti." Einstein azt írta, hogy az egyesített térelmélet keresésére irányuló próbálkozásai végeredményben „Isten gondolataiban való olvasást" tették volna lehetővé. Ha a húrelmélet helyes, akkor ma már látjuk, hogy Isten Gondolata a tízdimenziós térben rezonáló zenét jelenti. Ahogy Gottfried Leibniz mondta egyszer: „A zene a lélek aritmetikai gyakorlata anélkül, hogy tudná, hogy kiszámítható."

Történetileg a zene és a tudomány közötti kapcsolatot már a Kr. e. ötödik században kitalálták, amikor a görög pitagoreusok felfedezték a harmónia törvényeit és matematikai alakba öntötték. Rájöttek, hogy a lant egy megfeszített húrjának a tónusa a húr hosszától függ. Ha valaki a húr hosszát kétszeresére növeli, akkor az általa kiadott hang egy teljes oktávval csökken.

Ha a húr hosszát a kétharmadára csökkentik, akkor a keltett hang magassága ötödével változik. Ezért a zene és a harmónia törvényei a számok közötti relációkká redukálhatok. Nem meglepő módon a pitagoreusok alapelve az volt, hogy „Minden dolog szám." Eredetileg olyan boldogok voltak ettől az eredménytől, hogy volt bátorságuk ezeket a törvényeket az egész Univerzumra alkalmazni. De kísérletük a probléma borzasztóan nagy bonyolultsági foka miatt elbukott. Akárhogy is, a húrelmélettel a fizikusok bizonyos értelemben a pitagoreusok álmaihoz térnek vissza.

Ezt a történelmi kapcsolatot kommentálva Jamie James egyszer azt mondta: „Valaha a tudományt és a zenét egymással olyan mély kapcsolatban lévőnek találták, hogy bárkit, aki tagadta a köztük levő lényeges különbséget, tudatlan embernek bélyegezték. Ma viszont, ha valaki felveti, hogy van valami közös bennük, azt kockáztatja, hogy egyik oldalról szakbarbárnak tartják, a másikról dilettánsnak - és ami még elítélőbb, mindkét részről populárisnak.

Problémák a hipertérben

Ha a magasabb dimenziók tényleg nemcsak az elméleti matematikában, hanem a természetben is léteznek, akkor a húrelméleti szakembereknek ugyanazzal a problémával kell szembenézniük, ami Theodor Kaluzát és Felix Kleint üldözte 1921-ben, amikor megalkották az első, magasabb dimenziókat tartalmazó elméletet: hol vannak ezek a magasabb dimenziók?

Kaluza, egy korábban jelentéktelennek tartott matematikus levelet írt Einsteinnek, amelyben Einstein egyenleteinek öt dimenzióra történő kiterjesztését javasolta (egy dimenzió az időnek és négy a térnek). Matematikailag ez nem probléma, mivel az Einstein-egyenleteket bármennyi dimenzióban triviális módon fel lehet írni. De a levél egy elképesztő észrevételt is tartalmazott: ha valaki manuálisan kiválasztja az ötdimenziós térben lévő négydimenziós részt, akkor szinte varázslattal felérő módon a maradékból automatikusan megkapja Maxwell fényelméletét! Másképp fogalmazva: Maxwell elektromágneses erőről szóló elmélete Einstein gravitációról szóló elméletéből ugrik elő, ha egyszerűen egy ötödik dimenziót adunk az einsteini elmélethez. Noha nem láthatjuk az ötödik dimenziót, az ötödik dimenzióból hullámok formálódnak, amik a fénysugaraknak felelnek meg! Ez egy örömteli eredmény volt, mert az utóbbi 150 évben fizikusok és mérnökök generációinak kell Maxwell nehéz egyenleteit memorizálniuk, azonban ezek a komplex egyenletek most már nehézség nélkül emelkednek ki az ötödik dimenzióban található legegyszerűbb rezgésekből.

Képzeljünk el egy nagyon sekély tóban úszó halat, ami éppen csak a liliomok levele alatt tud úszkálni, és azt gondolja, hogy az ő „univerzuma" mindössze kétdimenziós. A mi háromdimenziós világunk az ő számára ismeretlen, azonban van arra mód, hogy a harmadik dimenzió jelenlétét észrevehesse. Ha esik az eső, akkor világosan megpillanthatja a vízililiom levelein lecsurgó esőcseppek árnyékát. Hasonlóképpen, mi is észlelhetjük az ötödik dimenziót, de az ötödik dimenzió esőcseppjei számunkra fénysugárnak tűnnek.

(Kaluza és Klein elmélete a szimmetriák erejének szép és mélyreható tárgyalása volt. Később azt is megmutatták, hogy ha még több dimenziót adunk Einstein régi elméletéhez, majd vibrációra késztetjük őket, ezek a magasabb dimenzióvibrálások a gyenge és az erős kölcsönhatásokban talált W-és a Zbozonokat, valamint gluonokat is reprodukálják! Ha a Kaluza által pártolt program helyes, akkor az Univerzum a korábban gondoltnál sokkal egyszerűbb. Az Univerzumot szabályozó erők közül sok egyszerűen a magasabb és még magasabb dimenziók rezgéseként értelmezhető.)

Noha Einsteint elképesztette ez az eredmény, maga az észrevétel túl szép volt ahhoz, hogy igaz legyen. Ahogy múltak az évek, olyan problémákat fedeztek fel, amelyek Kaluza elgondolását hasznavehetetlenné változtatták. Először is, az elméletet szitává lyuggatták a diveregenciák és az anomáliák, ami kvantumelméletek esetében tipikusnak mondható. Másodjára ott volt a még zavaróbb fizikai kérdés: miért nem látjuk az ötödik dimenziót? Amikor nyilakat lövöldözünk az égbe, nem látjuk úgy, hogy egy másik dimenzióban eltűnnének. Gondoljunk a cigarettafüstre, ami lassan, a tér minden egyes pontját betöltve oszlik szét. Mivel a cigarettafüstöt soha nem láttuk egy magasabb dimenzióba eltűnni, a fizikusok felismerték, hogy a magasabb dimenzióknak, ha egyáltalán léteznek, sokkal kisebbnek kell lenniük egy atomnyinál. A múlt században a misztikusok és a matematikusok eljátszadoztak a magasabb dimenziók gondolatával, de a fizikusok kigúnyolták a gondolatot, mivel soha senki nem látott egy tárgyat magasabb dimenzióba távozni.

Az elmélet megmentése érdekében egyes fizikusok azt dobták be, hogy a magasabb dimenziók olyan kicsik, hogy a természetben nem vehetjük őket észre. Mivel a mi világunk négydimenziós, ez azt jelentette, hogy az ötödik dimenzió egy atomnyinál is kisebb apró kis köröcskére van feltekerve, ami túl kicsiny ahhoz, hogy kísérletileg tanulmányozhassuk. A húrelméletnek ugyanezzel a problémával kell megküzdenie. Ezeket a váratlan magasabb dimenziókat fel kell göngyölítenünk egy apró kis „labdára" (ezt az eljárást nevezik kompaktifikációnak). A húrelmélet szerint az Univerzum eredetileg tízdimenziós volt, és az összes erő egységes volt.

De a tízdimenziós hipertér instabil volt, és a tíz közül hat dimenzió feltekeredett egy apró kis labdára, meghagyva a maradék négy dimenziónak, hogy az Ősrobbanásban elkezdjenek kifelé tágulni. Annak oka pedig, hogy ezeket a dimenziókat nem látjuk, mindössze annyi, hogy ezek sokkal kisebbek egy atomnál, és ezért senki nem tud beléjük pillantani. (Példának okáért képzeljünk el egy kerti slagot és egy szívószálat: ezek, messziről egydimenziós tárgyaknak tűnnek, amelyek hosszúságukkal jellemezhetők. De ha valaki közelebbről megvizsgálja őket, azt tapasztalja, hogy valójában mindkettőnek kétdimenziós felszíne van: egy henger, de a második dimenzió fel van tekeredve, így távolról nem látható.)

Miért húrok?

Amint az egyesített térelmélet keresésére irányuló korábbi próbálkozások megbuktak, a húrelmélet minden eddigi kihívást túlélt. Ténylegesen nincs riválisa. Két oka van annak, hogy a húrelmélet sikerrel vette az akadályokat ott, ahol más elméletek elbuktak.

Először is, az elmélet egy kiterjedt objektumra épül (a húrra), így rengeteg olyan divergencia elkerülhető, ami pontszerű részecskékhez kapcsolódik.

Ahogy már Newton észrevette, egy pontszerű részecskét körbeölelő gravitációs erő végtelenné válik, ahogy egyre közelebb és közelebb kerülünk hozzá. (Newton híres fordított négyzetes törvénye szerint a gravitációs erő 1/r^2 szerint nő, így ahogy az r távolság csökken, az erő a végtelen felé szárnyal - és amikor az r távolság nullává lesz, akkor a gravitációs erő 1/0-ra, azaz végtelenre nő meg.)

Az erő nagysága még a kvantumelméletben is végtelen nagy marad, ha kvantumos pontszerű részecskékkel dolgozunk. Az eltelt évtizedek alatt Feynman és mások számos misztikus szabályt találtak ki hogy az ilyen és más jellegű divergenciákat a szőnyeg alá söpörjék. De ha Feynman trükkök egész sorát eszelte is ki, a gravitáció kvantumelmélete számára ezek még mindig nem elegendőek az elmélet összes végtelenjének az eltávolítására.

A probléma ugyanis az, hogy a pontszerű részecskék végtelenül kicsinyek, ami azt jelenti, hogy belsejükben az erejük és az energiáik végtelenné válnak.

Ha a húrelméletet gondosan megvizsgáljuk, két mechanizmust is találunk, amelyekkel ezek a divergenciák kiküszöbölhetők. Az első a húrok topológiájához, a második a szimmetriáikhoz kapcsolódik, ez utóbbit szuperszimmetriának nevezik.

A húrelmélet topológiája teljesen eltér a pontrészecskék topológiájától, és ezért a divergenciák teljesen más jellegűek. (Durván leegyszerűsítve, mivel a húr hossza véges, ez ahhoz vezet, hogy az erők nem szállnak el a végtelenbe ahogy közelítünk a húrhoz. A húr közelében az erők csak l/L^2 szerint nőnek, ahol L a húr Planckhossz (10-33 cm) nagyságrendjébe eső hossza. Ez az L véges hossza vágja le a divergenciákat.) Mivel a húr nem pontszerű képződmény, hanem határozott mérete van, meg lehet mutatni, hogy a divergenciák „szétkenődnek" a húr mentén, és ezért minden fizikai mennyiség véges marad.

A megérzés alapján ugyan nyilvánvalónak tűnik, hogy a húr divergenciái elkenődnek és a mennyiségek ezért maradnak végesek, ennek matematikai bizonyítása rendkívül nehéz és az elliptikus moduláris függvény használatát igényli, ami a matematika legkülönösebb függvényei közé tartozik. E függvény története olyan izgalmas, hogy még egy hollywoodi filmben, a Good Will Huntingban is kulcsszerepet játszott. Ebben a filmben a Matt Damon által megformált, Cambridge külvárosából származó egyszerű, munkásosztálybeli srác története elevenedik meg, akinek kiváló matematikai képességei vannak. Amikor épp nem a környékbeli vagányokkal bunyózik, takarítóként dolgozik az MIT-en. Az MIT professzorait elképeszti, hogy ez az utcakölyök egy matematikai zseni, aki makacs, megoldatlan matematikai problémákra egyszerűen leírja a válaszokat. Felismerve, hogy ez az utcakölyök a felsőbb matematikát saját maga által sajátította el és jól ismeri, egyikük kiböki, hogy a srác az „új Ramanujan".

A Good Will Hunting története főbb vonalaiban tényleg Srinivasa Ramanujan, a 20. század legnagyobb matematikai zsenije életén alapul, aki Madras közelében nagy szegénységben és elszigeteltségben nőtt fel a múlt századfordulón. Elszigeteltsége okán saját magának kellett a 19. századi európai matematika jó részét kifejlesztenie. Karrierje szupernovához hasonló volt, matematikai ragyogásának köszönhetően gyorsan az, egekbe emelkedett. 1920-ban, tragikusan fiatalon, 37 évesen halt meg, tuberkulózisban. A Good Will Hunting főszereplőjéhez hasonlóan ő is matematikai egyenletekről álmodott, esetében az elliptikus moduláris függvényről, amelynek különös, de szép matematikai tulajdonságai vannak, de csakis 24 dimenzióban.

A matematikusok még ma is próbálják a halála után megtalált „Ramanujan elveszett noteszét" kibetűzni. Ramanujan munkájára visszatekintve, ma már látjuk, hogy az nyolc dimenzióra is általánosítható, ami a húrelméletben közvetlenül alkalmazható. A fizikusok ehhez még további két dimenziót adnak, hogy egy fizikai elméletet konstruáljanak belőle.

(Például a polárszűrős napszemüvegek használják ki azt a tényt, hogy a fénynek két polarizációs állapota van; a fény fel-le és jobbra-balra rezeghet. Maxwell fényelméletének matematikai megfogalmazása viszont négy komponenst használ. E négy rezgési állapot közül kettő csak másik kettőnek az ismétlése.) Amikor két újabb dimenziót adunk Ramanujan függvényeihez, akkor a matematikai varázsszámok 10-re és 26-ra nőnek, így pontosan a húrelmélet varázsszámait kapjuk. Bizonyos értelemben Ramanujan az első világháború előtt megalkotta a húrelméletet!

Az elliptikus moduláris függvénynek e mesés tulajdonságai magyarázzák meg, hogy az elméletnek miért tíz dimenzióban kell léteznie. Csakis a dimenziók pontosan meghatározott száma tünteti el a más elméleteket tönkretevő divergenciákat. A húrok topológiája önmagában nem elégséges az összes divergencia kiküszöböléséhez. Az elmélet fennmaradó divergenciái a húrelmélet második tulajdonsága, a szimmetriát szüntetik meg.

Szuperszimmetria

A tudományban ismert szimmetriák közül néhány legnagyobb szimmetriáit a húrok hordozzák magukban. A 4. fejezetben, a Standard Modell és az infláció tárgyalása során láttuk, hogy a szimmetriák szép lehetőséget adnak, amelyen a szubatomi részecskék megnyerő és elegáns mintázatokba rendeződnek. A kvarkok három fajtája az SU(3) szimmetria szerint rendeződhet el, amiben a kvarkok egymás között hatnak kölcsön. A GUTelméletben úgy vélik, hogy ötfajta kvark és lepton rendeződhet el az SU(5) szimmetria szerint.

A húrelméletben ezek a szimmetriák az elmélet maradék divergenciáit és anomáliáit is megszüntetik. Mivel a szimmetriák a rendelkezésünkre álló legszebb és leghatékonyabb eszközök között vannak, azt várhatnánk, hogy az Univerzum elmélete a tudományban ismert legelegánsabb és legnagyobb hatású szimmetria birtokában van. A logikus választás a sok közül az a szimmetria, ami nemcsak a kvarkokat, de a természetben fellelt összes részecskét ki tudja cserélni egymás között - azaz az egyenletek ugyanolyan alakúak maradnak, ha maguk között az összes szubatomi részecskét összekeverjük. Ez a szuperhúr szimmetriáját pontosan meghatározza, és ezt nevezik szuperszimmetriának. Ez az egyetlen szimmetria, ami a fizikában ismert összes részecskét kicseréli. Ez teszi ideális jelöltté arra a szimmetriára, ami az Univerzum összes részecskéjét egyeden, elegáns, egységes egészbe rendezi.

Ha az Univerzum erőit és részecskéit nézzük, mindegyik két kategória valamelyikébe esik: „fermionok" és „bozonok", attól függően, hogy milyen a spinjük. A részecskék úgy viselkednek, mintha aprónyi búgócsigák lennének, amelyek különböző sebességgel forognak körbekörbe. Ezt a forgást a spinnek nevezett mennyiséggel jellemzik (és ennek a búgócsigának a perdületével kapcsolatos). Például a foton, a fény részecskéje, ami az elektromágneses kölcsönhatást közvetíti, 1 egységnyi spinű. Az erős és a gyenge kölcsönhatást a W-bozonok és a gluonok közvetítik, ezek szintén 1 egységnyi spinűek. A graviton, a gravitáció részecskéjének spinje 2. Az összes ilyen, egész spinű részecskét bozonoknak nevezik. Hasonlóképpen az anyag részecskéit félegész spinnel bíró szubatomi részecskék írják le: 1/2, 3/2, 5/2 és így tovább. (A félegész spinnel bíró részecskéket fermionoknak nevezik, és magukba foglalják az elektronokat, a neutrínókat és a kvarkokat.) A szuperszimmetria így az erők és az anyag, a bozonok és a fermionok közötti dualitást reprezentálja.

Egy szuperszimmetrikus elméletben az összes szubatomi részecskének kell, hogy legyen partnere: minden fermionhoz egy bozon társul. Noha még soha nem láttuk a természetben ezeket a szuperszimmetrikus partnereket, a fizikusok az elektron partneréül a „szelektront" társítják, amelynek nulla a spinje. (A fizikusok a szuperszimmetia-partnert úgy nevezik el, hogy egy sz betűt írnak a részecske nevéhez.) A gyenge kölcsönhatásban a leptonoknak nevezett könnyű részecskék vesznek részt; az ő szuperpartnereiket szleptonoknak hívják. Hasonlóképpen, a kvarknak is lehet egy nulla spinű partnere, amit szkvarknak mondanak. Általában az ismert részecskék partnereit (a kvarkokét, a leptonokét, a gravitonokét, a fotonokét és a többiét) sz-részecskének vagy szuperrészecskének nevezik.

(Kaku a gravitont is az ismert részecskék között említi, noha magát a gravitont még nem fedezték fel a fordító.)

Ezeket az sz-részecskéket az atomhasítókkal még fel kell fedezni (a mostani berendezéseink feltehetőleg még nem elég erősek a keltésükhöz).

Mivel az összes szubatomi részecske vagy bozon, vagy fermion, egy szuperszimmetria-elméletnek bírnia kell azzal a tulajdonsággal, hogy az összes ismert részecskét egyetlen egyszerű szuperszimmetriában egyesíti. Ezzel elegendően tág szimmetria van a kezünkben ahhoz, hogy belefoglaljuk az egész Univerzumot.

Gondoljunk egy hópehelyre. A hópehelynek mind a hat ága jelentsen egy-egy szubatomi részecskét, és minden második legyen egy bozon, és a köztük lévők pedig fermionok. Ennek a „szuperhópehelynek" az a szépsége, hogy ha a középpontja körül elforgatjuk, ugyanolyan marad. Ilyen módon a szuperhópehely az összes részecskét és sz-részecskét egyesíti, így, ha csak egy hat részecskéből álló hipotetikus egyesített térelméletet kellene megalkotnunk, egy természetes jelölt erre a szuperhópehely lehetne.

A szuperszimmetia segít kiküszöbölni mindazokat a még megmaradt végteleneket, amelyek olyan végzetesek voltak más elméletek számára. Korábban már említettük, hogy a húr topológiája miatt a legtöbb divergenciát száműztük - vagyis, a húr véges hosszúsága miatt az erők nem szállnak el a végtelenbe, ahogy közelebb kerülünk a húrhoz. Amikor a megmaradó divergenciákat vizsgáljuk, akkor azt találjuk, hogy két típusba tartoznak, amelyek a fermionok és a bozonok kölcsönhatásából származnak. De ezek mindig ellenkező előjellel következnek be, így a fermionok hozzájárulását a végösszeghez a bozonok éppen semlegesítik! Másképp fogalmazva, mivel a fermionos és a bozonikus hozzájárulások mindig ellenkező előjelűek, a még megmaradt végtelenek kiiktatják egymást. Tehát a szuperszimmetria nem egyszerűen a mérleg kiegyensúlyozását végzi; a szuperszimmetria nemcsak a szimmetriának köszönhető esztétikus tulajdonság, hanem a természet összes részecskéjét egyesíti és nagyon lényeges szerepet játszik a húrelmélet divergenciáinak kiküszöbölésében.

Emlékezzünk vissza az áramvonalas rakéta tervezőjének analógiájára, amikor is a szárnyakon fellépő rezgések végső soron olyan nagyra nőttek, hogy letörték a szárnyakat. A probléma egyik lehetséges megoldása volt a szimmetria erejének kihasználásával újratervezni a rakétát, és így az egyik oldalon fellépő rezgések a másikon fellépő rezgésekkel együtt semlegesítik egymást. Amikor az egyik az óramutató járásával megegyezően rezgetné be a rakétát, a másik azzal ellenkező irányba rezeg, és így az első vibrációt kiiktatja. Ahelyett tehát, hogy a rakéta egy mesterséges, művészi alkotás lenne, szimmetriái kulcsfontosságúvá válnak a szárnyakra ható nyomás kiegyensúlyozásában és semlegesítésében. Hasonlóképpen, a szuperszimmetria a bozonikus és a fermionos részek egymás elleni hatásával szünteti meg a divergenciákat.

(A szuperszimmetria egy sor olyan technikai problémát is megold, amelyek végzetesek a GUTelmélet számára. A GUTelméletben jelenlévő bonyolult matematikai inkonzisztenciák kiküszöböléséhez a szuperszimmetriára van szükség.)

Noha a szuperszimmetria kiváló gondolatot képvisel, jelenleg semmi kísérleti bizonyíték nincsen mellette. Ez talán azért van így, mert a közönséges elektronok és protonok szuperpartnerei egyszerűen túl sokan vannak ahhoz, hogy a mai részecskegyorsítókkal előállítsuk őket. Ennek ellenére van egy, a szuperszimmetria felé mutató kényszerítően erős bizonyíték.

E-M (elektromágneses)

I . _ •

energia Planck-energia

Mai világunkban a gyenge, az erős és az elektromágneses erők nagysága jelentősen különböző, de az Ősrobbanás közelében lévő energiákon ezeknek az erőknek a nagysága pontosan egymás felé tart. Ez az összetartás akkor

következik be, ha van szuperszimmetria. így a szuperszimmetria bármely egyesített térelméletben kulcsszerephez juthat.

Tudjuk, hogy a három kvantumerő erőssége rendkívül különböző. Alacsony energiákon az erős kölcsönhatás harmincszor erősebb a gyenge kölcsönhatásnál, és százszor erősebb az elektromágneses erőnél. Azt gyanítjuk, hogy az Ősrobbanás pillanatában mindegyik egyforma erős volt. Visszafelé következtetve, a fizikusok kiszámolhatják, hogy az idő kezdetén a három kölcsönhatás erősségének mekkorának kellett lennie. A Standard Modell vizsgálatával a fizikusok arra jutottak, hogy az Ősrobbanáshoz közelebb menve, a három kölcsönhatás erőssége közelít egymáshoz, de nem lesznek pontosan egyenlőek. Amikor a szuperszimmetriát is figyelembe vesszük, a három erő tökéletesen fedi egymást és pontosan egyenlő nagyok, éppen úgy, ahogy azt egy egyesített térelmélet jósolná. Bár ez a szuperszimmetriának egyáltalán nem közvetlen bizonyítéka, azt azért mutatja, hogy a szuperszimmetria összhangban van az ismert fizikával.

A Standard Modell származtatása

Noha a szuperhúroknak egyáltalán nincsen hangolható paramétere, a húrelméletből mégis olyan megoldás következik, ami megdöbbentően közel áll a Standard Modellhez, amelyben szubatomi részecskék zagyva kollekciója van jelen és tizenkilenc szabad paramétere van (mint pl. a részecskék tömege és kapcsolódásuk erőssége). Továbbá a Standard Modellben a kvarkoknak és a leptonoknak három azonos és ismétlődő másolata van, ami teljesen feleslegesnek tűnik. Szerencsére a húrelméletből nehézség nélkül leszármaztathatjuk a Standard Modell kvalitatív jellemzőit. Majdnem a semmiből jön elő valami. 1984-ben Philip Candelas (University of Texas), Gary Horowitz, Andrew Strominger (University of California, Santa Barbara) és Edward Witten megmutatta, hogy ha a húrelmélet tíz dimenziójából hatot feltekerünk és a maradék négy dimenzió még mindig tartja a szuperszimmetriát, akkor az apró, hatdimenziós világ a matematikusok által CalabiYau-sokaságnak nevezett módon írható le. A CalabiYau-terek közül néhány egyszerűbbet kiválasztva bebizonyították, hogy a húr szimmetriája úgy törhető le, hogy az eredmény meglepően közel van a Standard Modellhez.

Ily módon a húrelmélet egyszerű választ ad arra, hogy miért van három ismétlődő generáció a Standard Modellben. A húrelméletben, a kvarkmodellbeli generációk vagy ismétlődések száma a CalabiYau-sokaságban lévő „lyukak" számához kapcsolódik. Például egy fánk, egy gumibelső és egy kávéscsésze egyaránt egyetlen lyukkal bíró felszínek. A szemüvegkereteknek két lyukuk van. A Calabi Yau-felületek tetszőleges számú lyukat tartalmazhatnak, így, CalabiYau-sokaságok egyszerű megválasztásával, amelyek bizonyos számú lyukat tartalmaznak, előállíthatjuk a Standard Modellt kvarkok különböző generációival, avagy ismétlődéseivel. (Mivel a CalabiYau-teret sohasem látjuk, mert annyira kicsi, ugyancsak sohasem látjuk, hogy e térnek a belsejében van-e fánklyuk.) Évek óta több fizikuscsapat fáradságos munkával igyekszik az összes lehetséges CalabiYau-teret katalógusba gyűjteni, mert felismerték, hogy a hatdimenziós tér topológiája határozza meg a négydimenziós Univerzum kvarkjait és leptonjait.

Melmélet

A húrelméletet övező izgalom, amely 1984-ben szabadult el, nem tarthatott örökké. A fizikusok közt a szuperhúrok vonata az 1990-es évek közepére kieresztette a gőzt. Az elmélet könnyű problémáit egyenként megoldották, a nehezeket hátrahagyták. Az egyik ilyen probléma az volt, hogy a húregyenleteknek milliárdnyi megoldását fedezték fel. A téridőt különböző módokon feltekerve vagy kompaktifikálva a húrmegoldások nemcsak négy, hanem bármennyi dimenziót leírhattak. A húrmegoldások milliárdjainak mindegyike egy matematikailag ellentmondásmentes univerzumnak felelt meg.

A fizikusok hirtelen belefulladtak a húrmegoldásokba. Figyelemreméltó volt, hogy közülük sok nagyon hasonlóan nézett ki a mi Univerzumunkhoz. A CalabiYau-tér megfelelő megválasztásával viszonylag könnyű volt a Standard Modell számos lényeges tulajdonságát visszaadni, beleértve a kvarkok és a leptonok fura kollekcióját, de még az ismétlődő másolatok furcsa együttesét is. Viszont rendkívül nehéz (és ez még ma is kihívás) a Standard Modellt pontosan megtalálni a húrelméletben, a tizenkilenc paraméterével és a három ismétlődő generációval. (A multiverzum gondolatában hívő fizikusok számára üdvözítő volt a húrelmélet-megoldások zavarba ejtően nagy száma, mivel minden egyes megoldás egy tökéletesen önkonzisztens párhuzamos univerzumot képviselt, de nyomasztó volt azoknak a fizikusoknak, akik az univerzumok dzsungelében pontosan a mi univerzumunkat próbálták megtalálni.)

E feladat nehézségének egyik oka az, hogy a szuperszimmetriát végső soron meg kell törni, mivel a mi kis energiájú Univerzumunkban nem látjuk a szuperszimmetriát. Például a természetben nem látjuk a szelektront, az elektron szuperpartnerét. Ha a szuperszimmetria töretlen, akkor minden egyes részecske tömege egyenlő a saját szuperpartnerének tömegével. A fizikusok úgy gondolják, hogy a szuperszimmetria megtört, és emiatt a szuperrészecskék tömege óriási, a jelenlegi

részecskegyorsítókkal elérhető tartományokon túli. Jelenleg azonban senki sem tud hihető magyarázatot adni arra, hogy a szuperszimmetria hogyan törik meg.

A Santa Barbarában lévő Kavli Institute for Theoretical Physics intézetben dolgozó David Gross megjegyezte, hogy három dimenzióban a húrelméletnek milliónyi megoldása van, ami enyhén kínos dolog, mivel nincsen jó eljárás, hogy válasszunk közülük.

Voltak más, civakodásnak tűnő kérdések is. Ezek közül az egyik az a zavaró tény volt, hogy öt, külön-külön ellentmondásmentes húrelmélet volt. Nehéz volt elképzelni, hogy az Univerzum tolerálna öt különböző egyesített térelméletet. Einstein úgy hitte, hogy Istennek nem volt választási lehetősége az Univerzum teremtésekor - akkor Istennek miért kellett volna ezekből ötöt teremtenie?

Az l-es típusú hurkok lehetséges kölcsönhatáson mehetnek keresztül, amelyek során kettétörhetnek, egyesülhetnek és osztódhatnak. Zárt húrok esetében csak ez az utolsó kölcsönhatás szükséges (ami a sejtek osztódására hasonlít).

A Veneziano-formulára alapozott eredeti elmélet azt írja le, amit ma 1-es típusú szuperhúrelméletnek nevezünk. Az l-es típus nyitott húrokon (húrok, amelyeknek két vége van) és zárt húrokon (körszerű húrok) nyugszik. Ezt az elméletet tanulmányozták legintenzívebben az 1970-es évek elején. (A húrelméletet használva Kikkawa és én elkészítettük az l-es típusú húrok kölcsönhatásainak teljes listáját. Megmutattuk, hogy az l-es típusú húrokhoz ötféle kölcsönhatástípus szükséges, zárt húrokhoz egyféle kölcsönhatás kell.)

Kikkawa és én azt is megmutattuk, hogy teljesen önkonzisztens elméletet csak zárt húrokkal (amelyek egy hurokra hasonlítanak) lehetséges megalkotni. Manapság ezeket II-es típusú húroknak nevezik, ahol a húrok úgy hatnak kölcsön, hogy egy körszerű húr befűződik és két kisebb húrra esik szét (ez a sejtosztódásra hasonlít).

A legrealisztikusabb húrelméletet heterotikus húrnak nevezik; ezt az elméletet egy princetoni csoport szövegezte meg (amelynek tagja volt David Ciross, Emil Martinec, Ryan Rohm és Jeffrey Harvey is). A heterotikus húrok az E(8)xE(8)-nak vagy O(32)-nek nevezett szimmetriacsoportban foglalnak helyet, ami elég nagy ahhoz, hogy a GUT-elméleteket is magában foglalja. A heteoritikus húrelmélet teljes egészében zárt húrokon alapszik. Az 1980-as és az 1990-es években, amikor a tudósok a szuperhúrokat emlegették, hallgatólagosan mindenki a heterotikus húrokra gondolt, mert ez elég tág ahhoz, hogy a GUT-elméletek és a Standard Modell tanulmányozását is lehetővé tegye. Például az E(8)xE(8) szimmetriacsoport E(8)-ra, majd E(6)-ra törhet le, ami viszont elég nagy ahhoz, hogy az SU(3)xSU(2)xU(l) szimmetriát, azaz a Standard Modell szimmetriáját magában foglalja.

A szupergravitáció misztériuma

Az öt húrelméleten túl egy másik kifogásolható kérdés is volt, amit a húrelmélet megoldásáért folytatott rohanásban elfelejtettek. 1976-ban három fizikus: Peter Van Nieuwenhuizen, Sergio Ferrara, és a később a Stony Brook-i State University of New York munkatársa, Daniel Freedman felfedezte, hogy Einstein eredeti gravitációelmélete szuperszimmetrikussá válhat, ha egyetlen új mezőt vezetünk be, ami szuperpartnerként társul az eredeti gravitációs mezőhöz (ezt gravitinónak, azaz „pici graviton"-nak nevezték, és a spinje 3/2-ed lenne). Ezt az új elméletet szupergravitációnak nevezték, és pontszerű részecskékre alapozták, nem pedig húrokra.

A szuperhúroktól eltérően - amelyben zenei hangok és rezonanciák végtelen sorozata volt jelen - a szupergravitáció összesen két részecskét tartalmazott. Az École Normálé Supéerieure-ön dolgozó Eugene Cremmer, Joel Scherk és Bemard Julia 1978-ban megmutatta, hogy a legáltalánosabb szupergravitáció tizenegy dimenzióban írható le. (Ha megpróbálnánk a szupergravitáció elméletét 12 vagy 13 dimenzióban leírni, akkor matematikai ellentmondások lépnének fel.) Az 1970-es évek végén és az 1980 as évek elején azt gondolták, hogy a szupergravitáció lehet a mesés egye sített térelmélet. Az elmélet még Stephen Hawkingot is arra inspirálta hogy az „elméleti fizika végéről" beszéljen a Cambridge Universityn, amikor a matematika Lucasian-professzoraként beiktatási beszédét tartotta. (Ugyanezt a pozíciót Isaac Newton is betöltötte.)

De a szupergravitáció hamarosan ugyanazokkal a problémákkal találta szemben magát, amelyek más korábbi elméleteket is megsemmisítettek. Noha a közönséges térelméleteknél kevesebb végtelent tartalmazott, a szupergravitáció végeredményben nem volt véges és keresztül-kasul anomáliák lyukasztgatták át. Az összes többi térelmélethez hasonlóan (kivéve a húrelméletet) arcul csapta a tudósokat.

Egy másik szuperszimmetrikus elmélet, ami tizenegy dimenzióban létezhet, a szupermembránok elmélete. Míg a húrnak csak egyetlen kiterjedése van ami a hosszát határozza meg, a szupermembránnak két vagy több kiterjedése is lehet, minthogy felszínről van szó. Figyelemreméltó annak igazolása, hogy tizenegy dimenzióban a membránok két típusa (a kettő-brán és az öt-brán) ellentmondásmentes.

Azonban a szupermembránoknak is megvannak a maguk problémái; iszonyúan nehéz velük dolgozni, és kvantumelméletük divergál. Míg a hegedűhúrok olyan egyszerűek, hogy 2000 esztendővel ezelőtt még a görög pitagoreusok is ki tudták dolgozni velük a harmónia törvényeit, a membránok olyan nehézkesek, hogy a membránokra alapozva még ma sincs senkinek kielégítő „zeneelmélete". Ráadásként megmutatták, hogy a membránok instabilak és végső soron pontrészecskékre bomlanak le. Szóval az 1990-es évek közepére a fizikusoknak számos rejtélyük volt. Miért van öt húrelmélet tíz dimenzióban? És miért van két elmélet tizenegy dimenzióban, a szupergravitáció és a szupermembránok? Továbbá mindegyikük szuperszimmetrikus.

A tizenegyedik dimenzió

Egy másik áttörésre került sor 1994-ben, ami az egész táj látképét még egyszer megváltoztatta. Edward Witten és a Cambridge Universityn dolgozó Paul Townsend matematikai úton azt találta, hogy a tízdimenziós húrelmélet valójában egy magasabb, rejtélyes, ismeretlen eredetű tizenegy dimenziós elmélet közelítése. Witten például megmutatta, hogy ha tizenegy dimenzióban veszünk egy membránszerű elméletet és egy dimenzióját feltekerjük, akkor 1a típusú tízdimenziós húrelméletté válik! Gyorsan ezután megmutatták, hogy mind az öt húrelmélet talán ugyanaz az elmélet - csak éppen ugyanannak a titokzatos tizenegydimenziós elméletnek más és más közelítése. Mivel tizenegy dimenzióban különböző fajtájú membránok létezhetnek, Witten ezt az új elméletet Melméletnek nevezte el. De ez a teória nemcsak az öt különböző húrelméletet egyesíti, hanem ráadásként a szupergravitáció rejtélyét is megmagyarázza.

Ha visszaemlékezünk, a szupergravitáció egy tizenegydimenziós elképelés volt, ami mindössze két, nulla tömegű részecskét tartalmazott, az eredeti Einstein-féle gravitont és annak szuperszimmetrikus partnerét (amit gravitinonnak neveznek). Az Melméletben ugyanakkor végtelen nagy számban léteznek különböző tömegű részecskék (annak megfelelően, hogy a tizenegydimenziós membránfélék valamelyikén végtelen számú rezgés hullámzik végig). De az Melmélet a szupergravitáció létezését megmagyarázhatja azzal, ha feltesszük, hogy az Melmélet egy kis darabja (csak a tömeg nélküli részecskék) éppen az öreg szupergravitációs elmélet.

Másképp fogalmazva, a szupergravitáció az Melmélet egy apró darabkája. Hasonlóképpen, ha vesszük ezt a titokzatos membránszerű elméletet és egy dimenzióját feltekerjük, a membrán húrrá változik. Valójában pontosan II-es típusú húrelmélet lesz belőle! Például ha tizenegydimenziós gömböt nézünk, és egy dimenziót feltekerünk, a gömb összeesik és az egyenlítője zárt húrrá válik. Látjuk tehát, hogy ha a tizenegyedik dimenziót feltekerjük egy kis körré, akkor a húrelméletet úgy is tekinthetjük, mint a tizenegydimenziós membrán egy szeletét, így azt találtuk, hogy az összes tíz-és tizenegydimenziós fizikát egy szép és egyszerű úton egyesítettük egyetlen egyszerű elméletben! Ez koncepcionális csúcsteljesítmény volt.

Emlékszem a sokkra, amit ez a robbanáserejű felfedezés kiváltott. Akkoriban tartottam egy előadást a Cambridge Universityn. Paul Townsend volt szíves engem a hallgatóságnak bemutatni. Előadásom előtt nagy izgalommal elmagyarázta ezt az új eredményt, miszerint tizenegy dimenzióban a különböző húrelméletek egyetlen elméletbe egyesíthetők. Az előadásom címében viszont tíz dimenzió szerepelt. Mielőtt beszélni kezdtem, azt mondta nekem, ha ez az elgondolás sikeresnek bizonyul, akkor az előadásom címe idejétmúlt lesz.

Csendesen azt gondoltam magamban, hogy „Húha". Vagy ő volt dühöngő őrült, vagy a fizikus közösség állt teljesen a feje tetejére. Képtelen voltam elhinni, amit hallottam, így aztán kérdések özönét zúdítottam rá. Rámutattam, hogy a tizenegydimenziós szupermembránok elmélete - amelyet ő is segített megszövegezni - haszontalan, mivel matematikailag kezelhetetlen és rossz, a szupermembránok pedig instabilak. Elismerte, hogy ez probléma, de meg volt győződve arról, hogy ezek a kérdések a jövőben megoldhatók.

Azt is mondtam, hogy a tizenegydimenziós szupergravitáció nem véges; felrobban, csakúgy, mint a húrelmélet kivételével az összes többi elmélet. Nyugodtan úgy felelt, hogy ez többé nem probléma, mert a szupergravitáció valójában csak közelítése egy nagyobb, még titokzatos elméletnek, az Melméletnek, amely véges - valójában a húrelmélet volt az, amelyet a membránok nyelvén tizenegy dimenzióban újraszövegeztek.

Ezután azt mondtam, hogy a szupermembránok elfogadhatatlanok, mert senki sem képes megmagyarázni, hogyan hatnak kölcsön a membránok amikor ütköznek, és hogyan alakulnak újjá (ahogy azt én a PhD disszertációmban 20 évvel azelőtt megtettem a húrelmélet vonatkozásában). Elismerte, hogy ez probléma, de ennek megoldhatóságáról is meg volt győződve.

Végül azt mondtam, hogy az Melmélet igazából egyáltalán nem elmélet, mivel az alapegyenletei nem ismertek. A húrelmélettől eltérően (amelyet egyszerű téregyenletekkel ki lehet fejezni, amelyeket húsz évvel azelőtt leírtam és amik az egész elméletet magában foglalták), a membránoknak egyáltalán nincsen térelmélete. Ezt is elfogadta, de továbbra is meg volt győződve arról, hogy az Melmélet egyenleteit végső soron meg fogják találni.

Ha igaza van, akkor a húrelmélet egy újabb radikális átalakuláson megy át. A membránok, amiket egyszer már száműztek a fizika világából a szemétkosárba, hirtelen feltámadnának.

E forradalomnak az eredete abban keresendő, hogy a húrelmélet a szokotthoz képest fordítva fejlődik. Még manapság sem ismeri senki az elmélet alapjául szolgáló alapvető fizikai elveket. Úgy szeretném ezt szemléltetni, mint egy sivatagi sétát, ahol véletlenül belebotlunk egy kicsi, szép kőbe. Amikor le akarjuk söpörni róla a homokot, úgy találjuk, hogy ez a kő valójában egy gigantikus piramis csúcsa, amelyet rengeteg homok temetett be. Évtizedes kitartó munkával kiássuk a homokból, miközben titokzatos hieroglifákat, rejteti kamrákat és alagutakat találunk. Egy napon kiássuk az alapját és belépünk majd az ajtaján.

Bránvilág

Az Melmélet egyik újszerű vonása az, hogy nemcsak a húrok fogalmát vezeti be, de különböző dimenziójú membránok egész sorát is. Ebben a térben a pontrészecskéket „zéró-bránoknak" nevezik, mivel végtelenül kicsik és nincs kiterjedésük. A húr egy „egy-brán", mivel egyirányú kiterjedése van, amelyet a hossza jellemez. A membrán „két-brán", mint a labda felszíne, amelynek van szélessége és hossza. (A labda repülhet három dimenzióban, de a felszíne csak kétdimenziós.) Az Univerzumunk a „három

-bránok" egyik fajtája lehet, egy olyan háromdimenziós objektum, aminek van magassága, szélessége és hossza.

Sokféle módja van annak, hogy vegyünk egy membránt és húrrá gyűrjük össze. Ahelyett, hogy a tizenegyedik dimenziót felcsavarnánk, a tizenegydimenziós membránt elmetszhetjük az egyenlítője mentén és így egy kör alakú szalagot kapunk. Ha a szalag vastagságát csökkentjük, akkor a szalag egy tízdimenziós húrrá alakul. Petr Horava és Edward Witten megmutatták, hogy ilyen módon származtathatjuk a heterotikus húrokat. Valójában azt is meg lehet mutatni, hogy ötféle lehetséges módja van annak, hogy a tizenegydimenziós Melméletet tízdimenziósra redukáljuk, ami által ötféle húrelméletet kapunk. Az Melmélet gyors, intuitív választ ad arra a titokzatos kérdésre, hogy miért van öt különböző húrelmélet.

Egy kétdimenziós húr kialakulhat egy tizenegydimenziós membránból annak egy szeleteként, vagy úgy, hogy egy dimenzióját feltekerjük. A membrán egyenlítője húrrá változik, ha egy dimenzió összeomlik. Öt lehetőség van, amelyben ez a redukció megvalósulhat és ez öt különböző tízdimenziós szuperhúrelmélethez vezet.

Képzeljük el, hogy egy magas hegycsúcson állunk, és lenézünk a mezőkre. A harmadik dimenzió előnyös pontjából láthatjuk az alattunk lévő különböző mezőket, de ezeket egyetlen koherens képbe egyesítve. Ehhez hasonlóan, a tizenegyedik dimenzió előnyös pontjából tekintve a dolgokat, az öt szuperhúrelmélet őrült egyvelegét úgy látjuk, hogy az nem más, mint a tizenegyedik dimenzió különböző darabkái.

Dualitás

Bár Paul Townsend az akkoriban általam feltett kérdések legtöbbjét nem volt képes megválaszolni, az utolsó dolog, ami ennek az elgondolásnak a helyességéről meggyőzött engem, az egy másik szimmetriának az ereje volt. Az Melmélet nemcsak a fizikában ismeretes szimmetriák közül nyújtja a legtöbbet, de van még egy gomb a kabáton; a dualitás, ami azt a hátborzongató képességet adja az Melméletnek, hogy egyetlen elméletbe olvasztja mind az öt szuperhúrelméletet.

Tekintsük az elektromosságot és a mágnességét, amiket Maxwell törvényei szabályoznak. Régen észrevették már, hogy ha az elektromos mezőt egyszerűen kicseréljük mágneses mezőre, akkor az egyenletek majdnem pontosan ugyanolyan alakúak. Ez a szimmetria egzakttá tehető azáltal, hogy a Maxwell-egyenletekhez monopólusokat adunk (amelyeknek csak egyet len magányos mágneses pólusuk van). Az így átdolgozott Maxwell-egyenletek pontosan ugyanolyanok maradnak, ha megcseréljük az elektromos mezőt a mágnesessel vagy fordítva, és ha az e elektromos töltést a g mágne ses töltés inverzével cseréljük fel. Ez azt jelenti, hogy az elektromos töltés (ha az elektromos töltés kicsi) pontosan egyenértékű a mágnességgel (ha a mágneses töltés nagy). Ezt az egyenértékűséget nevezik dualitásnak.

A múltban ezt a dualitást nem tekintették másnak, mint egy tudományos érdekességnek, egy varázsszobának, mivel soha senki nem látott még ma sem monopólust. De a fizikusok figyelemreméltónak találták, hogy a Maxwell-egyenleteknek rejtett szimmetriái vannak, amelyeket a természet látszólag nem használ (legalábbis az Univerzum általunk lakott szektorában.)

Hasonlóképpen, az öt húrelmélet mindegyike duális mindegyik másikkal. Tekintsük az l-es típusú húrelméletet és a heterotikus SO(32) húrelméletet. Első látásra ez a két elmélet nem tűnik hasonlónak. Az l-es típusú elmélet zárt és nyitott húrokon alapul, amelyek öt különböző módon hatnak kölcsön, miközben húrok egyesülnek és szétválnak. Az SO(32) húrok viszont teljes egészében zárt húrokból állnak, amelyek csak egyféle, a sejt osztódáshoz hasonlatos módon hathatnak kölcsön. Az l-es típusú húrokat teljes egészében tízdimenziós térben definiálják, míg az SO(32) húr egy huszonhat dimenziós térben definiált rezgések sorozata.

Nehéz két olyan elméletet találni, amelyek ennyire különbözőnek tűnnek. De, csakúgy, mint az elektromágnesesség, ez a két elmélet is erős dualitásban van: ha a kölcsönhatások erősségét megnöveljük, az l-es típusú húrok varázsütésre SO(32) fajtájú heterotikus húrrá válnak. (Ez az eredmény annyira váratlan, hogy amikor először megláttam, a meglepetéstől szóhoz se jutottam. A fizikában ritkán látunk olyat, hogy két elméletről, amelyek minden tekintetben totálisan különbözőnek látszanak, megmutatják, hogy matematikailag egyenértékűek.)

Lisa Randall

Az Melmélet legnagyobb előnye a húrelmélettel szemben talán az, hogy ezek a magasabb dimenziók ahelyett, hogy nagyon kicsinyek lennének, valójában nagyon nagyok, és laboratóriumokban még észlelhetők is. A húreméletben a magasabb dimenziók közül hat egy apró labdára van felcsavarodva

- ez a CalabiYau-sokaság -, amik túl kicsinyek ahhoz, hogy a jelenlegi műszerekkel megfigyeljük őket. E hat dimenzió mindegyike tömörítve van, így magasabb dimenzióba átlépni lehetetlen - több mint bosszantó. Az aki egy napon repdesni szeretne a végtelen hipertérben azt csupán csak arra használhatja, hogy féreglyukakon át rövidítse meg útját az összetömörített hipertérben.

Mivel az Melméletben membránok fordulnak elő, az egész Univerzumunkat olyan membránnak lehet tekinteni, mint, ami egy sokkal nagyobb univerzumban van. Ennek eredményeképp, a magasabb dimenzióknak nem mindegyike van egy labdára felcsavarva. Valójában némelyikük óriási, netán végtelen kiterjedésű lehet.

Egy fizikus, a Harvardon dolgozó Lisa Randall volt az, aki megpróbálta az Univerzumnak ezt az új képét kiaknázni. Kicsit hasonlítva Jodie Fosterre, a színésznőre, az elméleti fizika jobbára férfiak uralta heves versenyében oda nem illőnek tűnt. Ő azt az ötletet követte, hogy az Univerzum valójában egy magasabb dimenziós térben lebegő három-brán, ami talán megmagyarázza, hogy a gravitáció miért sokkal gyengébb a többi három erőnél.

Randall a New York állambeli Queensben nőtt fel (ugyanabban a városrészben, amelyet Archie Bunker tett halhatatlanná). Míg gyerekként nem mutatott különösebb érdeklődést a fizika iránt, a matematikát imádta. Noha én azt hiszem, hogy mindannyian tudósnak születünk és azok is vagyunk gyerekként, felnőttként nem mindannyian folytatjuk ezt a szerelmet. Ennek egyik oka, hogy a matematika kőfalaival kerülünk szembe. Akár szeretjük, akár nem, ha tudományos karriert akarunk, előbb vagy utóbb meg kell tanulnunk a „természet nyelvét": a matematikát. Matema- tika nélkül ahelyett, hogy aktív résztvevői lennénk, csak passzív figyelői lehetünk a természet táncának. Ahogy Einstein mondta egyszer: „A maga módján a matematika logikus gondolatokból álló költemény." Hadd nyújtsak egy analógiát. Valaki szeretheti a francia kultúrát és irodalmat de hogy igazán megértse a francia gondolkodást, először meg kell tanulnia a francia nyelvet és igeragozást. Ugyanez a matematikára és a tudományra is igaz. Galilei írta egyszer, hogy „[Az Univerzum] nem olvasható el mindaddig, amíg meg nem tanuljuk a nyelvét és meg nem ismerkedünk az írásjegyekkel, amelyekkel írták. A matematika nyelvén íródott és a betűk háromszögek, körök és más geometriai ábrák, amelyek nélkül emberként nem érthetünk meg akárcsak egyetlen szót sem."

A matematikusok gyakran kérkednek azzal, hogy az összes tudós közül a legkevésbbé gyakorlatiasak. Minél elvontabb és haszontalanabb a matematika, annál jobb. Ami harvardi egyetemista korában az 1980-as évek elején Randall-t egy más irányba vezérelte, az a tény volt, hogy tetszett neki az az elképzelés, hogy a fizikusok az Univerzum „modelljét" alkotják meg. Amikor mi, fizikusok először egy új modellt javasolunk, az a modell nem egyszerűen egy egyenlethalmazra van alapozva. Az új fizikai elméletek rendszerint egy egyszerűsített, idealizált, a jelenségeket megközelítő modellekre épülnek fel. Ezek a modellek grafikusak, képszerűek és könnyű őket felfogni. Például a kvarkmodell azon az ötleten nyugszik, hogy a proton három apró alkotórészből, a kvarkokból áll. Randall-ra mély benyomást tett, hogy egyszerű fizikai képekre alapozott modellek kielégítően megmagyarázzák az Univerzum tulajdonságainak nagyobb részét.

Az 1990-es években az Melmélet iránt kezdett el érdeklődni, az iránt a lehetőség iránt, hogy az egész Univerzum egy membrán. Arra összpontosított, hogy a gravitáció talán legizgatóbb tulajdonsága az, hogy csillagászati méretekben gyenge. Sem Newton, sem Einstein nem beszélt erről az alapvető fontosságú, de rejtélyes kérdésről. Míg az Univerzum három másik ereje (az elektromágneses, a gyenge magerő és az erős magerő) durván szólva ugyanolyan erős, a gravitáció féktelenül gyenge.

Különös, hogy a kvarkok tömege sokkal kisebb, mint a kvantumgravitációhoz rendelt tömegérték. „Az eltérés nem kicsi; a két tömegskála tizenhat nagyságrenddel különbözik! Csak azok az elméletek jöhetnek szóba a Standard Modell alapjául szolgáló elméletek jelöltjeiként, amelyek képesek megmagyarázni ezt az óriási arányt" - mondta Randall.

A gravitáció gyengesége magyarázza meg, hogy a csillagok miért olyan óriásiak. Óceánjaival, hegyeivel és kontinenseivel együtt a Föld csak egy apró pötty, ha a Nap hatalmas tömegéhez hasonlítjuk. Mivel a gravitáció gyenge, a csillag egész tömegére szükség van ahhoz, hogy a protonok közötti elektromos taszítást le lehessen győzni, hogy a hidrogénatommagok egymásba préselődjenek. Tehát a csillagok azért olyan nagytömegűek, mert a többi erőhöz képest a gravitáció gyenge.

Az Melmélet a fizikában nagy izgalmat váltott ki, ezért ezután számos kutatócsoport az egész Univerzumra próbálta meg alkalmazni. Tegyük fel, hogy az Univerzum egy ötdimenziós membránban lebegő három-brán. Ez idő szerint a három-brán felszínén végbemenő rezgések felelnek meg a köröttünk látott atomoknak, így ezek a rezgések soha nem hagyják el a három-bránt és nem csúsznak bele az ötödik dimenzióba. Még ha a mi Univerzumunk az ötödik dimenzióban lebeg is, az atomjaink nem hagyhatják el a mi Univerzumunkat, mert az atomok a három-brán felszínén történő rezgéseket jelentenek. Ez ad választ az Einstein és Kaluza által 1921-ben feltett kérdésre: hol van az ötödik dimenzió? A válasz pedig: mi az ötödik dimenzióban lebegünk, de soha nem léphetünk bele, mert a testünk a három-brán felszínéhez ragadt.

Ezen a képen azonban egy nagy repedés húzódik. A gravitáció a tér görbületét jelenti, így naivan azt hihetnők, hogy a gravitáció az egész ötdimenziós teret kitölti, nem csak a három-bránt; így a gravitáció felhígulna, ahogy elhagyja a három-bránt. Ez gyengíti le a gravitációt. Ez az elmélet mellett szóló jó érv, mert tudjuk, a gravitáció sokkal gyengébb a többi erőnél. De a gravitáció túlságosan legyengül: Newton fordított négyzetes törvénye sérül, pedig bolygókra, csillagokra és galaxisokra jól működik.

Sehol a térben nem találunk fordított köbös gravitációs törvényt. (Képzeljünk el egy szobát bevilágító villanyégőt. A fény gömbszerűen terjed szét. A fény mennyisége egy gömb mentén oszlik el. Ha megduplázzuk a gömb sugarát, akkor a fénymennyiség négyszer akkora felületen fog eloszlani. Általában, ha egy n-dimenziós térben egy gömb felületén szétoszló fény mennyiségét vizsgáljuk, akkor azt találjuk, hogy a gömb felülete a sugár (n-l)-edik hatványa szerint nő.)

E kérdés megválaszolásából fizikusok egy csoportja, amelynek tagja volt N. Arkani-Hamed, S. Dimopoulos és G. Dvali, azt vetette fel, hogy az ötödik dimenzió talán nem végtelen kiterjedésű, hanem csak egy milliméternyivel a mi Univerzumunk fölött lebeg. (Ha az ötödik dimenzió csak egy milliméternél távolabb lenne, akkor Newton fordított négyzetes törvénye már mérhetően sérülne.) Ha az ötödik dimenzió csak egy milliméternyi kiterjedésű, akkor ez az állítás ellenőrizhető azáltal, hogy nagyon kis távolságokon a Newton-féle gravitációs törvénytől való kis eltéréseket keresünk.

Newton gravitációs törvénye remekül működik csillagászati távolságokon, de soha nem ellenőrizték még a milliméteres tartományokban.

A kísérleti fizikusok jelenleg rohannak, hogy Newton fordított négyzetes törvényétől való apró eltéréseket keressenek. Ahogy azt majd a 9. fejezetben látni fogjuk, számos folyamatban lévő kísérletnek ez a tárgya.

Randall és Raman Sundrum nevű kollégája elhatározta, hogy egy új szemszögből ismét megvizsgálják annak a lehetőségét, hogy az ötödik dimenzió nemcsak egy milliméter kiterjedésű, hanem éppenséggel talán végtelen. Ehhez nekik azt kellett megmagyarázni, hogy hogyan lehet az ötödik dimenzió végtelen anélkül, hogy Newton-gravitációs törvénye érvényét vesztené. Ez volt az a pont, ahol Randall a kirakósjáték egy fontos darabját vette észre. Úgy találta, hogy a három-bránnak saját gravitációs vonzása van, ami megóvja a gravitont attól, hogy az ötödik dimenzióban szabadon sodródhasson. A gravitonnak a három-bránba kell kapaszkodnia (ahogy a legyek a légyfogó papíron csapdába esnek), mert a három-brán gravitációt fejt ki rájuk. Ezért amikor Newton-törvényét akarjuk ellenőrizni, úgy fogjuk találni, hogy az a mi Univerzumunkban közelítőleg pontos. A gravitáció szétterül és elgyengül ahogy elhagyja a három-bránt és betüremkedik az ötödik dimenzióba, de nem jut messzire: mivel a gravitonok még erősen vonzódnak a három-bránhoz, a fordított négyzetes törvény érvényessége nagyjából megőrződik. (Randall egy második, a mienkkel párhuzamos membrán létezésének a lehetőségét is felvetette. Ha kiszámoljuk a két membrán közötti hajszálnyi gravitációs kölcsönhatást, akkor e kölcsönhatás erősségét úgy állíthatjuk be„ hogy a gravitáció gyengeségét számszerűen értelmezhetjük.)

„Nagy izgalom volt - mondja Randall -, amikor először vetették fel, hogy extra dimenziók alternatív módot adnak arra, hogy tárgyalhassuk a problémát. További térbeli dimenziók első pillantásra vad és őrült elméletnek tűnhetnek, de nyomós okok szólnak amellett, hogy azt higgyük, a térnek tényleg vannak extra dimenziói."

Ha ezeknek a fizikusoknak igaza van, akkor a gravitáció éppen olyan erős, mint a többi erő, csak éppen felhígult, mivel egy része belefolyt a magasabb dimenziós térbe. Ennek az elméletnek egy ígéretes következménye, hogy azok az energiaszintek, amelyeken ezek a kvantumeffektusok mérhetővé válnak, talán nem a Planck-energián vannak (ami 10^19 GeV), ahogy azt korábban gondolták. Talán csak néhány billió eV szükséges hozzá, így ezek a kvantumgravitációs effektusok a 2008-ben üzembe állított LHC-val esetleg még ebben az évtizedben megtalálhatók. Ez a tény a kísérleti fizikusok között nagy érdeklődést váltott ki, és nemcsak a Standard Modell szubatomi részecskéire fognak vadászni, hanem azokon kívül más, egzotikus részecskékre is. Talán nemsokára a kvantumgravitációs effektusokat is mérni tudjuk.

A membránok a sötét anyag rejtélyére is hihető, noha spekulatív magya - rázatot adnak. H. G. Wells A láthatatlan ember c. regényében a főszereplő a negyedik dimenzióban lebeg és ezért lesz láthatatlan. Ehhez hasonlóan képzeljük el, hogy van egy párhuzamos világ, amely a mi világunk felett lebeg. A párhuzamos univerzumban lévő galaxisok bármelyike láthatatlan a mi számunkra. De a hipertérbeli átfedés miatt az ott keltett gravitáció áthat a mi univerzumunkba is. Bármelyik, abban az univerzumban lévő galaxis a hipertéren át vonzhatja a mi Univerzumunkban

lévő galaxisokat, így ha a mi Univerzumunk-beli galaxisok tulajdonságait méricskéljük, úgy találhatjuk, hogy a Newton-törvényekből származónál nagyobb gravitációs vonzóerőt tapasztalunk a másik galaxisban, mivel egy másik rejtett galaxis éppen ott van mögötte egy közeli bránra feszítve. Ez a mi galaxisunk mögé telepedett másik dimenzióban lebegő rejtett galaxis teljességgel láthatatlan, de a mi galaxisunkat körülvevő halóként jelenik meg, és benne van a mi galaxisunk tömegének 90 százaléka. A sötét anyagot talán a párhuzamos univerzumok jelenléte okozhatja.

Ütköző univerzumok

Az Melméletet talán kissé elhamarkodott dolog a kozmológiában komolyan alkalmazni. De a fizikusok a „brán-fizikát" arra használják fel, hogy az Univerzum szokásos inflációs megközelítésén csavarjanak egyet. Három lehetséges kozmológia érdemel figyelmet.

Az első kozmológia a következő kérdést próbálja megválaszolni: miért négydimenziós téridőben élünk? Az Melmélet tizenegy dimenzióig minden dimenzióban kidolgozható, ezért rejtély, hogy miért a négy dimenzió a kiválasztott. Robert Brandenberger és Cumrun Vafa úgy vélte, hogy ez talán a húrok különös geometriájával áll kapcsolatban.

Az ő elképzelésükben az Univerzum tökéletesen szimmetrikus állapotból startolt, és az összes dimenzió szorosan fel volt csavarva a Planck-skálán. Ami az Univerzumot a tágulástól megóvta, az a húrok csomói voltak, amelyek szorosan feltekeredtek a különböző dimenziók körül. Gondoljunk egy összenyomott orsóra, ami nem tud kitágulni, mert szorosan rátekeredett a cérna. Ha a cérna valahogy elszakad, akkor az orsó hirtelen szabaddá lesz és kitágul.

Ezekben az apró dimenziókban az Univerzumot az óvta meg a tágulástól, hogy felcsavarodott húrok és antihúrok voltak jelen (durván fogalmazva, az antihúrok a húrokkal ellentétes irányban tekerednek). Ha egy húr és egy antihúr ütközik, akkor megsemmisülnek (annihilálódnak) és eltűnnek, mintha csak egy csomó oldódna ki. Nagyon nagy dimenziókban nagyon sok hely van, ezért a húrok és az antihúrok ritkán találkoznak és soha nem bogozzák ki egymást. Brandenberger és Vafa megmutatták, hogy három vagy kevesebb térbeli dimenzióban sokkal nagyobb a valószínűsége annak, hogy húrok antihúrokkal ütköznek. Ha egyszer ezek az ütközések bekövetkeznek, akkor a húrok kibogozódnak, a dimenziók hirtelen kifelé szaladnak, és így bekövetkezik az ősrobbanás. Ennek a képnek az a nagyon vonzó tulajdonsága, hogy a húrok topológiája durván megmagyarázza, hogy miért látunk magunk körül négydimenziós téridőt. Magasabb dimenziójú univerzumok lehetségesek, de kevésbé valószínűek, mert a húrok és az antihúrok még mindig szorosan feltekerve tartják őket.

Az Melméletben azonban más lehetőségek is vannak. Ha univerzumok beékelődhetnek egymás közé vagy új univerzumokat keltve egymásból származhatnak, akkor talán a fordítottja is megtörténhet: univerzumok ütközhetnek össze, amelyek ebben a folyamatban új univerzumokat hoznak létre. Ebben a forgatókönyvben az ősrobbanás talán nem azért történhetett meg, mert egy univerzum kisarjadt, hanem mert két párhuzamos brán-univerzum összeütközött.

A második elméletet a Princetonban dolgozó Paul Steinhardt, a University of Pennsylvanián lévő Burt Ovrut és a Cambridge Universityről Neil Turok vetette fel, akik az „ekpyrotikus" univerzum elgondolást megalkották. (Az ekpyrotikus szó görögül tűzvészt jelent.) A cél ezzel az elmélettel az volt, hogy az M-brán kép újszerű vonásait megőrizzék, de amelyben az extra dimenziók kiterjedése nagy, sőt akár még végtelen is lehet. Ők két sík, homogén és párhuzamos három-bránból indultak ki, amelyek a legalacsonyabb energiaállapotukban vannak. Kezdetben ezek üres, hideg univerzumokként kezdik élni életüket, de a gravitáció fokozatosan egymás felé közelíti őket. Végül összeütköznek, és az ütközés gigantikus mennyiségű mozgási energiája a mi Univerzumunkat felépítő anyaggá és sugárzássá alakul át. Némelyek „Nagy Placcs"-elméletnek hívják ezt az elgondolást, Nagy Bumm-elmélet helyett, mivel e forgatókönyv két brán ütközését foglalja magába.

Az ütközés ereje a két univerzumot szétlöki. Ahogy ez a két membrán egyre távolabb kerül egymástól, gyorsan hűlnek, olyanná téve az univerzumot, amilyennek ma látjuk. A hűlés és a tágulás billió évekig folytatódik, mígnem az univerzumok hőmérséklete megközelíti az abszolút nulla fokot, és a térbeli sűrűség kevesebb, mint egy elektron per ezerbillió köbfényévnyire nem csökken le. Az univerzum gyakorlatilag üressé és élettelenné válik. De a gravitáció továbbra is vonzza a két membránt, mígnem billió évek múlva megint ütköznek és a ciklus újra meg újra ismétlődik.

Ez az új forgatókönyv képes visszaadni az infláció kellemes eredményeit (laposság, egységhez közeli sűrűség). Megoldja azt a kérdést, hogy az Univerzum vajon miért annyira lapos - mert a két brán sík volt, amikor elkezdődött a folyamat. A modell a horizontproblémát is megmagyarázza azaz, hogy az Univerzum minden irányba tekintve ugyanolyannak tűnik. Ez azért van így mert a membránnak nagyon hosszú idő áll rendelkezésére ahhoz, hogy elérje az egyensúly állapotát, így, míg az infláció megmagyarázza a horizontproblémát azzal, hogy az Univerzum nagyon hirtelen felfúvódott, ez az elképzelés éppen ellenkező módon oldja meg a horizontproblémát, mégpedig azzal, hogy az univerzum lassú mozgással eléri az egyensúlyi állapotot.

(Ez azt is jelenti, hogy a hipertérben talán más membránok is úsznak, amelyek a jövőben összeütközhetnek a mi membránunkkal, így keltve egy lilább Nagy Placcsot. Tekintettel arra, hogy az Univerzum tágulása gyorsul, egy következő ütközés valószínűnek látszódhat. Steinhardt hozzáteszi, hogy „esetleg az Univerzum tágulásának a felgyorsulása egy ilyen ütközés előjele. Ez nem egy kellemes gondolat.")

Bármely olyan elgondolás, ami az infláció domináns képét drámaian megváltoztatná, rögtön heves reagálásokat vált ki. Például egy héten belül azután, hogy ezt a cikket elhelyezték a weben, Andrej Linde és felesége, Renata Kallosh (aki maga is húrelméleti szakember), valamint a University of Torontóról Lev Kofman az előbbi forgatókönyv kritikáját fogalmazták meg. Linde azért kritizálta a modellt, mert bármi, ami olyan katasztrofális, mint két univerzum ütközése, szingularitást okozhat, amelyben a hőmérséklet és a sűrűség a végtelen felé növekszik. „Ez olyan lenne, mintha egy széket dobnánk egy fekete lyukba, amely a széket atomjaira szedné szét, és mégis azt mondanánk, hogy ez megőrzi a szék alakját" - tiltakozott Linde.

Steinhardt azzal tüzelt vissza, hogy „ami négy dimenzióban szingularitásnak látszik, nem biztos, hogy szingularitás öt dimenzióban... Amikor a bránok egymásnak csapódnak, az ötödik dimenzió átmenetileg eltűnik, de maguk a bránok nem tűnnek el, így a sűrűség és a hőmérséklet nem nő a végtelenségig, és az idő normálisan folyik tovább. Noha az általános relativitáselmélet őrültségbe megy át, a húrelmélet nem. És ami az egyik modellben katasztrófának látszik, az a mi modellünkben kezelhető." Steinhardt oldalán volt az Melmélet ereje, amely kiküszöböli a szingularitásokat.

Az elméleti fizikusoknak a kezdetek kezdetén van szükségük

a gravitáció kvantumelméletére azért, mert minden végtelent ki kell küszöbölniük.

Linde azonban éppen ennek a képnek a gondolati sebezhetőségére mutatott rá, miszerint a bránok a kezdetek kezdetén egy sík, egyenletes állapotban léteztek. „Ha a tökéletességből indulunk el, akkor mindent meg tudsz magyarázni, amit látsz... de nem válaszoltad meg a kérdést: miért volt szükségszerű, hogy az Univerzum a tökéletességből indult el?" - mondja Linde. Steinhardt azzal felelt, hogy „Sík + sík egyenlő síkkal." Másképp mondva, fel kell tételezni, hogy a membránok a simának megfelelő legalacsonyabb energiaállapotból indultak el.

Alan Guth megőrizte nyitott gondolkodását: „Nem gondolom, hogy Paul és Neil közelebb kerültek volna az elgondolásuk bebizonyításához, de elképzelésük bizonyosan értékesnek tűnik." A húrelméletet szembeállította az infláció megmagyarázásával: „Sokáig úgy gondoltam, elkerülhetetlen hogy a húrelmélet és az Melmélet szükségszerűen magába foglalja az inflációt, mivel az infláció kézenfekvő megoldás azokra a problémákra, amelyek megmagyarázására kitalálták - azaz, hogy az Univerzum miért egyenletes és sík." Szóval ő azt kérdezi: az M-elméletből levezethető-e az infláció szokásos képe?

Végül van egy másik, a húrelméletet használó kozmológiai társelmélet is, mégpedig Gabriele Veneziano „pre-ősrobbanás"-elmélete, azé a fizikusé, aki 1968-ban segítette a húrelmélet elindulását. Az ő teóriájában az Univerzum valójában mint egy fekete lyuk indult útjára. Ha meg akarjuk tudni, hogy a fekete lyuk belseje hogyan néz ki, minden amit tehetünk az, hogy kifelé nézünk.

Ebben az elméletben az Univerzum végtelenül idős és a távoli múltban majdnem üres és hideg volt. A gravitáció elkezdte csomósítani az Univerzumban lévő anyagot, amely fokozatosan olyan sűrű tartományokban kondenzálódott, hogy ezek a tartományok fekete lyukakká váltak. Minden fekete lyuk körül eseményhorizontok formálódtak, amelyek állandóan elválasztják az eseményhorizonton belüli világot a külsőtől. Minden eseményhorizonton belül a gravitáció tovább sűríti az anyagot, míg a fekete lyuk végül eléri a Planck-hosszúság méretét.

Ennél a pontnál lép be a húrelmélet. A húrelmélet által megengedett legkisebb hosszúság a Planck-hosszúság. A fekete lyuk egy hatalmas robbanásban új erőre kap, és ősrobbanást okoz. Mivel ez a folyamat univerzumszerte újra és újra megtörténhet, mindez azt jelenti, hogy más távoli fekete lyukak és univerzumok is létezhetnek.

(Az elgondolás, hogy az Univerzum netán egy fekete lyuk, nem annyira erőltetett, mint amilyennek látszik. Az intuitív megérzésünk szerint egy fekete lyuknak extrém nagy sűrűségűnek kell lennie, roppant nagy, mindent összetörő gravitációs mezővel, de nem mindig ez a helyzet. A fekete lyuk sugara arányos a tömegével. Minél nagyobb a fekete lyuk tömege, annál nagyobb az eseményhorizontja. A nagyobb eseményhorizont viszont azt jelenti, hogy az anyag egy nagyobb térfogatban van szétszóródva; eredményképpen a sűrűség csökken, ahogy a fekete lyuk össztömege nő. Ha pedig egy fekete lyuk olyan nagytömegű lenne, mint az Univerzumunk tömege, akkor a sűrűsége nagyon alacsony lenne, összemérhető a mi Univerzumunk sűrűségével.)

A húrelmélet és az Melmélet kozmológiai alkalmazásától jó néhány asztrofizikus nincsen elragadtatva. A Santa Cruzban lévő University of Californián dolgozó Joel Primack másoknál kevésbé könyörületesen fogalmaz: „Úgy gondolom, butaság ekörül nagy felhajtást csapni... Ezeknek a cikkeknek az állításai lényegében ellenőrizhetetlenek." Csak az idő döntheti el, hogy Primacknak igaza van-e, de mert a húrelmélet fejlődése gyorsulóban van, e probléma megoldását csakhamar megtalálhatjuk, és a megoldás talán a világűrben elhelyezett műholdakról fog jönni. Ahogy azt a 9. fejezetben látni fogjuk, 2020-ig a gravitációs hullámdetektorok új generációját - mint például a LISA-t - fogják a világűrbe küldeni, amelyek megadják a lehetőséget, hogy kizárjuk vagy éppenséggel igazoljuk ezen elméletek némelyikét. Ha például az inflációs elmélet helyes, akkor a LISA-nak az eredeti felfúvódási folyamatban keletkezett erős gravitációs hullámokat észlelnie kell. Az ekpyrotikus elmélet ugyanakkor univerzumok lassú ütközését jósolja, és ezért sokkal gyengébb gravitációs hullámokkal jár. A LISA képes lesz arra, hogy kísérletileg ezen elméletek egyikét elvesse. Másképp fogalmazva: az Ősrobbanásban keletkezett gravitációs hullámokban kódolva vannak mindazok az adatok, amelyekre szükségünk van ahhoz, hogy eldöntsük, melyik forgatókönyv a helyes. Első ízben a LISA lesz képes arra, hogy az inflációról, a húrelméletről és az M-elméletről határozott kísérleti adatokat szolgáltasson.

Mini fekete lyukak

Mivel a húrelmélet valójában az egész Univerzum elmélete, közvetlen ellenőrzéséhez a laboratóriumban egy egész univerzumot kell létrehozni. Általában azt várjuk, hogy a gravitációtól származó kvantumeffektusok a Planck-energián fordulnak elő, ami a jelenlegi részecskegyorsítókkal elérhető energiáknál ezerbilliószor nagyobb, és ez a húrelmélet közvetlen igazolását lehetetlenné teszi. De ha tényleg léteznek tőlünk egy milliméternyire párhuzamos univerzumok, akkor az egyesítéshez és a kvantumeffektusok felléptéhez szükséges energiaszintek sokkal kisebbek, és ezeket az energiákat a részecskegyorsítók következő generációja, mint pl. az LHC (Large Hadron Collider) már elérheti. Ez óriási érdeklődést váltott ki a fekete lyukak fizikája, különösen pedig az ún. „mini fekete lyukak" iránt. A mini fekete lyukak szubatomi részecskék módjára viselkednek, és olyan laboratóriumok, amelyekben a húrelmélet jóslatait lehet ellenőrizni.

A fizikusokat lázban tartja az a lehetőség, hogy az LHC-val létrehozhatnak ilyeneket. (A mini fekete lyukak annyira kicsinyek, hogy méretük az elektronéhoz hasonlítható, és így nem olyan nyílások, amelyben a Föld eltűnhetne. Kozmikus sugarak folyamatosan, rutinszerűen érik el a Földet olyan energiákkal, amelyek meghaladják ezeknek a mini fekete lyukaknak az energiáját, még sem okoznak bolygónkon semminemű észrevehető negatív hatást.)

Amilyen forradalminak tűnik, hogy a fekete lyukak álruhába öltözött szubatomi részecskék, valójában éppannyira régi az ötlet. Ezt először Einstein vetette fel 1935-ben. Einstein úgy tekintette, hogy kell legyen egy egyesített térelmélet, amiben a szubatomi részecskékből álló anyag a téridő szövetének bizonyos torzulásaiként értelmezhető. Szerinte az elektronhoz hasonló szubatomi részecskék csomók vagy féreglyukak voltak egy görbült térben, ami a távolból nézve részecskének tűnt. Einstein Nathan Rosennel együtt eljátszott az ötlettel, hogy egy elektron valójában egy álruhás mini fekete lyuk. Elgondolásukban megpróbálták az anyagot az egyesített térelméletbe ilyen módon belefoglalni, ami a szubatomi részecskéket egyszerű geometriává redukálta volna.

Stephen Hawking újra használta a mini fekete lyukakat - ő volt, aki bebizonyította, hogy egy fekete lyuk elpárolog és halovány energiaáramot bocsát ki. Sok milliárd év alatt a fekete lyuk energiájának már akkora részét sugározza ki, hogy fokozatos összehúzódással szubatomi méretűvé zsugorodik össze.

A mini fekete lyukak koncepciójába mostanában illesztik be a húrelméletet. Emlékezzünk vissza, hogy fekete lyuk akkor jön létre, amikor nagy mennyiségű anyagot a Schwarzschild-sugáron belülre nyomunk össze. Mivel az energia és az anyag egymásba átalakítható, fekete lyukak energiakoncentrációval is előállíthatók. Figyelemreméltóan nagy az érdeklődés aziránt, hogy amikor az LHC-val 14 billió elektronvolt energiával ütköztetnek egymással két protont, akkor vajon az ütközésben keletkezett törmelékdarabok között van-e mini fekete lyuk? Ezek a fekete lyukak nagyon aprók lennének, és csak 10-23 másodpercig élnének. De az LHC által létrehozott szubatomi részecskék nyomai között ezeknek az apró fekete lyukaknak a nyomait is láthatnánk.

A fizikusok abban is reménykednek, hogy a világűrből érkező kozmikus sugárzás tartalmazhat mini fekete lyukakat. Az Argentínában lévő Pierre Auger Cosmic Ray Observatory sugárdetektora olyan érzékeny, hogy a tudomány által valaha feljegyzett legnagyobb kozmikus sugárzáskitörések közül jó néhányat észlelhet. Azt remélik, hogy a kozmikus sugarak között természetszerűleg fognak találni mini fekete lyukakat, amelyek jellegzetes sugárzást kelthetnek akkor, amikor nekiütköznek a Föld felső légterének. Egy számítás azt mutatja, hogy az Auger Cosmic Ray Observatory érzékelője képes akár naponta tíz mini fekete lyukak kiváltotta kozmikus sugárzáport detektálni.

Akár Svájcban az LHC-val, akár Argentínában az Auger Cosmic Ray detektorával észlelnének mini fekete lyukat - netán már ebben az évtizedben

-, az nagyon erős bizonyítékot nyújtana a párhuzamos univerzumok létezésére. Noha ebből nem következne a húrelmélet helyessége, de meggyőzhetné az egész fizikus társadalmat arról, hogy a húrelmélet jó irányba mutat és minden ismert kísérleti eredménnyel összhangban van.

Fekete lyukak és az információs paradoxon

A húrelmélet a fekete lyukak fizikájának néhány nagyon mély paradoxonjának, mint például az információs paradoxonnak a megértését is elősegítheti. Amint visszaemlékezhetünk, a fekete lyukak nem tökéletesen feketék, hanem alagúteffektus révén nagyon csekély mennyiségű sugárzást bocsátanak ki. A kvantumelmélet miatt mindig van egy kicsi esély arra, hogy a fekete lyuk satuszerű fogásából sugárzás szökjön el. Ez ahhoz vezet, hogy a fekete lyukból lassan sugárzás szivárog ki, és ezt a sugárzást Hawking-sugárzásnak nevezik.

Ennek a sugárzásnak van hőmérséklete is (ami a fekete lyuk

eseményhorizontjának a területével egyenesen arányos). Hawking megadta az ezt leíró egyenlet levezetését, amely azonban messze állt egy szabatos levezetéstől.

De ennek az eredménynek a szigorú és szabatos levezetése a statisztikus fizika teljes eszköztárát igényelné (ami a fekete lyuk kvantumállapotainak megszámlálásán alapulna). Egy statisztikus fizikai számolást rendszerint úgy végeznek el, hogy megszámolják, hány olyan állapota van az atomnak vagy a molekulának, amit azok felvehetnek. De hogyan számolnánk meg egy fekete lyuk kvantumállapotait? Einstein elméletében a fekete lyuk tökéletesen sima, így aztán a kvantumállapotainak megszámlálása enyhén szólva, problematikus.

A húrelméleti szakemberek nagyon szerették volna áthidalni ezt a problémát, így a Harvardon dolgozó Andrew Strominger és Cumrum Vafa elhatározta, hogy az Melmélet felhasználásával megvizsgálja a fekete lyukakat. Mivel maga a fekete lyuk túlságosan bonyolult volt ahhoz, hogy dolgozzanak vele, ehelyett egy másik megközelítési módot választottak és egy ravasz kérdést tettek fel: mi a fekete lyuk duálisa? (Emlékezzünk vissza, az elektron duálpartnere a mágneses monopólus volt, például egy magányos mágneses északi pólus, így, ha az elektront gyenge elektromos terhén vizsgáljuk meg - amit könnyű megtenni - egy sokkal nehezebben végrehajtható kísérletet helyettesíthetünk: egy monopólus viselkedésének leírását nagyon erős mágneses térben.) Azt remélték, hogy a fekete lyuk duálisa sokkal egyszerűbben vizsgálható, mint maga a fekete lyuk, de végeredményben majd ugyanazt az eredményt kapják meg. Egy sor matematikai lépéssel Strominger és Vafa képes volt megmutatni, hogy a fekete lyuk dualitásban van egy-bránok és öt-bránok egész gyűjteményével. Ez óriási megkönnyebbülés volt, mert ezeknek a bránoknak a kvantumállapotai már ismertek voltak. Amikor Strominger és Vafa ezeket a kvantumálla pótokat megszámolta, akkor arra jutottak, hogy abból Hawking formuláját tökéletes pontossággal lehet reprodukálni.

Ez egyike volt a jó híreknek. A húrelméletet sokszor tartották nevetségesnek amiatt, hogy a való világgal semmi kapcsolata nincs, mégis talán a legelegánsabb megoldást szolgáltatta a fekete lyukak termodinamikájában. A húrelméleti szakemberek jelenleg a fekete lyukak fizikájában felmerülő legnehezebb problémával, az „információs paradoxonnal" próbálnak megbirkózni. Hawking azzal érvelt, hogy az az információ, ami egy fekete lyukba beledobott valamihez kapcsolódik, örökre elvész és soha nem is tér vissza. (Ez lehetne a tökéletes bűntény végrehajtásának okos módja. A bűnöző az összes terhelő bizonyíték eltüntetésére használhatná a fekete lyukat.) A távolból csak a fekete lyuk tömegét, forgásmennyiségét és töltését mérhetjük meg. Mindegy, hogyan dobjuk bele azt a valamit, az összes információt elveszítjük. (Ezt úgy szokták kifejezni, hogy a „fekete lyuknak nincsen haja" - azaz, a fekete lyukak magukról minden korábbi információt - összes hajukat - elvesztettek, kivéve ezt a három paramétert.)

Az Univerzumból történő információvesztés az Einstein-elmélet elkerülhetetlen következményének tűnik, de megsérti a kvantummechanika elveit, mely szerint az információ soha nem veszhet el teljesen. Az információnak valahol ott kell lebegnie az Univerzumunkban még akkor is, ha a magát az eredeti objektumot el is tüntették egy fekete lyuk torkában. „A legtöbb fizikus hinni akar abban, hogy az információ nem veszik el írja Hawking -, mivel ez teszi a világot biztonságossá és előrejelezhetővé. Én azt gondolom, hogy ha valaki komolyan veszi Einstein általános relativitáselméletét, akkor teret kell adnia annak a lehetőségnek, hogy a téridőre csomók vannak kötve és ezekbe a karámokba jutva az információ elvész. Manapság az elméleti fizika egyik legnagyobb kérdése az, hogy eldöntsék, az információ tényleg elvész-e vagy sem."

Ezt a paradoxont - ami Hawking és a legtöbb húrfizikus közé mély éket vert - még nem oldották fel. A húrelméleti szakemberek közül sokan arra fogadnak, hogy végül majd megtaláljuk az eltűnt hiányzó információt. (Például, ha valaki beledob egy könyvet egy fekete lyukba, elképzelhető, hogy a könyvben lévő információtartalom kínos lassúsággal vissza fog szivárogni az Univerzumunkba, a fekete lyukat elhagyó Hawking-sugárhan jelenlévő gyenge rezgések formájában. Vagy a fekete lyuk másik falán lévő fehér lyukból fog előbukkanni.) Személyes érzésem az, hogy amikor valaki a húrelmélet keretein belül végül kiszámolja, hogy mi történik a fekete lyukban eltűnt információval, azt fogja találni, hogy az információ valójában nem veszett el, hanem körmönfont módon valahol másutt újra meg fog jelenni.

Egy meglepő pálfordulás során Hawking a The New York Times címlapjára került 2004-ben, amikor tévékamerák kereszttüzében bejelentette, hogy az információs paradoxont illetően tévedésben volt. (Harminc évvel korábban fogadott egy másik fizikussal abban, hogy a fekete lyukból az információ soha nem szabadulhat ki. A fogadás vesztesének egy enciklopédiát kellett adnia a nyertesnek, amiből az információ könnyen kinyerhető.)

Néhány korábbi számítását újra elvégezve arra a következtetésre jutott, hogy ha egy objektum, például egy könyv beleesik egy fekete lyukba, az a kibocsátott sugárzási mezőt talán megzavarhatja, és ez lehetővé teszi, hogy az információ visszaszivárogjon az Univerzumba. A könyvben lévő kódolt információtartalmat a fekete lyukból lassan szivárgó sugárzás fogja tartalmazni, de szétroncsolt formában.

Egyfelől ez Hawkingot a kvantumfizikusok többségének táborába helyezi, akik hisznek abban, hogy információ nem veszhet el. Ugyanakkor azonban kikényszeríti a kérdést: érkezhet-e információ egy párhuzamos univerzumról? Felszínesen nézve úgy tűnik, hogy Hawking eredménye elveti annak a lehetőségét, hogy egy párhuzamos univerzumról féreglyukon keresztül információ érkezzék. De senki nem hiszi, hogy ez az utolsó szó a témában. Amíg a húrelmélet nem fejlődik ki teljesen, vagy nem végeznek el egy komplett kvantumgravitációs számolást, addig senki sem gondolhatja azt, hogy az információs paradoxont megoldották.

A holografikus Univerzum

Végül az Melméletnek van egy inkább misztikus jóslata is, amit még nem értünk, de talán mély fizikai és filozófiai következményei lesznek. Ez az eredmény annak a kérdésnek a feltevésére kényszerít minket, hogy vajon az Univerzum egy hologram? Vannak „árnyékuniverzumok", amelyekben a testünk összenyomva, kétdimenziós formában létezik? Ez egy másik kínzó kérdéshez vezet el: az Univerzum esetleg egy számítógépprogram? Rá lehet-e helyezni az Univerzumot egy CD-re és a szórakoztatásunkra le lehet-e játszani?

Az információ soha nem veszik el. Azt remélik, hogy a négy dimenzióban megoldatlannak bizonyuló problémákat (ilyen az információs probléma kvarkmodellben szereplő tömegértékek kiszámítása és így tovább) végül majd öt dimenzióban fogják talán megoldani, ahol a dolog matematika egyszerűbb. És mindig megvan annak a lehetősége, hogy ez az analógia valójában a valóságos világ egy visszatükröződése - azaz, hogy mi tényleg hologramokként létezünk.

Az Univerzum egy számítógépes program?

Ahogy azt korábban láttuk, John Wheeler abban hitt, hogy az egész fizikai valóság tiszta információvá redukálható. Bekenstein fogta a fekete lyuk információs ötletet és egy lépéssel egy még feltáratlan területre továbbmenve a következő kérdést tette fel: az egész Univerzum egy számítógepes program? Csak bitek vagyunk egy kozmikus CD-n?

A kérdést, hogy vajon csak egy számítógépes programban élünk-e brilliánsan dolgozták fel a nagy sikerű Mátrix című filmben, ahol idegenek az egész fizikai valóságot egy számítógépprogrammá redukálták. Emberek milliárdjai gondolják azt ebben a filmben, hogy mindennapi életüket élik, megfeledkezve arról a tényről, hogy ez mind-mind csak számítógép által generált fantázia, miközben a valódi testük - amit az idegenek csak energiaforrásnak használnak - gubókban alszik.

A filmben rövid programokat lehet lefuttatni, amik mesterséges minivalóságot teremtenek. Ha valaki kung-fu-mesterré vagy helikopter-pilótává akar válni, csak behelyezi a megfelelő CD-t a számítógépbe, a programot feltöltik az agyunkba, és ennyi! - már el is sajátítottuk ezeket a komplikált képességeket. Ahogy a CD fut, egy teljesen új szubrealitás keletkezik. Ez viszont egy izgalmas kérdést vet fel: az egész valóság elfér egy CD-n?

Milliárdnyi alvó ember számára a valóságot szimulálni meghökkentően nagy számítógépes teljesítményt igényel. De elméletben vizsgálva a kérdést: lehet-e az egész Univerzumot egy véges hosszúságú számítógép programban digitalizálni?

E kérdés gyökerei Newton mozgástörvényeihez nyúlnak vissza, az életünkkel és a kereskedelemmel kapcsolatos nagyon is gyakorlatias alkalmázasokig. Mark Twain híres volt a következő állításáról: „Mindenki panaszkodik az időjárásra, de ebben az ügyben senki nem tesz semmit." A modern civilizációk egy egyszerű zivatar kialakulását sem képesek meg akadályozni, de a fizikusok egy még egyszerűbb kérdést tesznek fel: előrejelezhetjük-e az időjárást? Készíthető-e olyan számítógépprogram, ami a Föld időjárási mintázatának fejlődését megjósolja? Ez mindenki számára - aki érdeklődik az időjárás iránt - egy nagyon gyakorlatias alkalmazás, a mezőgazdaságból élőktől kezdve - akik tudni akarják, mikor arassák le a termést - a meteorológusokig, akik tudni akarják, hogy a globális felmelegedés hogyan folytatódik majd ebben az évszázadban.

A Newton-törvényeket használva, a számítógépek elviekben majdnem tetszőleges pontossággal ki tudják számolni az időjárást alakító molekulák mozgását. De a gyakorlatban a számítógépprogramok durvák és megbízhatóságuk a legjobb esetben néhány napos előrejelzésig terjed. Az időjárás megjóslásához minden légköri molekula mozgását előre meg kellene tudnunk határozni - ez valami olyasmi, ami nagyságrendekkel túl van a legnagyobb teljesítményű számítógépek tudásán; ráadásul a káoszelmélet is problémákat okoz a „pillangóeffektus"-on, vagyis azon a fizikai jelenségen keresztül, miszerint egy pillangó szárnyának legkisebb rezgése is óriási következményekkel járhat, akár száz mérföldekkel odébb is számottevőén megváltoztathatja az időjárást.

A matematikusok ezt a helyzetet úgy összegezték, hogy azt állították: a legegyszerűbb modell, ami pontosan leírhatja az időjárást, az az időjárás maga. Ahelyett, hogy minden egyes molekulát vizsgálnánk, a legjobb, amit tehetünk, hogy nagyobb léptékű trendeket és sémákat (mint pl. az üvegházhatás), és a holnapi időjárásra vonatkozó becsléseket keresgélünk, így igazán nehéz lenne az egész newtoni világot egy számítógépprogrammá redukálni, mivel túl sok változó és túl sok „pillangó" van. A kvantumvilágban azonban különös dolgok történnek.

Amint már említettük, Bekenstein megállapította, hogy a fekete lyuk teljes információtartalma arányos az eseményhorizontjának felszínével. Ezt intuitív módon is beláthatjuk. Sok fizikus gondolja úgy, hogy a lehetséges legkisebb távolság a Planck-hosszúsággal, azaz kb. 10-33 cm-rel egyenlő.

Ezen a hihetetlenül kicsiny távolságon a téridő többé nem sima, hanem „habossá" válik és bugyborékoló habra hasonlít. A látóhatár gömbfelületét osszuk fel a Planck-hosszúsággal egyező nagyságú apró kis négyzetekre. Ha e négyzetek mindegyike egy bit információt tartalmaz, és összeadjuk ezeket a négyzeteket, akkor körülbelül megkapjuk a fekete lyuk teljes információtartalmát. Úgy tűnik, ez azt indikálja, hogy az ilyen „Planck-négyzetek" az információ legkisebb egysége. Ha ez igaz, akkor Bekenstein állítása az, hogy a fizika igazi nyelve talán az információ, nem pedig a térelmélet. Ahogy ő maga felveti: „A térelmélet a végtelenjeivel nem lehet a végső elmélet."

Michael Faradaynek a 19. században végzett munkái óta a fizikát a tér (mező) nyelvén szövegezték meg, ami sima és folytonos, és a téridő bármely pontjában megadja a mágnesesség, az elektromosság és a gravitáció erősségét. De a térelmélet mezőit folytonos struktúrákra építették, nem pedig digitális egységekre. A mező bármely értéket felvehet, míg a digitalizált számok csak nullák és egyek sorozatából álló diszkrét értékek lehetnek. Például ilyen különbség van az Einstein elméletében szereplő sima gumilepedő és egy finoman szőtt drótháló között. A gumilepedőt végtelen számú pontra, míg a dróthálót egy jellemző távolságú kisebb négyzetekre oszthatjuk fel.

Bekenstein azt javasolja, hogy „a végső elméletnek sem a mezőket, sem a téridőt, hanem az információcserét kell figyelembe vennie a fizikai folyamatokban."

Ha az Univerzum digitalizálható, és nullák meg egyesek sorozatára redukálható, akkor mennyi az Univerzum teljes információtartalma? Bekenstein úgy becsüli, hogy egy kb. 1 centiméter átmérőjű fekete lyuk 1066 bit információt tartalmazhat. De ha egy 1 centiméter átmérőjű objektum ilyen hatalmas mennyiségű információbitet hordozhat, akkor a látható Univerzumot illetően ez sokkal több, becslése szerint nem kevesebb, mint 10^100 bit információt zár magába, ami elviekben egy tíz fényév átmérőjű gömbbe préselhető. (Az 1 után 100 nullát tartalmazó kolosszális méretű számot google-nak hívják.).

Ha ez a kép helyes, akkor különös helyzettel kerülünk szembe. Ez ugyanis azt jelentheti, hogy míg a newtoni világot nem tudjuk számítógépekkel szimulálni (vagy legfeljebb csak egy akkora méretű géppel, ami ugyanakkora, mint maga az Univerzum), addig a kvantumvilágban talán az egész Univerzum egyetlen CD-re ráhelyezhető! Elméletben, ha 10^100 bit információt teszünk egy CD-re, akkor az Univerzum minden eseménye kitárulkozik előttünk a nappalinkban és fotelből nézhetjük. Elviekben újra elrendezhetjük vagy újraprogramozhatjuk a CD-n lévő biteket, és így minden valóságos fizikai folyamat más úton mehet végbe. Bizonyos értelemben istenszerű képességekkel rendelkeznénk a forgatókönyv újraírására.

(Bekenstein elismeri, hogy az Univerzum teljes információtartama még ennél is sokkal nagyobb lehet. Valójában a legkisebb térfogat, ami az Univerzum információit tartalmazhatja, maga az Univerzum mérete lehet. Ha ez a helyzet, akkor ugyanott vagyunk, ahonnan elindultunk: az Univerzum lehetséges legkisebb modellje maga az Univerzum.)

A húrelmélet azonban a legkisebb távolságnak egy kissé különböző interpretációját nyújtja, és arról is kissé másképp vélekedik, hogy az Univerzum digitalizálható-e egy CD-n. Az Melmélet egy T-dualitásnak nevezett valamivel bír. Emlékezzünk vissza, hogy a görög filozófus, Zénón úgy gondolta, hogy egy egyenes végtelen sok számú pontra osztható fel, korlátlanul.

Manapság a kvantumfizikusok, mint például Bekenstein úgy vélik, hogy a legkisebb távolság a Planck-hosszúságnak megfelelő 10-33 m lehet, ahol a téridő szövete habossá és buborékossá válik. De az Melmélet egy újabb zavart ad ehhez. Tegyük fel, hogy veszünk egy húrelméletet és egységsugarú körre feltekerjük az egyik dimenziót. Vegyünk egy másikat és ennek egyik dimenzióját pedig egy 1/R sugarú körre tekerjük fel. A két különböző elméletet összehasonlítva úgy találjuk, hogy pontosan ugyanolyanok. Most legyen R rendkívül kicsi, sokkal kisebb, mint a Planck-hosszúság. Ez azt azt eredményezi, hogy a Planck-hosszúságon belül a fizika azonos a Planck-hosszúságon túlival. A Planck-hosszúságon a téridő habos és darabos is lehet, a Planck-hosszúságon belül és kívül a nagyon nagy távolságokon sima és valójában azonos.

Ezt a dualitást az oszakai egyetemen dolgozó kollégám, Keiji Kikkawa diákja, Masami Yamasaki találta meg először 1984-ben. Noha a húrelmélet látszólag arra vezet, hogy létezik egy „legkisebb távolság" - a Planckhossz -, a fizika nem ér véget a Planck-hosszúságnál. Az új csavar a dolgokban az, hogy a Planck-hosszúságoknál kisebb mértékű skálán a fizika ekvivalens a Planck-hosszúságnál sokkal nagyobb méretű skálán levő fizikával.

Ha ez a zűrzavaros, fejtetőre állított interpretáció helyes, akkor ez azt jelenti, hogy még a húrelmélet „legkisebb távolságán" belül is egy egész univerzum létezhet. Másképp fogalmazva, használhatjuk még a térelméletet a maga folytonos (nem digitalizált) struktúráival arra, hogy a Planckhosszon belüli távolságokon leírjuk az Univerzumot. Szóval az Univerzum talán mégsem egy számítógépprogram. Mindenesetre, lévén ez egy jól körülhatárolt kérdés, idővel majd megtudjuk a választ.

(Ez a T-dualitás indokolja az általam korábban már említett Veneziano-féle „pre-ősrobbanás"-forgatókönyvet. Abban a modellben egy fekete lyuk a Planck-hosszúságnál kisebb méretűre omlik össze és ezután „visszapattan" az ősrobbanásba. Ez a visszapattanás nem hirtelen esemény, hanem a Planck-hossznál kisebb fekete lyuk és a Planck-hossznál nagyobb, táguló univerzum közötti folytonos T-dualitás.)

Vége?

Ha az Melmélet sikeres, ha csakugyan a „minden elmélete", akkor a fizikának - ahogy azt ma ismerjük - vége van?

A válasz nemleges. Hadd említsek egy példát. Ha tudjuk is a sakk szabályait, a szabályok egyszerű ismerete még nem tesz minket sakknagymesterré.

Hasonlóképpen, az Univerzum törvényeinek ismerete nem jelenti azt, hogy az elmélet változatos megoldásainak megértésében nagymesterek vagyunk. Személy szerint úgy gondolom, hogy noha még kissé elhamarkodott dolog az Melméletet a kozmológiára alkalmazni, mégis elképesztően képet ad arról, hogy az Univerzum hogyan kezdődhetett el. Úgy vélem fő probléma az, hogy a modellnek még nincs meg a végső alakja. Az elmélet nagyon valószínű, hogy a „minden elmélete" lehet, de úgy hiszem, távol van még a befejezéstől. 1968 óta az elmélet fordítva fejlődik és végső egyenleteit még nem találtuk meg. (Például, a húrelméletet húrok térelméletén keresztül lehet megszövegezni, ahogy azt Kikkawa és én sok évvel ezelőtt megmutattuk. Az Melméletben ezeknek az egyenleteknek a megfelelője még ismeretlen.)

Az Melmélet számos nehézséggel küszködik. Az egyik ezek közül a hogy a fizikusok a p-bránokban fuldokolnak. Egész sor cikk próbálja számbavenni a különböző számú dimenziókban előforduló membránok

zavarbaejtő sokaságát. Vannak membránok, amelyek alakja a lyukas fánk hoz hasonlít, aztán fánkok több lyukkal, kereszteződő membránok és így tovább.

Mindenki emlékszik arra a híres mesére, amelyben vak bölcsek találkoznak egy elefánttal. Különböző helyeken megtapogatják az elefántot és ezután mindenki előáll a saját teóriájával. Az egyik bölcs férfiú, aki az elefánt farkát érintette meg, azt mondja, hogy ez egy egy-brán (egy húr) Egy másik bölcs a fület érintette meg, így azt mondja, ez egy két-brán (egy membrán). Végül az utolsó azt mondja, hogy a másik kettő tévedett. Ő az elefánt lábait tapogatta meg, amik fatörzsnek tűntek, és ezért a harmadik bölcs három-bránnak mondja az elefántot. Mivel vakok, nem látják az egész képet, azaz nem jönnek rá, hogy amit egy-bránnak, két-bránnak és három-bránnak tapasztaltak, az nem más, mint egyszerűen egy állat, még pedig egy elefánt.

Hasonlóképpen nehéz elhinni, hogy az Melméletben felfedezett több száz membrán mindegyike valamiképpen alapvetően fontos legyen. Egyelőre nincs könnyen áttekinthető képünk az M-elméletről. A jelenlegi kutatásaim alapján az a véleményem, hogy ezek a membránok és húrok a tér „kondenzációját" jelentik. Einstein az anyagot tiszta geometriai fogalmakkal próbálta meg leírni, mint a téridő szövetén előforduló csomókat. Ha például van egy lepedőnk és azon egy gyűrődés alakul ki, akkor ez úgy viselkedik, mintha saját élete lenne. Einstein az elektront és más részecskéket a téridő geometriájának bizonyos típusú zavaraival próbálta modellezni. Ez a kísérlete végső soron ugyan kudarcot vallott, de ötlet újjáéledt az Melmélet magasabb szintjén.

Úgy hiszem, Einstein jó nyomon járt. Az elképzelése az volt, hogy a szubatomi részecskék fizikája a geometriából származik. Ahelyett, hogy a részecskék geometriai analogonjait próbálnánk megtalálni, ami Einstein stratégiája volt, megpróbálhatnánk a húrok és membránok tisztán időből álló geometriai analogonjait megkeresni.

E megközelítési mód logikus voltának belátásához az egyik lehetséges út az, ha a fizikát történeti oldalról nézzük. A múltban, amikor egy fizikus objektumok egész választékával került szembe, akkor felismerte, hogy a gyökere valami alapvetőbb dolog. Például, amikor felfedeztük a hidrogéngázból származó spektrumvonalakat, felismertük, hogy azok az atomokban köröző elektronok kvantumugrásaiból erednek. Hasonlóképpen, amikor a nagytömegű részecskék száma az 1950-es években elburjánzott, akkor a fizikusok később felismerték, hogy ezek nem mások, mint a kvarkok különböző kötött állapotai. Most pedig, amikor a kvarkok és a Standard Modell más „elemi" részecskéinek a száma nőtt az egekbe, a legtöbb fizikus azt hiszi, hogy ezek a húrok rezgéseiből származnak.

Az Melméletben azzal szembesülünk, hogy p-bránok sok fajtája és variációja burjánzik. Nehéz elhinni, hogy ezek alapvetőek, mivel egyszerűen túl sok p-brán van, továbbá mert ezek belső tulajdonságaik miatt instabilak és divergensek. Egy egyszerűbb megoldás, ami a történeti megközelítéssel megegyezik, azt mondaná, fel kell tételezni, hogy az Melmélet egy sokkal egyszerűbb paradigmából, talán magából a geometriából ered. Ennek az alapvető kérdésnek a megválaszolásához szükséges lesz tudnunk az elmélet mélyén rejlő fizikai alapelvet, nem csak az elmélet misztikus matematikáját. Ahogy azt a fizikus Brian Greene mondta: „A fizikusok ma olyan helyzetben vannak, mint Einstein az ekvivalencia-elv felismerése előtt. Veneziano 1968-as éleslátásról tanúskodó tippje óta az elméletet a darabjaiból rakták össze, felfedezésről felfedezésre, forradalomról forradalomra. De a központi szervezőelv, ami az elmélet összes tulajdonságát és ezeket a felfedezéseket módszeresen egyetlen keretbe foglalná -egy olyan keretbe, amely minden egyes benne lévő alkotóelemet abszolúte nélkülözhetetlenné tesz - még hiányzik. Ennek az elvnek a felfedezése a húrelmélet fejlődésében fordulópontot jelentene, mivel egy csapásra világossá válik majd az elmélet belső működése."

Ez a húrelméletben eddig talált milliónyi megoldásnak is értelmet adna, és mindegyik egy teljesen ellentmondásmentes univerzumot reprezentálna. A múltban azt gondolták, hogy e milliónyi megoldásból csak egy lehet igaz, az, amelyik a mi Univerzumokat írja le. Mára a gondolkodásunk megváltozott. Még nincs rá mód, hogy az eddig felfedezett milliónyi megoldásból kiválasszunk egy megfelelő univerzumot. Egyre erősödik azoknak a tábora, akik úgy gondolják, hogy ha a húrelmélet egyedüli megoldását nem tudjuk megtalálni, akkor valószínűleg ilyen nincs is. Mindegyik megoldás egyaránt érvényes. Az univerzumok multiverzuma létezik, mindegyik összhangban áll a fizika törvényeivel. Ez vezet el minket a úgynevezett antropikus elvhez és a „tervezett univerzum" lehetőségébe.

8. Tervezett univerzum?

Az örökkévalóságban már számos univerzumot fércelhettek össze kontármunkával, mielőtt ezt a rendszert összetákolták; a legtöbb mű elveszett, sok volt a terméketlen kísérletezés, és a végtelen idő folyamán a világkészítés művészetében lassan, de folyamatosan állandó fejlődés ment végbe.

DAVID HUME

Amikor második osztályos diák voltam, a tanáromnak egy alkalommal volt egy olyan megjegyzése, amit soha nem fogok elfelejteni. Azt mondta, hogy „Isten annyira szerette a Földet, hogy pont a megfelelő távolságra helyezte el a Naptól." Hatéves gyerekként nagy hatással volt rám ennek az érvelésnek az ereje és egyszerűsége. Ha Isten a Földet túl távolra tette volna a Naptól, akkor az óceánok befagynának. Ha túl közel tette volna le, akkor az óceánok elforrnának. A tanárom számára ez nemcsak Isten létezésének bizonyítékát jelentette, hanem azt is, hogy Isten jóakaratú volt, aki úgy szerette a Földet, hogy a Naptól pont a megfelelő távolságra helyezte el.

Manapság a tudósok azt mondják, hogy a Föld a Nap „aranyfürt-zónáiban" (vagy „finomhangolt zónájában") van, éppen olyan távol, hogy a víz folyékony legyen, és így itt ez az „univerzális oldószer" megteremti az élet kémiáját. Ha a Föld távolabb lenne a Naptól, akkor a Marshoz, a „fagyott sivataghoz" hasonlóvá válhatna, ahol a hőmérséklet meddő, kietlen felszínt hozott létre, ahol a víz és a szén-dioxid gyakran szilárd, fagyott állapotban van. Még a Mars felszíne alatt is állandóan fagyott az altalaj és a benne lévő víz is.

Ha a Föld közelebb lenne a Naphoz, akkor nagyon hasonlóvá válna a Vénuszhoz, ami a Földdel közel azonos méretű, de mint „üvegházbolygó" ismert. Mivel a Vénusz olyan közel van a Naphoz, és mert a légköre főleg szén-dioxidból áll, a Vénusz által befogott napenergia a hőmérsékletét körülbelül 470 °C-ra emeli. Emiatt a Naprendszerben a Vénusz a legforróbb bolygó. Kénesőivel, a földinél százszor nagyobb légnyomásával, perzselő forróságával, talán a Vénusz a Naprendszer legpokolibb bolygója, főként azért, mert a Földnél közelebb található a Naphoz.

Az én második osztálybeli tanárom érvelését megvizsgálva a tudósok azt mondanák, hogy az ő állítása az antropikus elv egyik példája volt - ez az elv azt mondja, hogy a természet törvényei úgy vannak elrendezve, hogy az élet és a tudat lehetséges. Akár egy felsőbb tervező, akár a véletlen által rendeződtek el így a törvények, az elv különösen az utóbbi években sok vita tárgya, mert elsöprő számban találtak olyan „véletleneket" és egybeeséseket, amik miatt az élet és a tudat lehetségessé válik. Többek számára ez egy istenség bizonyítékát jelentik, aki megfontolva rendezte el a természet törvényeit, így téve lehetővé az életet és minket. De más tudósok számára mindez azt jelenti, hogy mi szerencsés véletlenek sorozatának melléktermékei vagyunk. Ha pedig valaki az Melmélet vagy az infláció egyik ágában hisz, akkor az ő számára ez talán azt jelenti, hogy univerzumok multiverzuma létezik.

Hogy ezeknek az érveléseknek a bonyolultságát értékeljük, tekintsük először azokat a véletleneket, amelyek a földi életet lehetségessé tették Nem csak a Nap aranyfürt-zónájában élünk, számos más szerencsés zónában is élünk. Például a Hold éppen jó méretű ahhoz, hogy a Föld pályáját stabilizálja. Ha a Hold sokkal kisebb lenne, akkor a Föld forgásában mutatkozó aprónyi perturbációk sok százmilliónyi év alatt lassan felgyülemlenének, és ez azt okozná, hogy a Föld katasztrofálisan inogna, ami viszont az éghajlati öveket olyan drasztikusan megváltoztatná, hogy az élet lehetetlenné lenne. Számítógépes szimulációkkal megmutatták, hogy ha nem volna a nagyméretű (mintegy egyharmad Földnyi) Hold, a Föld forgástengelye akár 90 fokot is kitérhetett volna sok millió év alatt. Mivel a tudósok úgy vélik, hogy a DNS kialakulásához többszáz-millió évnyi éghajlati stabilitás szükséges, egy forgástengelyét periodikusan változtató Föld időjárásában és éghajlati viszonyaiban katasztrofálisan megváltozna, és így a DNS nem alakulhat ki. Szerencsére Holdunk éppen jó méretű ahhoz, hogy a Föld forgását stabilizálja, és így az ilyen katasztrófák nem következnek be. (A Mars holdjai nem elég nagyok ahhoz, hogy a Mars forgását stabilizálják. Eredményképp a Mars lassan az instabilitás egy következő korszakát kezdi el. A csillagászok úgy vélik, hogy a múltban a Mars tengelye akár 45 foknyit is ingadozhatott.)

A kicsiny árapályerők hatására a Hold lassan (évenként körülbelül négy centiméterrel) távolodik a Földtől; így kétmilliárd év múlva túl távol lesz ahhoz, hogy stabilizálja a Föld forgását. Ez a földi élet számára katasztrofális lesz. Sokmilliárd év múlva nemcsak az égbolt lesz holdtalan, hanem egészen más csillagképeket fogunk látni, miközben a Föld hánykolódik a pályáján. A földi időjárás kiismerhetetlenné válik és az élet lehetetlenné lesz.

A University of Washingtonban dolgozó Peter Ward geológus és Donald Brownlee csillagász azt írták: „A Hold nélkül nem lenne se holdfény, se hónap, se holdkór, sem Apollo-program, kevesebb költészet lenne, és a világ minden éjszaka sötétnek és nyomasztónak hatna. Valószínű, hogy a Hold nélkül sem a madarak, sem a a vörösfenyők, sem a bálnák, sem a trilobiták (háromkaréjú ősrákok - a fordító), de semmilyen más fejlett létforma nem díszítette volna fel a Földet."

Hasonlóképpen a Naprendszerünk számítógépes modelljei azt is mutatják, hogy a Jupiter bolygó jelenléte a Naprendszerben nagyon szerencsés a földi élet szempontjából, mivel a bolygó erős gravitációja segíti a kisbolygókat a külső világűrbe elrepíteni. Majdnem egymilliárd év - a 4,5 milliárd évvel ezelőtt kezdődött és 3,5 milliárd évvel ezelőttig tartott meteorkorszak" - kellett hozzá, hogy a Naprendszer „megtisztult" a keletkezése után itt maradt törmeléktől, kisbolygóktól és üstökösöktől. Ha a Jupiter tömege kisebb lenne és így a gravitációja sokkal gyengébb, akkor Naprendszerünk még mindig tele lenne kisbolygókkal, ami a földi életet szintén lehetetlenné tenné, mivel a kisbolygók közül számos belehuppanna az óceánjainkba és így lerombolná az itteni életet. Ezért a Jupiter tömege pont megfelelő.12

12 Ez a gondolatmenet - a legtöbb, a könyvben is felsorolt antropikus érvhez hasonlóan

- erősen vitatható. Valójában éppen a Jupiternek köszönhető, hogy az aszteroidaöv képében a belső Naprendszerben - a mai napig fennmaradt egy jelentős kisbolygó-rezervoár, ahonnan a Földre veszélyes aszteroidák tévedhetnek be bolygónk közelébe. A Jupiter okozta zavarok nélkül e kisbolygók egy bolygóvá állhattak volna össze. (A szaklektor megjegyzése.)

A bolygótömegek közül ugyancsak finomhangolt-zónában élünk. Ha a fold tömege picit kisebb volna, a gravitációja olyan kicsivé válna, hogy nem tudná megtartani az oxigénjét. Ha túl nagy lenne, akkor ősi légkörének számos mérgező, az életet lehetetlenné tevő alkotóelemét máig megtartotta volna. A Föld pont a megfelelő tömegű ahhoz, hogy olyan légköri összetételt őrizzen meg, ami áldás az életnek.

Mi a lehetséges bolygópályák közül is egy nagyon szerencsésen mozgunk. Figyelemreméltó, hogy a bolygók pályája közel kör alakú, ami azt jelenti, hogy a bolygóütközések nagyon ritkák a Naprendszerben. Azaz, a Föld nagyon ritkán kerül közel valamelyik gázóriáshoz, amelynek a gravitációja könnyedén szétzilálhatná a Föld pályáját. Ez ismét jó az életnek, ami több százmillió évig tartó stabil pályát igényel. A Föld a Tejútrendszeren belül is nagyon kedvező pozíciót foglal el, nagyjából a centrumtól a szélig tartó távolság kétharmadára helyezkedik el. Ha a Naprendszer túl közel lenne a Galaxis centrumához, akkor egy fekete lyuk leselkedne rá, aminek a sugárzási tere ráadásul olyan erős lenne, hogy ott az élet lehetetlenné válna. Ha pedig a Naprendszer a centrumtól túl távol lenne, akkor meg nem lenne elég sok nehéz elem, ami szükséges az életformák felépítéséhez.

A tudósok sok olyan szempontot tudnak felhozni, amelyek mindegyike szerint a földi élet szerencsés határokon belül helyezkedik el. Ward és Brownlee csillagászok amellett érvelnek, hogy olyan szűk határok, finomhangolt-zónák között élünk, hogy a földi intelligens élet talán egyedülálló a Galaxisban, netán még az egész Univerzumban is. Egy érdekes listában sorolják fel, hogy a Földnek pont az a megfelelő óceánmennyisege, lemeztektonikai aktivitása, oxigéntartalma, hőtartalma, tengelydőlésszöge stb. van, ami az intelligens élet kialakulásához szükséges. Ha a Föld ezeknek a lehetséges keskeny sávoknak akárcsak az egyik tekintetében is a sávhatáron kívülre kerülne, akkor mi most nem lennénk itt, hogy ezekről a kérdésekről elmélkedjünk.

Vajon a Föld azért került ezeknek az érzékeny zónáknak a közepére, mert Isten szerette? Juthatunk azonban olyan következtetéshez is, ami nem az istenség fogalmán alapul. Talán a térben milliónyi halott bolygó létezik, amelyek túl közel vannak a csillagukhoz, amelyek holdja túl kicsiny, amelyek Jupiterje nem elég nagy, vagy amelyek túl közel vannak a galaktikus centrumhoz. A zónákban történő ilyen szerencsés elhelyezkedés nem jelenti szükségszerűen azt, hogy Isten egy különleges áldást bocsátott ránk; egyszerű egybeesés is lehet, egy ritka példány a térben lebegő, a zónák közepét messze elkerülő milliónyi halott bolygó között. Démokritosz görög filozófus - aki először tételezte fel az atomok létezését

- azt írta, hogy „Végtelen számú és méretű világ létezik. Néhányban nincsen Nap és Hold. Másokban egynél több Nap és Hold van. A világok közötti távolság nem egyenlő és némely irányban több van belőlük... Egyik a másikkal ütközve hozza létre megsemmisülésüket. Néhány világ szűkölködik állatokban, növényvilágban és nedvességben."

Valóban, 2002-re a csillagászok már 100, más csillag körül keringő, ún.

exobolygót fedeztek fel. (Ez a szám 2007-re már a háromszázat is meghaladta - a fordító.)

Az exobolygók felfedezési üteme olyan, hogy minden két hétre jut belőlük legalább egy új felfedezés. Mivel az exobolygók saját fényt nem bocsátanak ki, a csillagászok változatos, közvetett módszerekkel mutatják ki őket. A legmegbízhatóbb módszer az, amikor az anyacsillag ingadozását mérik meg, azaz amikor előre és hátra mozog amiatt, hogy a Jupiter méretű bolygójával együtt körbejárják a közös tömegközéppontot. Az ide-oda mozgó csillag fényének Doppler-eltolódását vizsgálva ki lehet számolni, milyen gyorsan mozog a valóságban, és a Newton-törvények felhasználásával a csillag bolygójának tömege kiszámítható.

„A csillagot és nagyméretű bolygóját mint egymás körül forgó táncpartnereket lehet elképzelni, akik kiterjesztett karjaikon át kapcsolódnak egymáshoz.

A kisebb partner egy nagyobb külső körön megy körbekörbe, a nagyobb partner viszont igen kis sugarú kört jár be önmaga körül. A nagyon pici belső kör a csillag „ingadozása", és ez az, amit észlelni tudunk miikor megfigyeljük a csillagot" - mondta a Carnegie Institute dolgozója, Denis McCarthy. Ez az eljárás már annyira pontos, hogy akár három méter/ másodpercnyi kicsiny változásokat is érzékelni lehet egy több száz fényévre lévő csillagban (ami a fürge séta sebessége).

Egy másik szellemes módszerrel még több bolygót lehetne találni. Olyan bolygót kell keresnünk, amely éppen elfedi az anyacsillagát és így a csillag előtt elvonuló bolygó kismértékben lecsökkenti a csillag fényességét.

Így vagy 20 éven belül a NASA űrinterferométereket fog a világűrbe küldeni, amelyek képesek lesznek kisebb, Föld méretű bolygók felfedezésére is. (Mivel az anyacsillag fénye túlragyogja a bolygóét, ez a műhold a fényinterferenciát fogja használni az anyacsillag erős fényének kizárására, és így a Föld-szerű bolygó fényét akadálytalanul felfoghatjuk.) Az eddig felfedezett Jupiter méretű bolygók egyike sem hasonlít Földünkre, és valószínűleg mind halott. A csillagászok erősen excentrikus pályáikon fedezték fel őket, vagy igen közel vannak a csillagukhoz; mindkét esetben egy, a rendszerben lévő másik, Föld-szerű bolygót illetően kiírható, hogy az életnek megfelelő zónában forduljon elő. Ezekben a renderekben ugyanis a Jupiter méretű bolygó keresztezi a lakható zónát és bármely kicsiny Föld-szerű bolygót kirepít a külső terekbe, és ezáltal megakadályozza, hogy élet alakuljon ki azon a bolygón abban a formában, amilyen formában az életet mi megismertük.

A nagyon excentrikus pályák megszokottak - olyan közönségesek, hogy amikor 2003-ban egy „normális" naprendszert fedeztek fel, akkor az a címlapokra került. Egyesült államokbeli és ausztráliai csillagászok egyaránt bejelentették a HD 70 642 jelű csillag körüli, Jupiter-méretű bolygó felfedezését. Ebben a Jupiternél kétszer nagyobb méretű bolygóban az volt a szokatlan, hogy majdnem körpályán kering a csillaga körül, körülbelül ugyanolyan messzire, mint a Jupiter a mi Napunktól. A jövőben a csillagászok várhatóan befejezik az összes közeli, potenciálisan bolygórendszerrel bíró csillag katalogizálását. „Azon dolgozunk, hogy a 150 fényéven belüli, Nap-szerű csillagok mindegyikét, azaz a mintegy 2000 legközelebbi Nap-szerű csillagot bevonjuk a vizsgálatba" - mondja a Washingtonban lévő Carnegie Institute munkatársa, Paul Butler. „Célunk kettős: először is végrehajtani a közvetlen világűrbéli környezetünk felderítését, utána megszerezni az alapvető kérdés megválaszolását célzó első adatokat: mennyire szokványos vagy éppen ritka a mi Naprendszerünk".

Kozmikus véletlenek

Az élet létrejöttéhez bolygónknak néhány százmillió éven át viszonylag stabilnak kellett maradnia. De egy olyan világot, ami ilyen hosszú időn át stabil, döbbenetesen nehéz készíteni.

Kezdjük azzal, ahogy az atomok létrejönnek: a ténnyel, hogy a protonok kissé könnyebbek, mint a neutronok. Emiatt a neutronok protonokká bomlanak el, amelyek alacsonyabb energiaállapotokat foglalnak el. Ha a proton csak egyetlen százalékkal nagyobb tömegű lenne, az bomlana el neutronná, és az összes atommag instabillá válna, majd szétesne. Az atomok szétrepülnének, lehetetlenné téve az életet.

Egy másik kozmikus véletlen, ami az életet lehetővé teszi az az, hogy a proton stabil és nem bomlik el antielektronná. A kísérletek megmutatták, hogy a proton élettartama tényleg csillagászati, sokkal hosszabb, mint az Univerzum jelenlegi életkora. Stabil DNS létrehozásának céljából a protonnak stabilnak kell lennie legalább néhány százmillió évig.

Ha a magerő kissé gyengébb lenne, akkor a deutérium és a hozzá hasonló atommagok szétrepülnének, és az Univerzum egyetlen eleme sem épülne fel nukleoszintézis útján a csillagok belsejében. Ha a magerő picit erősebb lenne, a csillagok nukleáris tüzelőanyagukat túlságosan is gyorsan elégetnék, és az életnek nem maradna ideje kifejlődni.

Ha a gyenge erő erősségét variáljuk, akkor megint arra jutunk, hogy az élet nem lehetséges. A neutrínók - amelyek egymással és más részecskékkel való kölcsönhatása a gyenge erőn alapul - rendkívüli fontosságú szerepet játszanak a szupernóva-robbanások során az energia kifelé történő szállításában. Ez az energia felelős a robbanásban keletkező, vason túli nehezebb elemek létrejöttéért. Ha a gyenge kölcsönhatás kissé még gyengébb volna, akkor a neutrínók keményebb kölcsönhatásban vennének részt, ami azt eredményezné, hogy a szupernóvák nem hoznák létre a vason túli elemeket. Ha a gyenge erő kissé erősebb volna, a neutrínók nem tudnának egy csillag magjából kiszökni, ami megakadályozná, hogy felépüljenek azok a nehezebb elemek, amelyek a testünket és a világunkat alkotják.

A tudósok tehát összeállították azt a hosszú listát, amelyen ezeket a „szerencsés kozmikus véletleneket" gyűjtötték össze. Amikor szembenézünk ezzel az imponálóan hosszú listával, akkor sokkol minket, hogy az Univerzum számos ismerős természeti állandója közül mennyinek kell egy rendkívül szűk sávba esnie ahhoz, hogy az élet lehetséges legyen. Ha ezen véletlenek közül akárcsak az egyiket is kissé megváltoztatjuk, akkor a csillagok soha nem jönnek létre, az Univerzum szétrepülne, a DNS nem létezne, az általunk ismert élet lehetetlen lenne, a Föld megfagyna vagy felforrna, és így tovább.

A csillagász Hugh Ross a szituáció rendkívüli voltát hangsúlyozva azzal a hasonlattal él, hogy a helyzet olyan, mint amikor egy roncstelepen lévő, elemi darabjaira szétszedett Boeing-747-es repülőgép egyedi alkatrészeit az ott dúló tornádó hirtelen felkapja, majd a szélvihar teljesen pontosan összeállítja a bonyolult repülőgépet.

Az antropikus elv

Minden fent ismertetett érvet és adatot az antropikus elvben foglalták össze. Számos nézőpont létezik, amiből rápillanthatunk erre a sokat vitatott elvre. Az én második osztálybeli tanárom úgy érezte, hogy ezek a véletlen egybeesések egy nagy terv vagy nagy tervező létezésére utalnak. Ahogy a fizikus Freeman Dyson mondta: „Olyan, mintha az Univerzum tudta volna, hogy jönni fogunk." Ez egy példa az erős antropikus elvre, ami az az elképzelés, hogy a fizikai állandók finomhangolása nem véletlen, hanem valamiféle tervezőre utal. (A gyenge antropikus elv mindössze annyit állít, hogy az Univerzum fizikai állandói olyanok, hogy az életet és a tudatot lehetségessé teszik.)

A fizikus Don Page az eltelt évek alatt számos különböző formában megszövegezett antropikus elveket a következőképpen csoportosította:

gyenge antropikus elv: „Hogy milyennek találjuk az Univerzumot, azt behatárolja az a követelmény, hogy nekünk, megfigyelőknek, léteznünk kell benne."

erős-gyenge antropikus elv: „a sokvilág univerzuma közül ... legalább egy világban az életnek ki kell alakulnia."

erős antropikus elv: „Az Univerzumnak olyan tulajdonságúnak kell lennie, hogy bizonyos idő elteltével az élet kialakuljon benne."

végső antropikus elv: „Az intelligenciának ki kell fejlődnie az Univerzumban, és soha nem halhat ki."

Vera Kistiakowsky egy olyan fizikus az MIT-n, aki komolyan veszi az erős antropikus elvet és azt állítja, hogy ez Isten létezésének egy jele. Szerinte „a fizikai világ tudományos megértése olyan tökéletes rendet mutat, hogy ez kiállt az isteniért". A részecskefizikus John Polkinghorne is e vélemény mellett foglal állást - ő a Cambridge Univesity-n lévő pozícióját adta fel és az anglikán egyház papjává szegődött. Azt írja, hogy az Univerzum „nemcsak „valami régi világ", hanem különleges és az életre finomhangolt, mivel egy olyan Teremtő alkotása, aki azt akarta, hogy ilyen legyen."

Csakugyan, maga Isaac Newton - aki a bolygók és a csillagok mozgását meghatározó, isteni beavatkozást nem tartalmazó és megváltoztathatatlan törvények gondolatát a tudományba bevezette - úgy vélte, hogy ezeknek a törvényeknek az eleganciája Isten létezésére vall.

A Nobeldíjas fizikus Steven Weinberg azonban nincs meggyőzve. Méltányolja ugyan az antropikus elv varázsát: „Az emberek számára szinte ellenállhatatlan, hogy higgyenek abban, hogy valami különleges kapcsolatunk van az Univerzummal, hogy az emberi élet nemcsak az első három percig visszanyúló többé-kevésbé nevetséges véletlenek sorozatának a végterméke, hanem valamiképpen a kezdetektől be vagyunk építve [az Univerzumba]." De arra a következtetésre jut, hogy az erős antropikus elv „alig több misztikus hókuszpókusznál."

Mások még kevésbé vannak meggyőződve az antropikus elv erejéről. A néhai Heinz Pagels fizikusra egy időben mély benyomást tett az antropikus elv, de végső soron elvesztette az érdeklődését iránta, mert az elv semmilyen prediktív erővel nem bír. Az elv ellenőrizhetetlen, és semmi mód nincs arra, hogy bármi újabb információt csiholjunk ki belőle. Ehelyett üres tautológiák végtelen folyama árad belőle - vagyis, hogy mi azért vagyunk itt, mert itt vagyunk.

Guth is elveti az antropikus elvet, azt állítva, hogy „Nehezen hihető, hogy bárki is használná az antropikus elvet, ha valamire van jobb magyarázata is. Sosem hallottam még például, hogy az antropikus elvet a világtörténelemre alkalmazták volna... Az antropikus elv valami olyasmi, amit az emberek akkor csinálnak, ha semmi jobbat nem tudnak kitalálni."

Multiverzum

Más tudósok, például a Cambridge University-ben dolgozó Sir Martin Rees azt gondolják, hogy ezek a kozmikus véletlenek a multiverzum bizonyítékát adják. Rees úgy véli, az a tény, hogy többszáz „véletlen egybeesés" hihetetlenül keskeny sávjában élünk, csak úgy oldható fel, ha párhuzamos univerzumok millióinak a létezését posztuláljuk. Az univerzumok e multiverzumában a legtöbb univerzum halott. A proton nem stabil. Atomok soha nem kondenzálódnak. DNS soha nem formálódik. Az univerzum gyorsan összeomlik vagy szinte rögtön kifagy. A mi univerzumunkban kétségtelenül kozmikus véletlenek egész sorozata következett be, de nem szükségszerűen azért, mert Isten keze így akarta, hanem az átlagok törvénye alapján.

Nem véletlen - véli Rees, aki Anglia Királyi Csillagásza -, hogy az Univerzum úgy van finomhangolva, hogy lehetővé teszi az élet létezését. Az élet lehetővé tételéhez szükséges nagyon vékony sávba kerüléshez az univerzumnak egyszerűen túl sok véletlen kellene. „A látszólagos finomhangolás, amelytől a mi létezésünk függ, véletlen egybeesés lehet" írja Rees.

„Én valaha így gondoltam. De manapság ez a kép túlságosan korlátozottnak tűnik... Ha egyszer elfogadjuk, Univerzumunk számos különböző, látszólag speciális tulajdonsága - amelyeket néhány teológus a Gondviselés vagy tervezés bizonyítékaként hoz fel - nem okoz meglepetést." Rees ezeknek az elgondolásoknak a számszerűsítésével megpróbált érveket is hozzáadni fejtegetéseihez. Azt állította, hogy az Univerzumot látszólag hat szám kormányozza, amelyek mindegyike mérhető és értékük

finoman be van állítva. E hat számnak ki kell elégítenie az élet feltételeit, máskülönben halott univerzumokat fognak kelteni.

Az első ezek közül az Epszilon, amelynek az értéke 0,007, ami azt jelenti, hogy magfúzióval a hidrogén ennyied része alakult át héliummá az Ősrobbanásban.13 Ha ez a szám 0,006 lenne 0,007 helyett, akkor ez gyengébb erős kölcsönhatást jelentene, és a protonok meg a neutronok nem lennének egymáshoz kötve. Az egy protonból és egy neutronból álló deutérium nem jött volna létre, és így a nehezebb elemek a csillagokban nem alakultak volna ki, a testünk atomjai nem lennének, és az egész Univerzum hidrogéngázként oszlott volna szét. Az erős kölcsönhatás apró legyengítése is ahhoz vezet, hogy a kémiai elemek periódusos rendszerében instabilitás jön létre, és ezért az élethez szükséges elemek közül kevesebb lenne stabil.

Ha Epszilon 0,008 lenne, akkor a fúzió olyan gyorsan végbement volna, hogy semmi hidrogén nem élte volna túl az Ősrobbanást, és akkor jelenleg a csillagok nem szolgáltatnának fényt és hőt a bolygóknak. Vagy talán két proton is kötött állapotot alkotna, ami a csillagok belsejében kizárja a magfúziót. Rees utal arra, hogy már Fred Hoyle észrevette, hogy ha a magerőben négyszázalékos eltolódás lenne, akkor a csillagokban a szén nem tudna felépülni, így pedig a nehezebb elemek keletkezése és az élet válik lehetetlenné. Hoyle úgy találta, hogy ha valaki kicsit is megváltoztatná a magerőt, akkor a berillium annyira instabil lenne, hogy nem tudna „hidat képezni" a szénatomok kialakulásához.

13 Valójában e=0,007 a hélium tömegdefektusa, azaz a héliumatommag tömege 7 ezrelékkel kisebb négy proton tömegének összegénél. Ez a magerők erősségének indikátora, ami - több más kozmológiai paraméterrel együtt - közvetve meghatározza az Ősrobbanást követően héliummá alakult hidrogén arányát. Ez az arány mintegy 24%. (A szaklektor megjegyzése.)

A második szám az N, ami 1036-nal egyenlő, az elektromos és a gravitációs erő arányát jelenti, és azt mutatja, hogy a gravitációs erő milyen gyenge. Ha a gravitáció még gyengébb lenne, akkor a csillagközi felhők nem tömörödnének össze csillagokká, és nem lenne képes a csillagok belsejében akkora hőmérsékletet kelteni, ami szükséges a magfúzióhoz. Ezért a csillagok nem világítanának, és a bolygók fagyos sötétségbe merülnének. Ha a gravitáció parányit erősebb lenne, az azt okozná, hogy a csillag túl gyorsan túl meleggé válnának, és az üzemanyagukat olyan gyors égetnék el, hogy nem hagynának időt az élet elindulására. Az erősebb gravitáció azt is jelentené, hogy a galaxisok korábban alakulnának ki nagyon kicsik lennének. A csillagok sokkal sűrűbben lennének belézsúfolva és ezért gyakoriak lennének a különböző csillagok és bolygók közötti katasztrofális következményű ütközések.

A harmadik szám az Omega, az Univerzum relatív sűrűsége. Ha Omega túl kicsi lenne, akkor az Univerzum túl gyorsan tágulna és túl gyorsan hűlne ki. De ha Omega túlságosan nagy lenne, akkor az Univerzum hamarább összeomlana, mint ahogy az élet elkezdődhetne benne. Rees azt írja hogy „Egy másodperccel az Ősrobbanás után, Omega nem különbözhet egytől jobban, mint egy a milliószor milliárd résszel (1:10^15) ahhoz, hogy mára, úgy 10 milliárd évvel később az Univerzum még mindig tágulásban van, és Omega jelenkori értéke az egytől nem tér el lényegesen."

A negyedik szám a Lambda, ami az Univerzum gyorsulását szabja meg. Ha csak néhányszor nagyobb lenne, akkor ez azt okozná, hogy az Univerzum hatalmasra felfúvódik, ami azonnali Nagy Fagyba küldené a Világegyetemet és így az élet lehetetlenné válik De ha a kozmológiai állandó negatív lenne, akkor az Univerzum összehúzódna és hevesen rohanna a Nagy Reccsbe, túl gyorsan ahhoz, hogy élet alakuljon ki. Másképp fogalmazva, a kozmológiai állandó, akárcsak Omega, egy bizonyos, nagyon szűk tartománybeli értéket kell, hogy felvegyen ahhoz, hogy az élet lehetséges legyen

Az ötödik szám a Q, a kozmikus háttérsugárzásban jelenlévő irregularitásokat leíró paraméter, ami 10-5-nel egyenlő. Ha ez a szám árnyalatnyit kisebb lenne, akkor az Univerzum extrém módon egyforma lenne mindenütt, élettelen gázból és porból állna, ami sohasem sűrűsödik össze a ma látható csillagokká és galaxisokká. Az Univerzum sötét, egyenletes, jellegtelen és élettelen lenne. Ha Q nagyobb lenne, akkor az Univerzum törté netében az anyag túl korán kezdene összesűrűsödni hatalmas szupergalaktikus struktúrákká. Ezek a „hatalmas anyagcsomók óriási fekete lyukakká kondenzálódnának" - mondja Rees. Ezek a fekete lyukak nagyobb tömegűek volnának, mint egy egész galaxishalmaz. Még ha csillagok ki is alakulnának ezekben az óriási halmazokban, olyan szorosan zsúfolódnának össze, hogy maguknak a bolygórendszereknek a létezése lenne lehetetlenség.

Az utolsó szám a D, a térdimenziók száma. Az Melmélet keltette érdeklődés miatt a fizikusok visszatértek ahhoz a kérdéshez, hogy kisebb vagy nagyobb dimenziószámok esetén lehetségese az élet. Ha a tér egydimenziós, akkor az élet valószínűleg lehetetlen benne, mert az Univerzum nagyon egysíkú. Amikor a fizikusok a kvantumelméletet az egydimenziós univerzumokra próbálják alkalmazni, akkor úgy találják, hogy a részecskék áthatolnak egymáson anélkül, hogy kölcsönhatnának egymással, így aztán nagyon valószínű, hogy az egydimenzióban létező univerzumok nem segítik elő az élet kialakulását, mert a részecskék nem tudnak egymáshoz tapadni és így összetettebb objektumokat nem hoznak létre.

Kétdimenzióban is problémáink vannak, mivel a létrejövő életformák valószínűleg szétesnek. Képzeljünk el egy asztallapon élő, kétdimenziós élőlényekből álló fajt, akiket Síkföldieknek nevezünk és akik megpróbálnak étkezni. A szájuktól a hátsó felükig vezető bélcsatorna e síklakókat kettészelné, és így szétesnének. Ezért nehéz elképzelni, hogy a Síkföldiek hogyan létezhetnek anélkül, hogy ne esnének szét vagy ne válnának szét különálló darabokra.

A biológiában szintén van egy érv amellett, hogy háromnál kevesebb térbeli dimenzióban nem létezhetnek értelmes lények. Agyunk egymással erős elektromos összeköttetésben álló hatalmas számú neuronok hálózatából áll. Ha az Univerzum egy-vagy kétdimenziós lenne, akkor nehéz lenne összetett neurális hálózatokat konstruálni. Kevesebb dimenzióban a kis területen elhelyezhető neuronok és komplex logikai áramkörök számát illetően komoly korlátok vannak. Például a mi agyunk körülbelül 100 milliárd neu- ronból áll, nagyjából annyiból, ahány csillag van a Tejútrendszerben, és mindegyik neuron hozzávetőleg 10 000 másik neuronnal van összeköttetésben. Ilyen fokú komplexitást kevesebb dimenzióban nehéz létrehozni. Négy térdimenzióban más probléma merül fel: a bolygók Nap körüli pályája nem stabil. Newton fordított négyzetes törvényét egy fordított köbös törvény váltja fel. Einstein egyik közeli barátja, Paul Ehrenfest 1917-ben azon töprengett, vajon más dimenziókban milyen lehet a fizika. A Poisson-Laplace-egyenletnek nevezett relációt vizsgálta (ami a planetáris testek mozgását, valamint az atomokban lévő elektromos töltéseket irányítja), és úgy találta, hogy négy vagy több térdimenzió esetében a pályák nem stabilak. Mivel az atomokbeli elektronok és a naprendszerbeli bolygók véletlenszerűen ütköznének, ez azt jelenti, hogy atomok és a Naprendszer valószínűleg nem létezhet magasabb dimenziókban. Másképp fogalmazva, a háromdimenzió különleges.

Rees szerint az antropikus elv egyike a multiverzumok mellett szóló legmeggyőzőbb érveknek. Ugyanazon a módon, ahogy a Föld létezését előmozdító finomhangolt-zónák létezése exobolygók létezésére utal, az Univerzum létezését lehetővé tévő aranyfürt-zónák léte arra utal, hogy létezhetnek párhuzamos univerzumok. Rees ezt úgy kommentálja, hogy „Ha létezik egy óriási ruhalerakat, akkor nem vagyunk meglepődve, hogy találunk olyan darabot, ami pont jó ránk. Ha rengeteg univerzum létezik, amelyek mindegyikét különböző számkombinációk kormányoznak, akkor lesz majd egy, amelyikben a számok különleges kombinációja éppen megfelel az életnek. Mi az egyik ilyenben vagyunk jelen." Másképp fogalmazva, a mi Univerzumunk ilyen módon lett, mert a nagy számok törvénye alapján a multiverzumban lévő univerzumok közül kell legalább egy ilyennek lennie, tehát az Univerzum nem egy fenséges tervező műve.

Úgy tűnik, Weinberg egyetért ezzel. Weinberg a multiverzumelképzelést megnyerőnek találja. Ő soha nem kedvelte azt az ötletet, hogy az Ősrobbanáskor az idő hirtelen virágba szökkent és előtte soha nem létezett. A multiverzumban az univerzumok örökösen keletkeznek.

Van egy másik, kissé nyakatekert ok is, amiért Rees a multiverzumelképzelést részesíti előnyben. Szerinte az Univerzum kis mennyiségű „csúnyaságot" tartalmaz. Például a Föld pályája kissé elliptikus. Ha tökéletes kör lenne, akkor a teológusok mintájára érvelhetnénk úgy, hogy az Univerzum egy isteni cselekedet terméke. De nem kör alakú, azt sugallva, hogy a keskeny aranyfürt-zónákon belül bizonyos nagyságú véletlenszerűség jelen van. Hasonlóan, a kozmológiai állandó nem pontosan nulla, hanem kicsiny értékű, ami azt jelzi, hogy a mi Univerzumunk „nem különlegesebb annál, mint ami a létezésünkhöz szükséges." Ez mind-mind összhangban áll azzal, hogy Univerzumunk véletlenül jött létre.

Az univerzumok fejlődése

Inkább csillagász, mint filozófus lévén, Rees szerint a lényeg az, hogy mindezen elméleteknek ellenőrizhetőknek kell lenniük. Valójában ez az az ok, amiért ő maga a multiverzumelképzelést jobban kedveli, mint a konkurens, de inkább misztikus elméleteket. Úgy hiszi, a multiverzumelmélet a következő húsz évben ellenőrizhető lesz.

A multiverzum-elképzelések egyike valójában már ma is tesztelhető. A fizikus Lee Smolin Reesnél is tovább megy, és felteszi, hogy az univerzumok olyan típusú „fejlődése" megy végbe, ami a darwini evolúcióval analóg, végül pedig a mienkhez hasonló univerzumokhoz jutnak el az „evolúciójuk" során. A kaotikus inflációelméletben például a „leányuniverzumoknak" az anyauniverzumétól kissé különböző fizikai állandóik vannak. Ha az univerzumok fekete lyukakból sarjadnak ki - ahogy azt néhány fizikus véli -, akkor a legtöbb fekete lyukat tartalmazó univerzumok dominálják a multiverzumot. E szerint - az állatvilághoz hasonlóan - azok az univerzumok, amelyek a legtöbb „csecsemőuniverzumnak" adnak életet, végső soron dominánssá válnak azáltal, hogy „genetikai információikat" szétszórják - ez a genetikai információ a természet fizikai állandóit jelenti. Ha igaz, akkor a mi Univerzumunknak a múltban akár végtelen sok őse is lehetett, és a mi Univerzumunk az évtrilliók alatt végbement természetes szelekció mellékterméke. Más szavakkal, a mi Univerzumunk a legalkalmasabbak túlélésének a terméke, ami azt jelenti, hogy egy maximális számú fekete lyukat tartalmazó univerzumnak a gyermeke.

Noha az Univerzumok darwini fejlődése különös és újszerű ötlet, Smolin úgy véli, hogy a fekete lyukak számának meghatározásával egyszerűen ellenőrizhető. Univerzumunknak teljes mértékben előnyben kell részesítenie a fekete lyukak létrejöttét. (Akárhogy is, ehhez még valakinek be kellene bizonyítania, hogy a legtöbb fekete lyukkal rendelkező univerzumok kedveznek a mienkhez hasonló életformáknak.)

Az elképzelés tesztelhető, ehhez az ellenpéldákat vehetjük számba. Például talán megmutatható, hogy az Univerzum fizikai paramétereit változtatgatva a fekete lyukak legkönnyebben élettelen univerzumokban készíthetők. Például képesek lehetünk megmutatni azt, hogy a sokkal erősebb magerővel bíró univerzumokban a csillagok sokkal gyorsabban égetik el nukleáris üzemanyagukat, és így hatalmas számban lesznek szupernóvák, amelyek fekete lyukakat hagynak maguk után. Egy ilyen univerzumban a magerő nagyobb értéke azt jelenti, hogy a csillagok rövid ideig élnek, és ezért az élet el sem kezdődhet. Az ilyen univerzumban szintén több fekete lyuk lehet, és ez cáfolja Smolin elképzelését. Ennek az ötletnek az előnye az, hogy ellenőrizhető, reprodukálható vagy cáfolható (bármely igazi tudományos elméletnek ezek a próbái). Az idő fogja megmondani, hogy a gondolat fennmarad-e vagy sem.

Noha bármelyik féreglyukakat, szuperhúrokat és magasabb dimenziókat tartalmazó elmélet túl van jelenlegi kísérleti lehetőségeinken, a mostanában épülő és a közeljövőre tervezett új kísérletekkel el lehet dönteni, melyek korrekt elméletek és melyek nem. A kísérleti tudomány forradalmának közepén vagyunk, hatékony műholdak, űrtávcsövek, gravitációshullám-detektorok és lézerek fognak rendelkezésünkre állni, amelyekkel ezekre a kérdésekké megkereshetjük a válaszokat. Az ezektől az eszközöktől és a kísérletekből származó bőséges adathalmaz vizsgálata meg fog oldani néhányat a kozmológia legmélyebb kérdéseiből.

9. A tizenegyedik dimenzió visszhangjainak keresése Rendkívüli állítások rendkívüli bizonyítékokat igényelnek. CARL SAGAN

Párhuzamos univerzumok, dimenziókapuk és magasabb dimenziók: olyan különösnek tűnnek, hogy létezésüket hézagmentesen kell bizonyítani Ahogy azt a csillagász Ken Crosswell megjegyezte: „A más univerzumok megrészegítenek: bármit mondhatsz róluk, amiket csak akarsz és sose bizonyítják be, hogy rosszat mondtál, amíg a csillagászok nem látják őket Korábban reménytelennek tűnt ezeknek a jóslatoknak a többségét leellenőrizni, tekintve a mérőberendezéseink primitívségét. De a számítógépes lézerek és az űrtechnika újabb keletű fejlődésével sok ilyen elmélet közel került a kísérleti igazoláshoz.

Ezeknek az elképzeléseknek a közvetlen igazolása különlegesen nehéz lehet, de a közvetett igazolás nem lehet annyira messze. Néha elfelejtjük hogy a csillagászati eredmények többségét közvetetten érjük el. Például Napot és a csillagokat még senki nem látogatta meg, ezért amit tudunk összetételükről, azt ezeknek a ragyogó égitestek fényének vizsgálatából tudjuk. A csillagfény színképének a vizsgálatával közvetett úton tudjuk, hogy a csillagok főleg hidrogénből és némi héliumból állnak. Hasonlóképpen, soha senki nem látott fekete lyukat - a fekete lyukak ténylegesen láthatatlanok és közvetlenül nem észlelhetők. De mégis, létezésük közvetett bizonyítékait látjuk, amikor észleljük a körülöttük lévő akkréciós korongokat és ebből kiszámoljuk e halott csillagok tömegét.

Az összes ilyen kísérletben a csillagok és a fekete lyukak „echóit" (visszfényeit) nézzük azért, hogy tulajdonságaikat feltárjuk. A tizenegyedik dimenzió túl lehet azon, amit közvetlenül a markunkban tudunk tartani; a rendelkezésünkre álló új, forradalmi eszközökkel vannak módok, hogy az inflációt és a szuperhúrelméletet igazolhassuk.

A GPS és a relativitáselmélet

A Global Positioning System, röviden GPS (globális helymeghatározási rendszer) a legegyszerűbb példája annak, hogy a műholdak forradalmasították a relativitáselméleti kutatásokat. A GPS-ben huszonnégy műhold kering állandóan a Föld körül, és pontosan szinkronizált pulzusokat sugároznak ki, amelyek lehetővé teszik számunkra, hogy háromszögelés útján figyelemreméltóan nagy pontossággal határozzuk meg helyzetünket a Földön. A GPS a navigáció, a kereskedelem és a hadviselés lényeges elemévé vált. Az a lehetőség, hogy az autók belsejében elhelyezett, számítógépen tárolt térkép alapján mérföldeket utazhatunk, annak köszönhető, hogy a másodperc 50 milliárdomodnyi részének megfelelő pontosággal vagyunk képesek szinkronizálni a GPS-jeleket, mert ez szükséges ahhoz, hogy egy tárgy helyzetét a Föld felszínén 15 méteres pontossággal meghatározzuk. E hihetetlen nagy pontosság biztosításához a tudósainknak figyelembe kell venniük a Newton-törvényekhez hozzáadódó apró relativisztikus korrekciókat is, mert a világűrben keringő műholdról érkező jelek frekvenciája árnyalatnyit eltolódik. Ha ezektől a relativitáselméleti korrekcióktól meggondolatlanul eltekintünk, akkor a GPS órája minden nap a másodperc 40 milliárdomodnyi részével gyorsabban fog járni, és az egész rendszer megbízhatatlanná válik. Clifford Will, aki egyszer az Egyesült Államok Légierejének egyik tábornokát világosította fel az Einstein relativitáselméletéből származó kulcsfontosságú korrekciókról, azt mondta, akkor jött rá, hogy a relativitáselmélet beérett, amikor még vezető beosztású pentagonbeli tisztségviselőket is tájékoztatni kellett róla.

Gravitációshullám-detektorok

Mostanáig szinte mindent, amit a csillagászatban megtudtunk, az elektromágneses sugárzás különböző formáinak vizsgálatával tudtuk meg, legyen az csillagfény, rádióhullám vagy a távoli világűrből érkező mikrohullámú jel. Napjainkban a tudósok egy új közeget, magát a gravitációt kezdik használni új tudományos felfedezések megtételére. „Minden alkalommal, amikor egy új módszerrel vizsgáljuk az égboltot, egy új Univerzumot látunk" - mondta a CalTechen dolgozó Gary Sanders, a gravitációs hullámprojekt helyettes igazgatója.

1916-ban Einstein volt az, aki először vetette fel a gravitációs hullámok létezésének gondolatát. Vizsgáljuk meg, mi történne akkor, ha a Nap hirtelen eltűnne? Emlékszünk még arra a hasonlatra, amikor egy tekegolyó egy matracba süpped? Vagy egy még jobbra: amikor egy gumilepedőbe? Ha a golyót hirtelen elvesszük, a gumilepedő azonnal visszaugrik az eredeti helyzetébe, és lökéshullámokat kelt, amelyek a gumilepedő széle felé, kifelé fognak haladni. Ha a tekegolyót a Nappal helyettesítjük, akkor azt látjuk, hogy a gravitáció ilyen lökéshullámai egy jól meghatározott különleges sebességgel: fénysebességgel fognak terjedni.

Einstein később ugyan megtalálta az egyenleteinek egy olyan pontos megoldását, amely megengedi a gravitációs hullámok előfordulását, felhagyott azzal a reménnyel, hogy az ő életében valaha is láthatja jóslatának kísérleti igazolását. A gravitációs hullámok szélsőségesen gyengék.

Még az összeütköző csillagok keltette ilyen lökéshullámok sem elég erősek ahhoz, hogy a jelenlegi berendezésekkel észleljük.

Napjainkban a gravitációs hullámokat csak közvetett úton tudjuk megfigyelni.

Két asztrofizikus, Russell Hulse és ifj. Joseph Taylor azt gyanították, hogy ha a térben egymás körül keringő két neutroncsillagot vizsgálunk, akkor - mivel mindkét csillag gravitációs hullámokat sugároz ki - a pályájuk mérete lassan csökkenni fog hasonlóan azokhoz a nyomokhoz, amik a ragacsos mézben keletkeznek, ha megkeverjük. Két lassan, spirálisan egymás felé közeledő neutroncsillagot, a körülbelül 16 ezer fényévnyire lévő PSR 1913 + 16 jelű kettős neutroncsillagot vizsgálták meg. Ezek nagyjából hét óra 45 percenként kerülik meg egymást, és eközben folyamatosan gravitációs hullámokat sugároznak ki a világűrbe.

Einstein elméletének felhasználásával azt találták, hogy minden egyes fordulatban egy milliméterrel közelebb kerül egymáshoz a két csillag. Noha ez fantasztikusan kicsiny távolság, egy év alatt már egyméternyire szaporodik fel, és így a 435 ezer mérföld átmérőjű pálya lassan csökken. Úttörő munkájuk megmutatta, hogy a pályaméret csökkenése pontosan megfelel a gravitációs hullámokon alapuló, az Einstein-elméletből következő jóslatnak.

(Az Einsteinegyenletek pedig azt mutatják, hogy a két csillag 240 millió év múlva végül egymásnak fog csapódni, és energiájuk gravitációs hullámok formájában fog kisugárzódni a térbe.) Munkájukért 1993-ban elnyerték a Nobel-díjat.

Mehetünk visszafelé is, és ezt a precíz mérést magának az általános relativitáselmélet pontosságának a mérésére használhatjuk fel. Ha a számolást visszafelé végezzük el, akkor azt találjuk, hogy a relativitáselmélet legalább 99,7%-ig pontos.

A LIGO gravitációshullámdetektor

Ahhoz azonban, hogy a korai Univerzumról használható információt nyerjünk, a gravitációs hullámokat közvetlenül, nem pedig közvetett módon kell észlelni. 2003-ban befejeződött az első működőképes gravitációshullámdetektor, a LIGO azaz Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Lézerinterferometriás Gravitációshullám Obszervatórium) építése, és beteljesült egy több évtizedes álom: az a lehetőség, hogy az Univerzum titkait gravitációs hullámokkal kutassuk. A LIGO célja olyan kozmikus események feltárása, amelyek túl távoliak vagy túl aprók ahhoz, hogy a földi távcsövekkel észlelhessük, mint például az ütköző fekete lyukak vagy neutroncsillagok.

A LIGO két gigantikus lézerből áll, az egyik az USA északnyugati részén lévő Washington állambeli Hanfordban, a másik a délkeleti részén fekvő Louisiana állambeli Livingston Parish-ban található. Mindkét eszköznek két csöve van, amelyek mindegyike 2,5 mérföld hosszú, és egy óriási L-alakot alkotnak. Mindkét csőben egy-egy lézerforrás van. Az L sarkában mindkét lézersugár ütközik a másikkal, és egymással interferálnak. Normálisan, ha nincsen semmi zavar, a két hullám szinkronban van és ezért teljesen kioltják egymást. Ha az ütköző fekete lyukakból vagy neutroncsillagokból akár a leggyengébb gravitációs hullám is kisugárzódik, akkor ezek elérik a berendezést, amik az egyik kart összébb nyomják, a másikat pedig más mértékben megnyújtják. Ez a zavar elég ahhoz, hogy a két lézerforrás fényének kioltását megszüntesse. Eredményképp ahelyett, hogy a lézersugarak kioltanák egymást, jellegzetes interferenciamintázat jelenik meg, amelyet a számítógépek részletesen megvizsgálnak. Minél nagyobb a gravitációs hullám, annál nagyobb különbség lesz a két lézersugár útja között, és az interferenciamintázat annál jobban megváltozik.

A LIGO egy mérnöki csoda. Mivel a levegőmolekulák elnyelik a lézerfényt, a csövekből annyira leszívták a levegőt, hogy a megmaradt nyomás a légköri nyomásnak csak egy trilliomoda. Mindegyik detektor 300 ezer köblábnyi térfogatot foglal el, ami azt jelenti, hogy a LIGO a világ legnagyobb mesterséges vákuumozott helye. Ami a LIGO-nak ezt a nagy érzékenységét adja, az részben a tükrök tervezése, amelyeket apró mágnesek mozgatnak (mindegyiket hat mágnes), amelyek mindegyike hangyányi méretű. A tükröket olyan finomra csiszolták, hogy egy hüvelyk 30 milliárdomod részének megfelelően simák. „Ha a Föld ilyen sima lenne, akkor egy átlagos hegycsúcs nem emelkedne egy hüvelyknél (1 hüvelyk= 2,54 cm) magasabbra" - mondta Gari Lynn Billingsley, aki a tükröket ellenőrizte. A tükrök annyira törékenyek és kényesek, hogy csak kevesebb mint egymilliomod méternyit lehet őket mozgatni, ami a LIGO tükreit a földkerekség talán legtörékenyebb tükreivé teszi. „A legtöbb rend szerellenőrző mérnök letorkol minket, amikor meghallják, miket próbálunk csinálni" - mondta a LIGO egyik tudósa, Michael Zucker.

Mivel a LIGO tökéletesen ki van egyensúlyozva, a legvalószínűtlenebb forrásokból származó kicsiny, nem várt rezgések zavarják a megfigyeléseket. Például a Louisianában lévő detektort nem lehet napközben működ tetni azoktól a favágóktól, akik a berendezéstől 1500 lábnyira ( 1 láb30,58 cm) fákat döntenek ki. (A LIGO annyira érzékeny, hogy ha a favágás egymérföldnyire zajlana, az eszközt napközben akkor sem lehetne üzemeltetni.)

Még éjszaka is, az éjfélkor és reggel hatkor elhaladó tehervonatok keltette rezgések határolják be, hogy a LIGO milyen hosszan működhet folyamatosan.

Az olyan gyenge valamik, mint az óceán tengerpartot érő hullámai is befolyásolják az eredményeket. Az észak-amerikai partokat átlagosan minden hat másodpercben óceánhullámok mossák, amelyek halk mormogását a lézerek felfogják. A jel olyan alacsony frekvenciájú, hogy áthatol a Földön. „Olyan, mint egy morajlás" - mondja Zucker erről a kellemetlen zajról. „A louisianai hurrikánszezonban ez komoly fejfájást okoz." A Nap és a Hold gravitációja által keltett, a Földet ide-oda rángató árapályerők is befolyásolják a LIGO működését, amik nagyjából néhány milliomod hüvelyknyi zavart okoznak.

Ezeknek a hihetetlenül apró zavaró tényezőknek a kiküszöbölése érdekében a LIGO mérnökei rendkívüli megoldásokkal izolálták a berendezést. Mindegyik lézerforrás egymáson elhelyezett négy, rozsdamentes acéltömbön nyugszik, és mindegyik szintet rugókkal választották el egymástól, hogy eltompítsanak mindenféle rezgést. Mindegyik érzékeny optikai berendezésnek megvan a maga szeizmikus izolációs rendszere; minden emelet a falakhoz nem csatlakozó 30 hüvelyk vastag betondarabokból készült.

A LIGO egy nemzetközi konzorcium része, amelyben részt vesz még a francia-olasz VIRGO (ez az olaszországi Pisában van), valamint a japán TAMA (Tokiótól nem messze), és a brit-német GEO600, amely a németországi Hannoverben található. Minden egybevetve, a LIGO 292 millió dollárba kerül (további 80 millió dollárt költenek üzemeltetésre és a felmerülő javításokra), ezáltal ez a legdrágább projekt, amelyet az amerikai Nemzeti Tudományos Alap valaha finanszírozott.

Érzékenysége ellenére sok tudósnak az a véleménye, hogy a LIGO talán mégsem elég érzékeny ahhoz, hogy az élettartama alatt valóban érdekes eseményeket észleljen. A következő eszközfejlesztés a LIGO II lesz, amely ha a támogatást megadják - 2014-ben állna működésbe. Ha a LIGO nem fog egyetlen gravitációs hullámot sem detektálni, a várakozások szerint a LIGO II majd fog. A LIGO egyik tudósa, Kenneth Libbrecht azt állítja, hogy a berendezések érzékenysége a LIGOII-ben ezerszeresére nő: „Eljuthatunk a tízévenkénti egyetlen esemény észlelésétől addig, hogy három naponta veszünk majd egyet észre - ez nagyon jó lenne."

Ahhoz, hogy - 300 millió fényéven belül - két fekete lyuk ütközését a LIGO-val detektáljuk, egytől ezer évig terjedő időtartamot kellene várnunk. Nagyon sok csillagász azt gondolja az ilyen események LIGO-val való észlelésről, hogy majd az ő ük-ük-ük ... ükunokájuk lesz egy ilyen esemény tanúja. De a LIGO-nál dolgozó Peter Saulson azt mondja, hogy „Az embernek öröme telik abban, hogy ezeket a technikai kihívásokat megoldja, miközben úgy dolgozik, mint a középkori templomépítők, akik tudták, hogy ők maguk a kész katedrálist talán soha nem fogják már látni. Ha egy szikrányi esélye sem lenne annak, hogy az én életemben láthatunk gravitációshullám-érzékelést, akkor nem dolgoznék ezen a területen. Ez kérem csak a Nobel-láz miatt van... A pontosságnak azt a szintje, amiért mi hajtunk a munka befejezése érdekében, azt jelenti, hogy ha elérjük, mi vagyunk a legnagyobbak."

A LIGOII-vel sokkal nagyobb az esély arra, hogy még a mi életünkben találjunk egy tényleg érdekes eseményt. A LIGO II talán képes lesz arra, hogy sokkal távolabbi, hatmilliárd fényéven belüli feketelyuk-ütközéseket detektáljon, az ilyen események számát pedig napi tíztől évi tíz eseményig teszik.

A LISA gravitációshullámdetektor

A Laser Interferometry Space Antenna, röviden LISA (Lézerinterferometriás űrantenna) a gravitációs hullámdetektorok következő nemzedékét képviseli. A LIGO-val ellentétben ezt a világűrben helyezik majd el. A NASA és az Európai Űrügynökség három műholdat tervez a világűrbe indítani 2018 körül: a Nap körül fognak keringeni, úgy 50 millió kilométerre a Földtől. A három műholdon elhelyezett lézerforrás egy egyenlő oldalú háromszöget fog alkotni (a háromszög minden oldala 5 millió kilométer hosszú lesz). Mindegyik műholdon két lézerforrás lesz, így a másik két holddal folyamatos kapcsolatban tudnak lenni. Noha mindegyik lézerforrás csak fél watt teljesítménnyel bocsátja ki sugarait, a berendezés annyira érzékeny, hogy a gravitációs hullámokból származó nagyon kicsiny, akár 1 a milliárdszor billió részhez nagyságú rezgéseket is képes lesz érzékelni (ami egy magányos atom átmérője századának megfelelő elmozdulás). A LISA 9 milliárd fényéven belülről származó gravitációs hullámokat lesz képes érzékelni, ami majdnem az egész belátható Világegyetemet magában foglalja.

A LISA annyira érzékeny lesz, hogy talán magából az Ősrobbanásból származó gravitációs lökéshullámokat is képes lesz felfogni. Ez a keletkezés pillanatába történő legpontosabb eredményeket szolgáltató bepillantást tenné lehetővé. Ha minden a tervek szerint alakul, a LISA az Ősrobbanást követő egybilliomod másodpercig történő visszatekintést is lehetővé tenne, ami minden kozmológiára használt megfigyelőeszköz közül a leghatékonyabbá tenné. Úgy gondolják, hogy a LISA képes lehet a „minden elméletének", azaz az egyesített térelmélet pontos természetéről szóló első kísérleti adatokat megtalálni.

A LISA egyik fontos célja, hogy az inflációs elmélet „füstölgő fegyverét" megtalálja. Eddig az inflációs elgondolás minden kozmológiai adattal összhangban áll (simaság, a kozmikus háttér fluktuációi, és így tovább), de ez nem jelenti azt, hogy az elmélet helyes. Az elmélet végső megerősítéséhez a tudósoknak a gravitációs hullámokat kell megvizsgálniuk, azokat a hullámokat, amelyek magának az inflációs folyamatnak a végetérésekor keletkeztek.

Az Ősrobbanás pillanatában létrejött gravitációs hullámok „ujjlenyomata" perdöntő lesz az inflációs elmélet és a rivális elméletek között. Néhányan, mint például a CalTechen dolgozó Kip Thorne úgy véli, hogy a LISA képes lesz elmesélni, vajon a húrelmélet melyik változata a korrekt. Ahogy azt már a 7. fejezetben említettem, a felfúvódó világegyetem elmélete azt jósolja, hogy az Ősrobbanásból előbukkanó gravitációs hullámok nagyon hevesek lesznek, megfelelően annak a ténynek, hogy a korai Univerzum gyorsan, exponenciálisan tágult, míg az ekpyrotikus modell egy sokkal gyengébb tágulást jelez előre, amikhez sokkal simább gravitációs hullámok társulnak. A LISA az Ősrobbanás különböző rivális elméletei közül képes lesz kiselejtezni néhányat, és a húrelmélet egy nagyon alapos, kulcsfontosságú tesztelését hajtja majd végre.

Einstein-lencsék és -gyűrűk

Jelenleg az Univerzum felfedezésében használt másik erős fegyver az „Einstein-gyűrűk" és a gravitációs lencsék használata. Johan Georg von Soldner berlini csillagász már 1801-ben ki tudta számolni, hogy a Nap gravitációja mennyire téríti el a csillagok fényét (noha, mivel Soldner szigorúan a newtoni fizika szerint számolt, eredményében egy kettes faktornyi hiba volt. Einstein azt írta, hogy „A Nap newtoni vonzástere ennek az elhajlásnak a felét produkálja, a másik fele a tér geometriájának Nap okozta módosításából származik.")

Még mielőtt befejezte volna az, általános relativitáselmélet végső változatát, Einstein már 1912-ben arról elmélkedett, hogy ezt a fényelhajlást „lencseként" lehetne használni, ami ugyanúgy viselkedik, mint ahogy a szemüveg töri meg a sugarakat, mielőtt a szemünket elérnék. Egy cseh mérnök, Rudi Mandl 1936-ban azt kérdezte írásban Einsteintől, hogy vajon egy ilyen gravitációs lencse egy közeli csillag fényét felerősíthetné-e? A válasz igenlő volt, de ennek megfigyelése meghaladta az akkori technika szintjét.

Einstein azt is észrevette, hogy optikai illúziókat látnánk, mint például egy objektum képének a megkettőződését, vagy a fény gyűrűszerű eltorzulását.

Egy nagyon távoli galaxisról a Nap felé haladó fény szétválhat, a Napot jobbról és balról is megközelítheti, mielőtt a két fénysugár újra egyesül és eléri a szemünket. Amikor egy távoli galaxist csodálunk, egy gyűrűszerű mintázatot láthatunk, ami az általános relativitáselmélet által létrehozott illúzió. Einstein arra jutott, hogy „nincs sok remény e jelenség közvetlen észlelésére." Azt írta, hogy „e munkának kevés értéke lenne, de egy szegény fickót [Mandlt] boldoggá tenne."

Negyven évvel később - 1979-ben - a lencsehatás első fontos bizonyítékát a Jodrell Bank Observatoryban dolgozó Dennis Walsh találta meg, aki a a Jodrell Bank Observatoryban dolgozó Dennis Walsh találta meg, aki a ban észlelték az MG1131 +0456 rádióforrás körül. A Hubbleűrtávcső és az Egyesült Királyság MERLIN rádiótávcső-rendszere 1997-ben kapta el az első teljes Einstein-gyűrűt a távoli 1938+666 jelű galaxis esetében, újra megerősítve az Einstein-elmélet helyességét. (A gyűrű apró, mindössze egy ívmásodpercnyi, mintha egy apró pénzérmét két mérföldről néznénk.) A csillagászok így írták le azt az izgalmat, amit ennél a történelmi eseménynél éreztek: „Első pillantásra műhibának nézett ki, és azt gondoltuk, a képen valamiféle hiba van, de aztán felismertük, hogy egy tökéletes Einstein-gyűrűt látunk!" - mondta a manchesteri egyetemen dolgozó Ian Brown.

Mára az Einstein-gyűrűk az asztrofizikusok fegyvertárának lényeges eszközévé váltak. Nagyjából 64 kettős, hármas és többszörös kvazárt (az Einstein-féle lencsehatás okozta illúziókat) látunk a világűrben, vagyis nagyjából minden ötszázból egy kvazár esetében észleljük.

Még a láthatatlan anyagformák, mint a sötét anyag is, „láthatóvá" lesznek az általuk okozott fényelhajlás vizsgálatával. Ilyen módon az Univerzumban lévő sötét anyag eloszlását fel lehet „térképezni". Mivel az einsteini lencsehatás a nagy galaxishalmazok képét gyűrűk helyett inkább ívekké alakítja, lehetőség nyílik az ezekben a halmazokban lévő sötét anyag koncentrációjának a becslésére. 1986-ban fedezték fel az első gigantikus méretű galaxisíveket a National Optical Astronomy Observatoryban, a Stanford Universityn és a franciaországi Középső-Pireneusokban dolgozó csillagászok.

Azóta galaxisívek százait fedezték fel, a legdrámaibbat az Abell 2218 jelű galaxishalmazban.

Az Einstein-lencsék az Univerzumban található MACHO-k számának független eljárással való megmérésére is felhasználhatók. (MACHO: Massive Compact Halo Object, azaz nagytömegű kompakt halo-objektum, ami főleg normális anyagból, halott csillagokból, barna törpékből és porfelhőkből áll.) 1986-ban a Princetonon dolgozó Bohdan Paczynski ismerte fel, hogy ha egy MACHO elvonul egy csillag képe előtt, akkor egy második képet hozhat létre és felerősítheti a csillag fényét.

Az 1990-es évek elején tudósok több csoportja (mint például a francia EROS, az amerikai-ausztráliai MACHO, és a lengyel-amerikai OGLE) elkezdte az eljárást a Tejútrendszer közepére alkalmazni, és több mint ötszáz ilyen mikrolencse-eseményt találtak. (Többet, mint amennyit vártak, mivel az ilyen jellegű események zömét kistömegű csillagok, és nem valódi MACHO-k okozták.) Ugyanez az eljárás alkalmazható lenne más csillagok körül keringő exobolygók megfigyelésére is. Mivel a bolygó kicsiny, de észrevehető gravitációs hatást fejt ki az anyacsillag fényére, az Einsteinlencsézést elviekben megfigyelhetnénk. Máris számos exobolygó-jelöltet találtak ezzel a módszerrel, sokat közülük a Tejútrendszer centruma felé.

A Hubbleállandó és a kozmológiai állandó is mérhető az Einstein-lencsék alkalmazásával. A Hubble-állandót egy körmönfont észlelési eljárás felhasználásával lehetne meghatározni. A kvazárok néhány napos-hónapos időközönként rendszeresen felfényesednek és elhalványodnak; ezért azt várhatnánk, hogy a megkettőződött képű kvazárok esetében - amikor a két kép ugyanannak az objektumnak a két leképződése - ezek az oszcillációk ugyanabban az ütemben következnek be mindkét képen. A valóságban ezek az ikerképek nem igazán ugyanabban az ütemben oszcillálnak. Az anyag ismert eloszlásából a csillagászok kiszámolhatják az időkésés arányát ahhoz az időhöz képest, amire a fénynek szüksége van, hogy elérjen a Földig. A kettős képen mutatkozó felfényesedések közti időkülönbség megmérésével azonnal adódik az időkésés, és így a kvazár távolsága meghatározható. Vöröseltolódásának ismeretében már a Hubbleállandó is kiszámítható. (Ezt az eljárást a Földtől 14 milliárd fényévre lévő Q0957+561-es kvazárra alkalmazták először. Azóta hét másik ilyen kvazár esetében is sikerült megmérni a Hubble-állandót. Hibahatáron belül az így kapott eredmények egyeznek a más módszerekkel mért értékekkel.

Ami nagyon érdekes ebben az eljárásban az az, hogy teljesen független a csillagok, mint például a cefeida változók vagy az la típusú szupernóvák abszolút fényességétől, így ez az, eljárás az azokra alapozott eredmények független ellenőrzését szolgáltatja.)

A kozmológiai állandót - az Univerzumunk jövőjét illető kulcsparamétert

- szintén meg lehetne mérni ezzel a módszerrel. A számítások kissé bonyolultak, de ugyancsak egyezést mutatnak a más módszerekből leszármaztatott eredményekkel. Mivel az Univerzum térfogata milliárd évekkel ezelőtt kisebb volt, ezért annak a valószínűsége, hogy Einsteinlencsézést mutató kvazárokat találunk, a múltban nagyobb volt, így a kettős kvazárok számának az Univerzum különböző fejlődési korszakában történő megmérésével az Univerzum térfogata durván megbecsülhető, és ebből lehet leszármaztatni a kozmológiai állandót, ami az Univerzum tágulását hajtja. Ezzel a módszerrel a kozmológiai állandó első durva becslését a Harvard Smithonian Center for Astrophysics csillagászai 1998-ban tették közzé, és arra jutottak, hogy a kozmológiai állandó az Univerzum teljes anyagés energiatartalmának valószínűleg nem több, mint 62%-a. (A WMAP eredménye 73%.)

Sötét anyag a nappaliban

Ha az egész Univerzumot át kell, hogy hassa, akkor a sötét anyag nem létezhet csak a tér hideg vákuumában. Meg kell találni a nappalinkban is. Napjainkban számos kutatócsoport verseng, hogy laboratóriumaikban elsőként csalják csapdába a sötét anyag részecskéit. A tét nagy: amelyik csapat elsőként képes a detektoraiba csapódó sötétanyag-részecskéket befogni, az lesz az első, aki az utóbbi kétezer évben az anyag egy új formáját figyelte meg.

E kísérletek mögött meghúzódó központi gondolat az, hogy nagy tisztaságú anyagblokkjaink legyenek (például nátriumjodid, alumínium-oxid, freon, germánium vagy szilícium), amelyekkel a sötét anyag részecskéi kölcsönhatásba lépnek. A sötét anyag részecskéi alkalomszerűen egy atom magjával ütközhetnek, és egy jellegzetes bomlási sort hoznak létre. Az ebben a bomlásban keletkező részecskék nyomait fotografikusan megörökítve, a tudósok képesek a sötét anyag jelenlétét kimutatni.

A kísérletezők okkal optimisták, mivel berendezéseik érzékenysége jó lehetőségeket kínál a sötét anyag észleléséhez. Naprendszerünk 220 kilométer/másodperc sebességgel kering a Tejútrendszer közepén lévő fekete lyuk körül. Ennek következtében bolygónk nagy mennyiségű sötét anyagon halad keresztül. A fizikusok úgy becsülik, hogy világunk minden másodpercében négyzetméterenként a sötét anyag milliárdnyi részecskéje repül át - beleértve testünk felületét is.

Noha a „sötét anyag szelében" élünk, ami keresztülfúj a Naprendszeren is, a laboratóriumokban a kísérletezőknek nagyon nehéz feladatot kell végrehajtaniuk, mivel a sötét anyag részecskéi nagyon kevéssé hatnak csak kölcsön a közönséges anyaggal. Például a tudósok várakozása az, hogy egy kilogramm anyagban évente valahol egy század és tíz ilyen esemény között lesz majd a bekövetkező kölcsönhatások száma. Másképp fogalmazva, hatalmas mennyiségű közönséges anyagot kellene figyelni hosszú éveken át, hogy a sötétanyag-részecskékkel történő ütközéseket megpillanthassuk.

Eddig az ilyen jellegű kísérletekkel nem tapasztaltak még egyetlen ilyen eseményt sem, és ezek a kísérletek a következők voltak: az UKDMC az Egyesült Királyságban; a ROSEBUD a spanyolországi Canfrancban; a SIMPLE a franciaországi Rustrelben; és az Edelwies az ugyancsak franciaországi Rejulban. A Rómához közeli, DAMA-nak rövidített kísérlet egy kis kavarodást okozott 1999-ben: ekkor az ott dolgozó tudósok egy gyenge sötétanyag-részecskét jelentettek. Mivel a DAMA 100 kilogramm nátriumjodidból áll, ez a legnagyobb ilyen jellegű detektor a Földön. Amikor más detektorokkal megpróbálták a DAMA eredményét reprodukálni, semmit sem találtak, ami a DAMA eredményeit kétségessé tette.

A fizikus David B. Cline megjegyezte, hogy „Ha a detektorok regisztrálnak és megerősítenek egy jelet, akkor az a 21. század egyik legnagyobb eredménye lesz... A modern asztrofizika legnagyobb rejtélye megoldódik." Ha a sötét anyagot nemsokára megtalálják - amint azt oly sok fizikus reméli -, akkor az elég erős támogatást ad a szuperszimmetriának (és talán, némi idő elteltével, a szuperhúrelméletnek is) anélkül, hogy ehhez részecskegyorsítókat használnánk atomok szétzúzására.

Susy (szuperszimmetrikus) sötét anyag

A szuperszimmetria által megjósolt részecskékre vetett gyors pillantás azt mutatja, hogy számos olyan valószínű jelölt van, ami megmagyarázhatná a sötét anyagot. Ezek egyike a neutralínó, egy olyan részecskecsalád, ami a foton szuperpartneréből áll. Elméletileg a neutralínó illeszkedik az adatokhoz.

Nemcsak semleges elektromos töltésű, és ezért láthatatlan, de nagytömegű (tehát egyedül a gravitáció hat rá), továbbá stabil is. (Azért stabil, mert a családjában előforduló bármely részecske közül ő a legkisebb tömegű, ezért nem tud alacsonyabb állapotba tovább bomlani.) Végül, és talán ez a legfontosabb, az Univerzumnak tele kellene lennie neutralínókkal, ami ideális sötétanyag-jelöltté teszi.

A neutralínóknak van egy nagy előnyük: megoldhatnák az Univerzum anyagának és energiatartalmának 23%-át kitevő sötét anyag rejtélyét, miközben a hidrogén és a hélium ebből mindössze csak 4%-ot tud megmagyarázni.

Idézzük fel, hogy amikor az Univerzum 380 ezer éves volt, akkor a hőmérséklet annyira lecsökkent, hogy az atomok többé nem estek szét az Ősrobbanás forrósága okozta gyakori, egymással történő ütközésektől. A táguló tűzgömb abban az időben kezdett lehűlni annyira, hogy stabil, egész atomokká kondenzálódjon. Hogy a mai atomok előfordulási gyakoriságának mi az oka, az durván eddig az időszakig nyúlik vissza: az Univerzum ekkorra hűlt le annyira, hogy stabil anyag tudjon formálódni. Ugyanez a gondolatmenet használható fel a neutralínók gyakoriságának a kiszámítására is. Nem sokkal az Ősrobbanás után a hőmérséklet olyan hatalmas volt, hogy az ütközések a neutralínókat is lerombolták. De ahogy az Univerzum hűlt, bizonyos idő elteltével a hőmérséklet lecsökkent annyira, hogy kialakulásuk után a neutralínók nem zúzódtak szét azonnal az ütközésekben. A neutralínók gyakorisága ehhez a korai időszakhoz tér vissza. Amikor a számítást elvégezzük, azt találjuk, hogy a

neutralínók gyakorisága sokkal nagyobb, mint az atomoké, és körülbelül megfelel a sötét anyag ma megfigyelt gyakoriságának. A szuperszimmetrikus részecskék ezért tudják megmagyarázni annak okát, hogy a sötét anyag mennyisége miért múlja felül az Univerzumban megfigyelhető közönséges anyagét.

Sloan-égboltfelmérés

Noha a 21. században elért haladás jó része, beleértve a műholdakat is, a műszerpark fejlesztéséből származott, ez nem jelenti azt, hogy a földi optikai és rádiótávcsövekkel végzett kutatások partvonalon kívülre kerültek volna. A digitális forradalom hatása megváltoztatta az optikai és rádiótávcsövek használatának módját, és galaxisok százezreinek statisztikai analízisét tette lehetővé. Ennek az új technikai forradalomnak köszönhetően a földi távcsövek napjainkban élik másodvirágzásukat.

A világ legnagyobb távcsöveinek használatára korlátozott idő áll rendelkezésre, és ezért az időért igen sokat harcoltak egymás között a csillagászok.

Féltékenyen őrizték minden egyes percüket, amit ezekre a távcsövekre kaptak; sok éjszakán át sok órát töltöttek el nehéz munkával hideg, nyirkos szobákban. Az ilyen divatjamúlt észlelési eljárás nagyon kevéssé volt hatékony, és gyakran lobbantott lángra a csillagászok között viszályokat, akik úgy érezték, hogy egyesek „főpapként" monopolizálják a távcső-időt. Mindez megváltozott az internet eljöttével és a nagysebességű számítógépekkel.

Manapság sok távcső teljesen automatizált, és a több ezer mérföldre, különböző kontinenseken lévő csillagászok programozzák be őket. Ezeknek a tömeges csillagfelméréseknek az eredményei digitalizált formában elérhetők az interneten, és nagyteljesítményű szuperszámítógépek elemzik ezeket. E digitális eljárások erejének az egyik szép példája a SETI@home, a kaliforniai Berkeley University projektje, amely a Földön kívüli élet jeleinek keresésére irányul. Az arecibói rádiótávcsővel kapott hatalmas mennyiségű adatot apró, digitális darabokra vágták fel, és ezeket a darabkákat az interneten keresztül szétküldik szerte a világban található PC-kre, főként amatőrök PC-ire. Amikor ezeket a PC-ket éppen nem használják, akkor a mellékelt program képernyőkímélő üzemmódban elemezni kezdi ezeket az adatszeleteket, és intelligens jelekre vadászik. Ezt a módszert használva, a kutatócsoport a világ legnagyobb számítógépes hálózatát alkotta meg, a Föld minden pontjáról körülbelül ötmillió PC-t kapcsolva be.

Napjainkban az Univerzum digitális feltárásának legprominensebb példája a Sloan Sky Survey (Sloan Égboltfelmérés), amely az égboltfelmérések történetében a valaha volt legambiciózusabb vállalkozás. A korai Palomar Égboltfelméréshez hasonlóan, amelyben mára már ódivatúnak számító terjedelmes méretű fotólemezeket használtak, a Sloan Égboltfelmérésben is az égbolton látott objektumok pontos térképét készítik

el. (Pontosabban csak az égbolt kb. egyharmadáról - a fordító.) A felmérés

során a távoli galaxisok fényességeit meghatározzák és ebből öt különböző színben egy háromdimenziós térképet készítenek el, beleértve körülbelül egymillió galaxis vöröseltolódásának a megmérést is. A Sloan Égboltfelmérés eredményeképp az Univerzumnak egy olyan nagy skálájú térképe lesz a kezünkben, amely néhány százszor több adatot tartalmaz, mint amiket a korábbi erőfeszítésekben elértek. Az egész Univerzum egynegyedét példátlan részletességgel feltérképezi, és meghatározza körülbelül 100 millió égitest fényességét és pozícióját. Több mint egymillió galaxis és körülbelül 100 ezer kvazár vöröseltolódását is megméri. A felmérésből kapott adatok mennyisége 15 terabájtnyi lesz, ami a Kongresszusi Könyvtárban található információmenyiséggel mérhető össze.

A Sloan Égboltfelmérés lelke egy Új-Mexikóban található 2,5 méter nyílású távcső, amelybe a valaha készített legfejlettebb kamerát építették be. 30 érzékeny, CCD-nek (Töltéscsatolt Eszköz, Charge Coupled Device) nevezett vákuumozott elektronikus fényérzékelőt tartalmaz, mindegyik két négyzethüvelyk nagyságú. Mindegyik szenzort -80 °C-ra hűtötték le folyékony nitrogénnel, és mindegyik négymillió fényérzékelő képpontot tartalmaz. A távcső által begyűjtött fényt azonnal digitalizálják ezekkel a CCD-kkel és rögtön egy számítógépbe kerülnek további adatfeldolgozásra. Kevesebb mint 20 millió dollárból - ami a Hubbleűrtávcső árának egy százada - a program az Univerzum káprázatos képét mutatja be. Ennek a digitalizált adatmennyiségnek egy jó részét aztán felteszik az internetre, ahol a világ csillagászai elmerülhetnek benne, így a világ tudósainak egész szellemi potenciálja is hasznosítható. A múltban a harmadik világ csillagászai igen sokszor nem juthattak hozzá a legfrissebb tudományos újságokhoz és a távcsövekről érkező új adatokhoz. Emiatt a tudományos tehetségek gyakran elsikkadtak. Az égboltfelmérések adatait most azonban letölthetik, elolvashatják a tudományos cikkeket, amint azok

feltűnnek az interneten ( ez az állítás csak korlátozottan igaz: általában egy-három évnek el kell telnie, amíg az adatok és a cikkek elérhetővé válnak mindenki számára, ami még mindig fennmaradó versenyhátrányt jelent nagyon sok ország számára - a fordító), és saját

közleményeiket a fény sebességével tehetik közzé a weben.

A Sloan Egboltfelmérés a csillagászat művelését is megváltoztatta, mivel csak néhány évvel ezelőtt is lehetetlen volt, hogy valaki galaxisok százezreinek

együttes vizsgálatára építse fel tanulmányát. Például 2003 májusában spanyol, német és egyesült államokbeli csillagászok egy csoportja bejelentette, hogy 250 ezer galaxisban kerestek bizonyítékot sötét anyag jelenlétére. Ebből az óriási számú galaxisból csak háromezer olyanra koncentráltak, melyekben csillaghalmazok láthatók. Newton mozgástörvényeit használva elemezték az egyes csillaghalmazok mozgását, és kiszámolták a galaxisok centruma körüli sötét anyag mennyiségét. Ezek a tudósok máris kizártak egy triviális elméletet. (Egy alternatív elmélet szerint - amit még 1983-ban vetettek fel - a galaxisokon belüli anomális csillagpályák a Newton-törvények módosításával megmagyarázhatók. Talán a sötét anyag a valóságban nem is létezik, hanem a Newton-törvények konkrét alakja hibás. A felmérés adatai azonban kétségbe vonják ezt az elképzelést.)

2003 júliusában egy másik német-amerikai kutatócsoport 120 ezer közeli galaxis vizsgálatát jelentette be, amelyek mindegyikének adatát a Sloan Égbolt-felmérésből vették. Ebben a vizsgálatban a galaxisok egyes tulajdonságai és a bennük lévő fekete lyukak közötti kapcsolatot elemezték. A kérdés az volt: mi volt először, a fekete lyuk, vagy a fekete lyukat tartalmazó galaxis? Ennek a vizsgálódásnak az eredménye az volt, hogy a galaxisok és a bennük lévő központi nagyon nagytömegű fekete lyuk kialakulása szorosan egymáshoz kapcsolódott, és feltehetően együtt keletkeztek.

Megmutatták, hogy a megvizsgált 120 ezer galaxisból mintegy 20 000 tartalmazott olyan központi fekete lyukat, amelyek még mindig növekednek (ellentétben a Tejútrendszer fekete lyukjával, ami jelenleg nyugalomban lévőnek tűnik). Az eredmény azt mutatja, hogy azok a galaxisok, amelyekben a fekete lyukak mérete és tömege még mindig növekvőben van, sokkal nagyobbak a Tejútrendszernél, és az ezekben lévő fekete lyukak relatíve hideg gáz elnyelésével folytatják a növekedésüket.

A termikus fluktuációk kompenzálása

Egy másik módszer, amellyel az optikai távcsövek új életre kelnek, a földi légkör torzulásainak lézerekkel történő kompenzálása. Túl a légkörön, a világűrben, a csillagok folyamatosan ragyognak az űrhajósokra, itt a Földön azonban a légkörön keresztül nézzük őket, és a földi légkör apró termikus fluktuációi pislogásra késztetik a fényüket. Ez a pislogás adja meg az éjszakai égbolt csodálatosságát, de egy csillagász számára rémálmot jelent, mivel e miatt az égitestek képe elkenődik. (Gyerekkori emlékeimben a Mars bolygó bolyhos képe tűnik fel, és azt kívántam, bárcsak láthatnám a vörös bolygó kristálytiszta képét valahogy. Arra gondoltam, hogy ha a fénysugarak újracsoportosításával a légkör zavaró hatásait ki tudnánk küszöbölni, akkor az talán a földönkívüli élet titkát is megoldhatná.)

Egy lehetőség ezeknek az elmosódott képeknek a kiküszöbölésére lézerek, nagysebességű számítógépek használata, amik meghatározzák, hogy milyen torzulásokat kell a képből kivonni. Ez az eljárás az „adaptív optika", amelyet többekkel együtt egy harvardi évfolyamtársam, nevezetesen a Lawrence Livermore National Laboratoryban dolgozó Claire Max dolgozott ki, és az eljárást rendszeresen használják a Hawaiin lévő W. M. Kecktávcsőnél (a világ legnagyobb tekeszkópja) és a kaliforniai Lick Observatory kisebb, 3 m-es távcsövénél is. (A könyv megírása óta eltelt időben egy

kanári-szigeteki spanyol távcső' átvette a „legnagyobb távcső" címet, és az adaptív optika is ennél jóval elterjedtebb - a fordító.)

A kép javítása úgy történik, hogy egy lézersugarat kilőnek a világűr felé, ami a felső légkörben lévő molekulákon egy „műcsillagot" hoz létre, és e műcsillag képének apró torzulásait figyelik. Ezt az információt számítógéppel elemzik, ami ezután a távcsőtükör alakját a tükröt nyomó kis tüskéken keresztül parányit korrigálja, és a csillagfény torzulásait kompenzálják, így a földi légkör hatásait majdnem teljes egészében ki lehet küszöbölni.

Az eljárást 1996-ban sikeresen tesztelték, és azóta a bolygók, a csillagok és a galaxisok tűéles képét rögzítik. A rendszer egy 18 watt teljesítményű hangolható lézer képét vetíti az égboltra. A lézert a 3 méteres távcsőre szerelik fel, és a távcső deformálható tükrének alakját úgy változtatják, hogy a légköri zavarokat kiszűrjék. Magát a képet egy CCD-kamera rögzíti és digitalizálja. Szerény költségvetésével a rendszer majdnem olyan képeket szolgáltat, mint a Hubbleűrtávcső. Ezzel az eljárással a külső bolygókon finom részleteket láthatunk, és a kvazárok szívébe pillanthatunk mindez új életet lehelt az optikai távcsövekbe.

A módszer a Kecktávcső felbontóképességét tízszeresére növelte meg. A hawaii Keck Observatory ötezer méter magasan a tengerszint felett lévő Mauna Kea nevű alvó vulkán tetején helyezkedik el, és két, 270 tonna tömegű ikertávcsőből áll. Mindegyik tükör 10 méter átmérőjű, és 36 darab hatszögletű elemből áll, amelyek mindegyikét egymástól függetlenül vezérlik a számítógépek. 1999-ben a Keck II távcsőre adaptív optikát szereltek fel, ami egy kis, deformálható tükörből áll, és e tükör alakját másodpercenként 670-szer lehet megváltoztatni. Ezzel a mérőberendezéssel fotózták le a Tejútrendszer közepén lévő fekete lyuk körül keringő csillagokat, továbbá a Neptunuszt, a Szaturnusz Titán nevű holdját és még egy olyan exobolygót is, ami a Földtől 153 fényévre lévő anyacsillagát fedi el rendszeresen.

A HD 209 458 csillagról érkező fény pontosan akkor csökkent le, amikorra azt megjósolták: a bolygó csillag előtti átvonulása pillanataiban.

Összekapcsolt rádiótávcsövek

A számítógépes forradalom a rádiótávcsövekbe is új életet lehelt. A múltban a rádiótávcsöveket a tányérjuk mérete korlátozta. Minél nagyobb a tányér átmérője, annál több rádiójelet gyűjthet be az űrből, amit aztán vizsgálni lehet. De minél nagyobb a tányér, annál többe kerül. E probléma megoldásának egyik lehetősége az, hogy néhány tányért összekötnek egymással, amivel egy szupernagy felbontóképességű rádiótávcső teljesítményét érik el. (A legnagyobb rádiótávcső-rendszer, amit a Földön még össze lehet így kötni, akkora lehet, mint maga a Föld.) A korábbi erőfeszítések, hogy Németországban, Olaszországban és az Egyesült Államokban lévő rádiótávcsöveket kössenek össze, részben sikeresek voltak.

Az egyik probléma ezzel a módszerrel az, hogy a különböző rádiótávcsövekről érkező jeleket nagyon pontosan kell összekombinálni, és ezeket aztán fel kell vinni a számítógépre. A múltban ez nagyon nehézkes volt. Az internet korának elérkeztével, meg az olcsó, nagysebességű számítógépekkel azonban az eljárás költségei meredeken lezuhantak. Manapság az effektíve Föld méretű rádiótávcső-méretek nem tartoznak az álmok közé. Az Egyesült Államokban ezt a fajta interferometriát alkalmazó technikák közül a legfejlettebb a VLBA Very Large Baseline Array, Nagy Bázishosszúságú Elrendezés), amiben tíz rádióantennát helyeztek el különböző helyszíneken, például Új-Mexikóban, Arizonában, New Hampshireben, Washington Államban, Texasban, a Virgin-szixeteken és Hawaiin. Mindegyik VLBA-állomás egy óriási, 82 láb (kb. 25 méter) átmérőjű és 240 tonna tömegű tányérból áll, mindegyik olyan magas, mint egy tízemeletes ház. Mindegyik állomáson gondosan mágnesszalagra rögzítik a rádiójeleket, amit aztán az Új-Mexikói Socorro Operations Centerbe (Socorro Műveleti Központ) postáznak, ahol korreláltatják és elemzik az adatokat. 1993-ban a rendszer 85 millió dollárba került.

Az erről a tíz állomásról érkező tíz adathalmaz összevetésével hatékony, óriási rádióteleszkóphoz jutunk, amely 8000 kilométer átmérőjűnek felel meg, és a Földről készíthető legélesebb képek közül sokat éppen ezzel lehet elkészíteni. A felbontóképesség megfelel annak, mintha New York Cityben álldogálnánk, és onnan olvasnánk el egy Los Angelesben lévő újságot.

A VLBA-val szupernóva-robbanások és kozmikus nyalábkilövellések „mozifilmjét" lehetett megörökíteni, és ezzel a berendezéssel sikerült a valaha volt legpontosabb távolságmérést is végrehajtani egy Tejútrendszeren túli objektumról.

A közeljövőben optikai teleszkópok is kihasználhatják az interferometria

erejét (a könyv megírása óta eltelt időben ez meg is történt - a fordító),

de a rövidebb hullámhosszak miatt ez nagyon nehéz lesz. Létezik egy terv, miszerint a két, Hawaiin működő Keck-távcsőről érkező fényt

interferáltatnák, lényegében egy olyan óriási optikai teleszkópot hozva létre, amilyen még soha nem volt.

A tizenegyedik dimenzió keresése

A sötét anyag és a fekete lyukak kutatásán túl a fizikusok számára a tér és az idő magasabb dimenzióinak keresése is nagyon érdekes. A Boulderben lévő Colorado Universityn szomszédos univerzumok létezését próbálták meg igazolni nagyon ambiciózus módon. Az ottani tudósok Newton híres fordított négyzetes törvényétől való eltéréseket próbálták megmérni. A gravitáció newtoni elmélete szerint két test között ható vonzóerő a köztük lévő távolság négyzetével csökken. Ha a Föld Naptól való távolságát megdupláznánk, akkor a köztük lévő gravitációs erő 2 négyzetének reciprokával, azaz negyedére csökkenne. Ez pedig a tér dimenzióinak számát méri.

Napjainkig a gravitáció newtoni törvénye a galaxisok hatalmas halmazait is beleértve, kozmológiai távolságokon is érvényes maradt. De nem ellenőrizték kielégítően a gravitációs törvényt nagyon kicsi távolságokon, mert ez különösen nehéz feladat. Mivel a gravitáció nagyon gyenge, a legapróbb zavaró hatás is tönkreteheti a kísérletet. Még egy közelben elhaladó teherautó is olyan rezgéseket kelt, amelyek a két apró objektum között fellépő gravitációs erő kimérését lehetetlenné teszik.

A Colorado University fizikusai egy érzékeny mérőberendezést építettek, amit nagyfrekvenciás rezonátornak neveznek, és - ilyen pici méreteken először - ez az eszköz egytized milliméteres távolságon is képes a gravitáció törvényének érvényességét ellenőrizni. A kísérlet két, vákuumban gravitáció törvényének érvényességét ellenőrizni. A kísérlet két, vákuumban szer rezgetik meg mint valami ugródeszkát. A fizikusok ezután olyan rezgéseket keresnek, amelyek a másik rúdon lépnek fel. A hatás, ami a másik rudat rezgésre készteti, csak a vákuumon keresztül terjedhet. A mérőeszközök olyan érzékenyek, hogy a második rúd mozgását akkor is érzékelik, ha azt egymilliárdomod grammnyi homok ereje okozná. Ha a newtoni gravitációs törvénytől bármi eltérés mutatkozna, akkor a második rúdon apró zavarok jelennének meg. De még ha 108 milliomod méter is volt a távolság, ilyen eltéréseket és zavarokat a fizikusok nem találtak. „Eddig Newton állja a sarat" - mondta az olaszországi trentói egyetemen dolgozó C. D. Hoyle, aki a Nature magazin számára foglalta össze a kísérleteket. Az eredmény negatív volt, de csak fokozta azoknak a fizikusoknak az étvágyát, akik mikroszkopikus szinten szerették volna a Newton-féle gravitációs törvény érvényességét ellenőrizni.

Egy másik kísérletet a Purdue Universityn terveznek végrehajtani. Az ottani fizikusok a newtoni gravitációs törvénytől való esetleges eltéréseket nem milliméteres, hanem egyenesen atomi szinten akarják kimérni.

Ehhez nanotechnológiát kívánnak alkalmazni, és a mérést a nikkel 58-as és 64-es tömegszámú izotópjai között kívánják elvégezni. Az izotópok azonos kémiai és elektromos tulajdonságúak, de e két izotóp közül az egyikben hattal több neutron van, mint a másikban. Lényegében az izotópok csak tömegükben térnek el egymástól.

Ezek a tudósok egy Casimir-eszközt képzelnek el: ez két, elektromosan semleges lemezből áll, amelyek egyikét az egyik, a másikat a másik fajta izotópból készítik el. Ha ezek a lemezek közel vannak egymáshoz, akkor normál esetben semmi sem történik, mert a lemezeknek nincsen elektromos töltése. Ha viszont extrém közel helyezzük el őket egymáshoz, akkor fellép a Casimireffektus, és a két lemez egymást kissé vonzani kezdi, és ez az effektus a laboratóriumban kimérhető. De mivel a két lemezt a nikkel különböző izotópjaiból készítették, a tömegüktől függően kissé más elmozdulást fognak mutatni, mert másképp reagálnak a gravitációra. A Casimireffektus maximalizálása érdekében a lemezeket a lehető legközelebb kell egymáshoz elhelyezni. (Az effektus nagysága fordítottan arányos a lemezek közötti távolság negyedik hatványával, ezért az effektus nagyon nagy ütemben erősödik, amint a lemezeket egymás felé közelítik.)

A Purdue fizikusai a nanotechnológia által kínált lehetőségeket kívánják felhasználni, hogy a lemezeket atomi távolságokká tudják elhelyezni egymástól. A lemezek apró oszcillációinak kimérésére csúcstechnikájú elektromechanikus torziós oszcillátort használnak. A nikkel-58 és nikkel-64 tartalmú lemezek viselkedésében mutatkozó bármilyen eltérés csak a gravitációnak tulajdonítható. Ilyen módon remélik megmutatni, hogy van-e a newtoni mozgástörvényektől bármilyen kicsiny eltérés atomi méretskálákon. Ha ezzel a szellemes eszközzel sikerülne eltéréseket találni e híres törvényektől, az jele lehet egy, tőlünk atomi távolságban levő magasabb dimenziójú univerzum jelenlétének.

A nagy hadronütköztető (LHC)

Az az eszköz, amely ezeket a kérdéseket határozottan eldöntheti, az a befejezéséhez közeli állapotban lévő (e könyv megjelenése után, 2008-ban üzembe is helyezett) Nagy Hadronütköztető (LHC), amely a híres CERN magfizikai laboratóriumban található a svájci Genf közelében. A világunkban természetes módon előforduló különös anyagfajtákon végzett kísérletektől eltérően, az LHC energiája talán elegendő lesz ezeknek az anyagfajtáknak a laboratóriumban való közvetlen előállításához. Az LHC-val igen kicsi távolságokat lehet kutatni, egészen a 10-19 méterig, azaz a proton méreténél tízezerszer kisebb méretekig, és olyan hőmérsékletét fog kelteni, amilyet az Ősrobbanás óta nem láttunk. „A fizikusok biztosak abban, hogy a természetnek vannak még olyan titkai, amelyeket az itt keltett ütközésekben le kell tudni leplezni - köztük van talán az egzotikus Higgsbozon is, talán a szuperszimmetriának hívott titokzatos hatás bizonyítékát találjuk meg, vagy talán valami egészen váratlant, ami az egész elméleti fizikát a feje tetejére állítja majd" - írta a CERN korábbi főigazgatója (jelenleg a londoni University College elnöke), Chris Llewellyn Smith.

A CERN berendezéseivel máris 7000 tudós áll kapcsolatban, akik a bolygón lévő kísérleti fizikusok több mint a felét teszik ki. És legtöbbjük részt vesz az LHC kísérletekben.

Az LHC egy nagyon nagy, 27 kilométer átmérőjű, kör alakú berendezés

- elég nagy ahhoz, hogy a Föld legnagyobb városai közül sokat teljesen körbekeríthetne. Hosszú alagútja keresztezi a francia-svájci határt is. Megépítése olyan sokba került, hogy számos európai nemzetnek kellett összefognia a megvalósításához.

Az LHC nagy, kör alakú, vákuumozott kamrákból áll, amelyek körül a stratégiai helyeken óriási mágnesek vannak, hogy a részecskeáramot kör alakú pályára kényszerítsék a csőben. Ahogy a részecskék köröznek, a kamrákban újabb és újabb energiaadagokra tesznek szert, és így a proton sebessége megnő. Amikor a sugárnyaláb végül eléri a céltárgyat, titáni erejű sugárzás keletkezik. Az ütközésből származó töredékdarabkákat (ligamentumokat) a detektorok lefényképezik, hogy új, egzotikus, szubatomi részecskékre utaló bizonyítékokat keressenek.

Az LHC tényleg egy mammutberendezés. Míg a LIGO és a LISA esetében az érzékenységet növelték meg jelentősen, az LHC-nál a végsőkig elmentek az erő brutális növelésében. Nagyteljesítményű mágnesei - amelyek a protonnyalábot görbítik tetszetős ívvé - 8,3 Tesla erejű mágneses teret létesítenek, ami a Föld mágneses terénél 160 ezerszer nagyobb. Ilyen nagy mágneses tér előállításához a fizikusoknak 12 000 amper erősségű áramot kell belepréselniük a tekercsekbe, amiket viszont -271 °C-ra kell hűteniük, mert ott a tekercsek elvesztik az ellenállásukat és szupravezetővé válnak. (összességében 1232 darab 15 méter hosszú mágnes van a berendezésben, amelyeket a gépezet kerületének 85%-a mentén helyeztek el.

Az alagútban a protonok - mielőtt elérnék a céltárgyat - a fény sebességének 99,999999 százalékára gyorsulnak fel, és ezek a céltárgyak az alagút négy különböző pontján helyezkednek el, amelyeken ütközések milliárdjai mennek végbe majd minden másodpercben. Ezeken a helyeken nagyméretű detektorok vannak (a legnagyobb egy hatemeletes ház méretű), hogy a nehezen megfogható szubatomi részecskékre és azok törmelékdarabjaira vadásszanak.

Amint azt Smith már korábban említette, az LHC egyik célja a nehezen megfogható Higgsbozon megtalálása, ami a Standard Modell azon utolsó darabja, ami mindeddig kicsúszott a kezünkből. Ez egy nagyon fontos részecske, mert a részecskék elméletében ez a bozon felelős a spontán szimmetriatörésekért, és a kvantumvilágban ez a részecske kelti életre a tömeget.

A Higgs-bozont illető becslések szerint tömege valahol 115 és 200 milliárd elektronvolt között van (a proton ezzel ellentétben csak egymilliárd elektronvolt tömegű). (A Chicagóban lévő Fermilab Tevatron nevezetű sokkal kisebb berendezés lehet azonban az első, amelyik bezsebeli a folyton megszökő Higgsbozon felfedezéséért járó elismerést, amennyiben a Higgsbozon tömege nem túl nagy. Elvben a Tevatron - ha úgy fog működni, ahogy azt tervezik - másodpercenként 10 000 Higgs-bozont kelt. Az LHC azonban hétszer nagyobb energián kelti a részecskéket. 14 trillió elektronvolttal játszva elképzelhető, hogy az LHC a Higgs-bozonok „gyárává" válik, minthogy minden protonütköztetésében milliónyi ilyen bozont hoz létre.)

Az LHC másik célja, hogy olyan körülményeket teremtsen, amilyenekre az Ősrobbanás óta nem volt példa. A fizikusok a lényeget tekintve úgy gondolják, hogy az Ősrobbanás eredetileg nagyszámú, extrém forró kvarkok és gluonok gyűjteménye volt, amit kvark-gluon-plazmának hívnak. Az LHC képes lesz előállítani ezt a kvark-gluon-plazmát, ami létezésének első 10 mikroszekundumában uralta az Univerzumot. Az LHC-ban 1,1 trillió elektronvolt energiával ólomatommagokat lehet ütköztetni. Ilyen kolosszális energiájú ütközésben a részt vevő négyszáz proton és neutron „megolvadhat", a kvarkok kiszabadulnak és forró plazmát alkotnak. Ily módon a kozmológia fokozatosan egyre kevésbé lesz megfigyeléses tudomány, és a laboratóriumokban készített kvark-gluon-plazmán végrehajtott kísérletek nyomán egyre inkább kísérleti jellegűvé válik.

Ugyancsak van remény arra nézve is, hogy az LHC ezeken a fantasztikusan nagy energiákon szétzúzott protonok törmelékdarabkái között talán talál mini fekete lyukakat (ahogy azt a 7. fejezetben említettük). Kvantumfeketelyukak általában a Planck-energián jönnek létre, ami ezerbilliószor több, mint az LHC-val előállított energiaszint. De ha léteznek párhuzamos univerzumok a mi Univerzumunktól egy milliméterre, akkor ez csökkenti azt az energiaszintet, amelyen ezek a kvantumgravitációs effektusok mérhetővé válnak, így a mini fekete lyukakat az LHC képességeivel is ki lehet mutatni.

És végül még arra is van remény, hogy az LHC képes lesz szuperszimmetriára utaló bizonyítékokat találni, ami a részecskefizikában történelmi áttörés lenne. A bizonyítékul szolgáló ilyen részecskék a természetben látott közönséges részecskék partnerei lennének. Noha a húrelmélet és a szuperszimmetria egyaránt azt vetíti elénk, hogy minden szubatomi részecskének van egy „ikertestvére", ami spinben különbözik tőle, a szuperszimmetriát a természetben eddig még soha nem észlelték, valószínűleg azért, mert a berendezéseink nem elég erősek a felfedezéséhez. A szuperrészecskék létezése két nyugtalanító kérdést is segíthetne megválaszolni.

Először is: helytálló-e a húrelmélet? Bár kiemelten nehéz húrokat közvetlenül észlelni, de a húrelmélet alacsonyabb oktávjait vagy rezonanciáit talán lehetséges megfigyelni. Ha a megfelelő részecskéket felfedezik, az nagy lépés lenne a húrelmélet kísérleti igazolása felé (ám ez nem lenne helyességének közvetlen bizonyítéka).

Másodszor: talán a leghihetőbb jelöltet szolgáltatná a sötét anyag magyarázatára.

Ha a sötét anyag szubatomi részecskékből áll, akkor ezeknek

a részecskéknek stabilnak és elektromosan semlegesnek kell lenniük (máskülönben láthatóak lennének), és képesnek kell lenniük a gravitációs kölcsönhatásra.

Mindhárom tulajdonság a húrelmélet által megjósolt részecskék tulajdonságai között van.

Amikor majd végre bekapcsolják, az LHC lesz a legnagyobb teljesítményű részecskegyorsító, ami valójában még egy esélyt jelent a fizikusoknak. Az 1980-as években ugyanis Ronald Reagan amerikai elnök elfogadta a Superconducting Supercollider (SSC) tervét, ami egy 50 mérföld kerületű monstrum lett volna, amelyet a texasi Dallas közelében építettek volna meg; az LHC eltörpült volna mellette. Míg az LHC a részecskéket 14 trillió elektronvolttal képes ütköztetni, az SSC-t úgy tervezték, hogy 40 trillió elektronvolt energiájú részecskeütközéseket hozzon létre. Az elképzelést kezdetben kedvezően fogadták, de a meghallgatások utolsó napjaiban az Egyesült Államok Kongresszusa hirtelen elvetette a tervet. Ez óriási arculcsapása volt a nagyenergiájú fizikának és egy egész generációval vetette vissza a terület fejlődését.

A viták elsődlegesen a gépezet 11 milliárdos költségvetése és a tudományos prioritások körül forogtak. A tudományos közösség sajnálatosan megosztott volt az SSC ügyében, néhány fizikus ugyanis azt állította, hogy az SSC elvonhatja a forrásokat saját kutatásaik elől. A nézeteltérések olyan hevesek voltak, hogy még a The New York Times is írt egy kritikus szerkesztőségi cikket arról a veszélyről, hogy a „nagy tudomány" megfojthatja a „kis tudományt". (Ezek az érvelések azonban félrevezetőek voltak, mivel az SSC költségeit más forrásokból finanszírozták volna, mint a kis tudományét. A valódi versenytárs a Nemzetközi Űrállomás volt, amit sok tudós valóságos pénzkidobásnak tartott.)

Visszatekintve, a nézeteltérések azt is megtanították, hogy olyan nyelvet kell beszélni, amit a nagyközönség megért. A szovjetek ugyanis az ő UNK részecskegyorsítójukat az SSC versenytársának tervezték felépíteni, és így bizonyos értelemben az amerikai nemzet presztízse és dicsősége forgott kockán. A Kongresszus végül azért fogadta el, hogy a fizikusok túlságosan nagy atomzúzókat használnak, mert a Szovjetunió szétesése miatt az UNK terve lekerült a napirendről és ez az SSC vitorláiból lassan kifogta a szelet.

Asztali gyorsítók

Az LHC-val a fizikusok lassacskán elérik a részecskegyorsítók jelenlegi generációjával elérhető energiaszintek felső határát, miközben ezek mérete mellett modern nagyvárosok törpülnek el és sok tízmilliárd dollárba kerülnek. Annyira hatalmasak, hogy felépítésüket a nemzetek csak egymással összefogva engedhetik meg maguknak. Új ötletekre és elgondolásokra van szükség ahhoz, hogy a konvencionális részecskegyorsítók helyett valami mással tágítsuk a határokat. A részecskefizika számára a Szent Grált olyan „asztali" gyorsítók jelentenék, amelyek több milliárd volt energiájú részecskenyalábokat volnának képesek létrehozni, de mind a méretük, mind az áruk a hagyományos gyorsítók töredéke lenne csak.

A probléma megértéséhez képzeljünk el egy váltóversenyt, ahol a futók egy nagyon nagy kör mentén helyezkednek el. A futók egy gumibotot adnak tovább a versenypálya körbefutása során. Minden alkalommal, amikor az egyik futó továbbadja a másiknak a gumibotot, a futó egy kis extra energiát is kap, és így gyorsabban fog futni a versenypályán, mint az előtte levő.

Ez a példa a részecskegyorsítóhoz hasonlít, ahol a gumibot a körpályán mozgó szubatomi részecskék nyalábjából áll. Minden egyes alkalommal, amikor a nyaláb az egyik futótól a másikhoz kerül, a nyaláb rádiófrekvenciás (RF) energiainjekciót kap, és egyre nagyobb sebességekre gyorsul fel. Ilyenek az utóbbi fél évszázadban épült részecskegyorsítók. Az ilyen konvencionális részecskegyorsítókkal az egyik probléma az, hogy elértük a gyorsító meghajtására használható RF energiák határát.

E kellemetlen probléma megoldása érdekében a tudósok a nyalábba történő energiapumpálás radikálisan más módszereivel kísérleteznek. Például lézersugarakat használnak, amelyek az energiát exponenciálisan növelik. A lézer egyik előnye, hogy „koherens" - azaz, a benne lévő fényhullámok pontosan „egy szólamban" rezegnek, és ez lehetővé teszi óriási erejű lézerek készítését. Manapság a lézernyalábok billió wattnyi (terawatt) nagyságú energialöketeket is képesek magukba zárni egy igen rövid időtartamra.

(Ezzel szembeállítható, hogy az atomerőművek ehhez képest csak milliárd wattnyi teljesítményt állítanak elő, de azt állandó ütemben.) Nemsokára elérhetők lesznek olyan lézerek, amelyek ezerbillió watt (petawatt) teljesítményűek lesznek.

A lézergyorsítók a következő elven működnek. A lézerfény elég meleg ahhoz, hogy plazmát hozzon létre (azaz ionizált atomokból álló gázt), ami aztán nagy sebességű, hullámszerű mozgást fog végezni, akárcsak egy árapályhullám. Ezután egy szubatomi részecskékből álló nyaláb kezd „szörfözni" a plazmahullámok által keltett pályán. Több lézerenergia bepumpálásával a plazmahullám nagyobb sebességgel fog mozogni, és így felgyorsítja a rajta szörföző részecskenyalábot. Nemrégiben egy 50 terawattos lézerrel az angliai Rutherford Aplleton laboratóriumban egy szilárd céltárgyat céloztak meg, amiből a lézer hatására 400 millió elektronvolt energiájú, kollimált protonnyalábot nyertek. A párizsi Ecole Polytechnique-ben ilyen eljárással egy milliméter távolságon 200 millió elektronvoltra gyorsítottak elektronokat.

Az eddig megépített lézergyorsítók még kicsik és nem túl erősek. De tegyük fel egy pillanatra, hogy megnövelhetők lennének ezek a gyorsítók akkorára, hogy nemcsak egy milliméteren, hanem egy egész méteren át tudnának működni. Ekkor az elektronokat 200 gigaelektronvolt energiára tudnák felgyorsítani egy méter távolságon, miközben teljesítenék egy asztali gyorsító célját is. Egy újabb mérföldkövet jelentett 2001-ben, amikorra SLAC (Stanford Linear Accelerator Center, Stanfordi Lineáris Gyorsítóközpont) fizikusai képesek voltak az elektronokat 1,4 méteren át gyorsítani.

Lézersugár használata helyett töltött részecskék beinjektálásával hozták létre a plazmát. Noha az elért energiaszint alacsony volt, a kísérlet demonstrálta, hogy létre lehet hozni egy méteren át hullámzó plazmát.

Ezen az ígéretes területen az előrehaladás nagyon gyors: az ilyen gyorsítókkal elérhető energia minden öt évben megtízszereződik. Ilyen ütem mellett az LHC tűnik az utolsó dinoszaurusznak. Noha ígéretes dologról van szó, rengeteg akadállyal kell szembenézni az ilyen asztali részecskegyorsítók esetén. A szörfözéshez hasonlóan, ahol a szörfösnek az óceán hullámain kell minél tovább lovagolnia, a nyalábot a plazmahullám tetején kell tartani, de ez nehéz feladat (a problémák a nyaláb fókuszálásához és intenzitásának,valamint stabilitásának a megőrzéséhez kapcsolódnak). De e problémák egyike sem leküzdhetetlen.

A jövő

A húrelmélet bizonyításáig még hosszú út van hátra. Edward Witten reménykedik abban, hogy az Ősrobbanás pillanatában az Univerzum olyan gyorsan tágult, hogy talán egy húr is vele együtt tágult, ami itt maradt, és ez a csillagászati méretű húr a térben sodródik ide-oda. Azon tűnődik, hogy „Noha kissé hóbortosnak hangzik, ez az én kedvencem a húrelmélet bizonyítékaként, mivel semmi más nem lenne meggyőzőbb, mint a távcsőben egy hatalmas húrt látni."

Brian Greene öt olyan, kísérleti adatokon nyugvó példát sorol fel, amelyek a húrelméletet bebizonyítanák vagy legalábbis hihetővé tennék:

1. Ha a kis tömegű, nehezen megfogható, szellemszerű neutralínó létezését kísérletileg kimutatnák, és azt a húrelmélet megmagyarázná.

2. Ha a Standard Modell pont-részecskefizikának ellentmondó, kismértékű sérülését észlelnénk, például bizonyos szubatomi részecskék elbomlását.

3. Ha új, nagy hatótávolságú erőket (másokat, mint a gravitáció vagy az elektromágnesesség) találnánk kísérletileg, ami bizonyos CalabiYau-sokaságok létezésének a jele lehetne.

4. Ha a laboratóriumokban megtalálnák a sötét anyag részecskéit, és a húrelmélet jóslataival összevetnék a méréseket.

5. Ha az Univerzum sötét energiájának mennyiségét a húrelméletből ki tudnánk számítani.

Saját meglátásom az, hogy a húrelmélet igazolása tiszta matematikával, és nem kísérletekkel fog megtörténni. Mivel a húrelméletet a „minden elméletének" tartjuk, a mindennapi energiák és a kozmikus energiák szint jenek is az elmélete, így, ha az elméletet teljes mértékben meg tudjuk majd oldani, akkor a közönséges földi objektumok tulajdonságait is képesek leszünk kiszámolni, nem csak a világűrben lévő egzotikusokét. Például, a húrelméletből elsőként a proton, a neutron és az elektron tömegét lehetne kiszámolni, és ez lenne az első óriási eredmény. A húrelmélet kivételével a fizika összes modelljébe az összes ismerős részecske tömegét önkényesen tesszük bele. Bizonyos értelemben nem lenne szükségünk egy LHC-ra az elmélet igazolásához, mivel a szubatomi részecskék tömegét meghatározhatjuk a húrelméletből anélkül, hogy bármilyen paramétert önkényesen választanánk meg.

Ahogy Einstein mondta, „meg vagyok győződve arról, hogy a törvényeket és az elveket tiszta matematika használatával felfedezhetjük... ami kezünkbe adná a kulcsot a természetben előforduló jelenségek megértéséhez. A megfelelő matematikai koncepciókat a tapasztalat sugallhatja nekünk, de ezek biztosan nem származtathatók a tapasztalatból... Bizonyos értelemben ezért én igaznak tartom, hogy tiszta gondolkodással meg tudjuk érteni a valóságot, ahogy azt a régiek remélték."

Ha igaz, akkor talán az Melmélet (vagy bármilyen más elmélet, ami a gravitáció kvantumelméletét megadja) az Univerzumban lévő intelligens életformák számára megadja az utolsó utazás lehetőségét, azaz azt a lehetőséget, hogy haldokló Univerzumunkat sokbillió év múlva elhagyjuk, és egy másik univerzumban létesítsünk új otthont.

HARMADIK RESZ Menekülés

a hipertérbe

10 A minden vége

A halhatatlanságban való erős és ösztönös hitet példázza a legtöbb fizikustól elfogadott nézet, mely szerint a Nap és a bolygók idővel kihűlnek, és az élet megszűnik, hacsak nem csapódik valami hatalmas test a Napba, hogy új életre keltse. Ha valaki hiszi, miként én, hogy az ember a távoli jövőben még sokkal tökéletesebb lény lesz, mint ma, akkor szinte elviselhetetlen a gondolat, hogy ilyen hosszan tartó, lassú fejlődés után minden érző lény tökéletes megsemmisülésre van kárhoztatva. (Prekop

Gabriella fordítása.) CHARLES DARWIN

A norvég legendák szerint az utolsó nap, a Ragnarök, azaz az Istenek Alkonya katasztrofális felfordulással fog járni. Midgardot (a Középső Földet) a jéghideg fagy teljesen befonja. Csontig hatoló szelek, vakító hóviharok, pusztító földrengések és éhínség fogja ellepni az országokat, és a segítség nélkül maradt férfiak és a nők óriási számban pusztulnak majd el. Három ilyen tél fogja a Földet megbénítani, miközben kiéhezett farkasok felfalják a Napot és a Holdat, és a világot ezzel teljes sötétségbe borítják.

Az ég csillagai lehullnak, a Föld reszketni fog, és a hegyek szétesnek. A szörnyek kiszabadulnak, és a káosz istene, Loki megszökik és a kopárrá lett vidékeken háborút, zűrzavart és viszályt terjeszt.

Az istenek atyja, Odin ezután majd összegyűjti bátor és kiváló harcosait a Valhallában az utolsó idők végső csatájára. Végezetül, ahogy az istenek egyik a másik után meghalnak, az ördögisten Surtur tüzet és kénkövet fog lehelni, és így alágyújt egy gigantikus méretű pokolnak, ami beborítja majd az eget és a földet. Ahogy az egész univerzumot ellepik a lángnyelvek, a Föld elsüllyed a tengerekben és az idő véget ér.

De a hatalmas hamuból egy új kezdet lép ki. Egy új Föld, ami nem hasonlít az előzőre, fokozatosan kiemelkedik a tengerből és új gyümölcsök és furcsa növények sokasága bukkan elő a termékeny talajból, és az emberek új faja születik.

A lángnyelvekkel és a végső csatával kísért gigantikus megfagyás norvég legendája a világvége rémisztő elbeszélését tárja elénk. A világ minden táján találunk hasonló témájú legendákat. A világvégét klimatikus katasztrófák kísérik, általában nagy tűz, földrengés, hóviharok, amelyet aztán az istenek és az ördög csatája követ. Ám mindig jelen van a remény. A hamuból újjászületés érkezik.

A tudósoknak a fizika szigorú törvényeivel szembesülve, hasonló témákkal kell megküzdeni. A tábortüzek körül elsuttogott mitológiák helyett a rideg tények diktálják az Univerzum végének képét. Hasonló képzetek uralják a világ tudományos közvéleményét is. Az Einsteinegyenletek megoldásai között találunk ezekhez hasonló lehetséges jövőket, beleértve a jégbe fagyást, a tüzet, a katasztrófákat és az Univerzum végét. De vajon van-e végül újjászületés?

A WMAP műholdról származó adatok szerint az Univerzum tágulását egy rejtélyes antigravitációs erő gyorsítja. Ha ez milliárd vagy billió éveken át folytatódni fog, akkor az Univerzum elkerülhetetlenül el fogja érni a Nagy Fagy állapotát, ami az istenek alkonyán játszódó hóviharokkal kísért időjáráshoz lesz hasonlatos, és véget vet az általunk ismert életnek.

Ez az Univerzum szétrepülését eredményező antigravitációs erő az Univerzum térfogatával arányos. Minél nagyobbá válik az Univerzum, az

antigravitációs erő annál jobban szétlöki a galaxisokat, ami pedig tovább növeli az Univerzum térfogatát. Ez az önmagát gyorsító folyamat ciklusszerűen vég nélkül ismétli önmagát, és a folyamat megszalad: gyorsan, exponenciális jelleggel nő az Univerzum mérete.

Végső soron ez ahhoz vezet, hogy az egész látható Univerzum a Lokális

Galaxiscsoport 36 galaxisából (időközben újabb felfedezésekkel a Lokális Galaxiscsopoprt

tagjainak száma 60 fölé növekedett - a fordító) fog állni, mivel galaxisok milliárdjai fognak a mi eseményhorizontunkon kívülre kerülni. Mivel a galaxisok közötti tér a fény sebességénél gyorsabban fog tágulni, a belátott Világegyetem szörnyen magányossá válik majd. A hőmérséklet egyre kisebb lesz, ahogy a megmaradt energia egyre nagyobb és nagyobb térben fog eloszlani. Amint a hőmérséklet az abszolút nulla fok felé közelít, az intelligens fajoknak szembe kell nézniük végső sorsukkal: a halálba fagyással.

A termodinamika három főtétele

Ha - amint Shakespeare mondta - színház az egész világ, akkor kell, hogy legyen egy harmadik felvonás. Az első felvonásban történt az Ősrobbanás, az élet kialakulása és a tudat földi megjelenése. A második felvonásban talán megérjük, hogy felfedezzük a csillagokat és a galaxisokat. Végül a harmadik felvonásban szembe kell néznünk az Univerzumban a Nagy Faggyal ami a végső pusztulást jelenti.

Azt találjuk, hogy a forgatókönyvet a termodinamika főtételei írják. A hő fizikáját irányító törvényeket - ezeket ismerjük mint a termodinamika három főtételét - a fizikusok a 19. században szövegezték meg, és akkoriban kezdtek el elmélkedni az Univerzum haláláról. A nagy német fizikus, Hermann von Helmholtz ismerte fel 1854-ben, hogy a termodinamika törvényeit az Univerzum egészére is lehet alkalmazni, és ez azt jelenti, hogy körülöttünk mindennek, beleértve a csillagokat és a galaxisokat is, végül le fog járni az ideje.

A termodinamika első főtétele azt mondja, hogy az anyag és az energia teljes mennyisége megmarad. Noha az anyag és az energia egymásba átalakítható (Einstein ünnepelt E=mc^2 egyenletén keresztül), de a kettő összege nem megváltoztatható, az anyag és az energia együttes mennyisége nem növelhető és nem csökkenthető.

A második főtétel a legrejtélyesebb és egyben a legmélyebb. Azt állítja, hogy az Univerzumban lévő entrópia teljes mennyisége (az entrópia a kaotikusságnak, avagy a rendezetlenségnek a mértéke) csakis nőhet. Más szavakkal ez azt jelenti, hogy végül mindennek öregednie kell, és majd mindennek lejár az ideje. Az erdők leégése, a gépek elromlása, a birodalmak bukása és az emberi test öregedése mind-mind az Univerzumban lévő entrópia növekedését mutatja. Például egy papírlapot elégetni könnyű. Ez a teljes káosz nettó növekedését jelenti. De akárhogy is igyekszünk, a hamut és a füstöt papírrá újraegyesíteni lehetetlen. (Az entrópiát lehet csökkenteni, ha mechanikai munkát végzünk, mint például a hűtőben, de csak egy kicsi térfogatban; az egész rendszer teljes entrópiája - a hűtőgépé és az egész környezeté együtt - mindig nő.)

Arthur Eddington egyszer azt mondta a második főtételről: „A szabály, miszerint az entrópia mindig nő - azaz a termodinamika második főtétele -, úgy gondolom felsőbbrendűséget biztosít ennek a törvénynek a természet összes törvényei között... Ha bárkinek bármilyen elmélete a termodinamika második főtételének ellentmond, akkor semmi reményt nem látok; semmi más nem jöhet, csakis az elmélet legmélyebb megalázása." (Első pillantásra úgy tűnhet, hogy a földi komplex életformák ellentmondanak a második főtételnek. Észre kell venni, hogy a korai földi káoszból tekervényes életformák hihetetlen nagy változatossága emelkedett ki, amelyeknek még tudatuk és intelligenciájuk is van, de mindez csökkenti az entrópiát. Néhányan mindezt egy jószándékú alkotó által végbevitt csodára való utalásnak látják. De emlékezzünk, az életet az evolúció természeti törvényei hajtják, és a teljes entrópia eközben nő, mivel a Napból mindig további energiaadag érkezik az élet üzemanyagaként. Ha a Napot és a Földet együtt tekintjük, akkor a teljes entrópiatartalom továbbra is növekszik.)

A harmadik főtétel pedig azt állítja, hogy egyetlen hűtőberendezéssel sem érhetjük el az abszolút nulla fokot. El lehet jutni az abszolút nulla fok tetszőlegesen közeli környezetébe, de a nulla mozgás pontos állapotát soha nem érjük el. (Ha ehhez még hozzávesszük a kvantummechanikai bizonytalansági elvet is, akkor kiderül, hogy a molekuláknak mindig lesz egy pici energiájuk - ha a molekula az abszolút nulla fokon lenne, akkor nem mozogna, ami azt jelentené, hogy egyidejűleg tudjuk a molekula pontos helyét és sebességét, ez viszont a határozatlansági elvnek mondana ellent.)

Ha a második törvényt az egész Univerzumra alkalmazzuk, akkor arra jutunk, hogy az Univerzumnak is vége lesz egyszer. A csillagok elhasználják nukleáris üzemanyagukat, a galaxisok nem világítják be többé az eget, és az Univerzum tele lesz halott csillagok maradványaival,

neutroncsillagokkal és fekete lyukakkal. Az Univerzum örök sötétségbe borul.

Néhány kozmológus megpróbált egy olyan lehetőséget felvázolni, amivel ez a „hőhalál" elkerülhető egy oszcilláló Univerzumban. Az ilyen, kezdetben táguló, majd összehúzódó univerzumban az entrópia folyamatosan növekszik. De nem világos, hogy a Nagy Reccs után az ilyen univerzumban hogyan folytatódik az entrópia viselkedése. Néhányan azzal az elképzeléssel foglalkoztak, hogy az ilyen univerzum a következő ciklusban talán pontosan megismétli önmagát. Sokkal realisztikusabb, hogy a következő ciklusra az univerzum átviszi az entrópiatartalmát, ami miatt az ilyen univerzum élettartama ciklusról ciklusra hosszabbodna. De függetlenül attól, hogy ki hogy tekint erre a kérdésre, az ilyen oszcilláló univerzumban, a zárt és nyitott univerzumokhoz hasonlóan, végeredményben mindenféle intelligens életnek vége lesz.

A Nagy Reccs

Az Univerzum végső sorsára adandó fizikai magyarázatok közül az egyik első kísérlet Sir Martin Rees 1969-ben írt cikke volt, amelynek címe: „Az Univerzum összeomlása: eszkatológiai tanulmány." Akkoriban Omega értéke jobbára ismeretlen volt, ezért aztán abban a cikkében feltette, hogy értéke kettő, és ebben az esetben az Univerzum tágulása egyszer majd megáll, és Nagy Fagy helyett Nagy Reccsben fog majd véget érni. Ilyen feltevés mellett arra jutott, hogy az Univerzum tágulása akkor kényszerül megállásra, amikor a galaxisok kétszer olyan messze lesznek egymástól, mint amennyire ma vannak - ekkor fogja a gravitáció legyűrni az Univerzum kezdeti tágulásban kapott erejét. Ami most az égen vöröseltolódásnak mutatkozik, az kékeltolódássá fog változni, és a galaxisok közelíteni fognak felénk.

Ebben a változatban a mostantól számított úgy 50 milliárd év múlva katasztrofális események mennek majd végbe, jelezve az Univerzum végső halálos szenvedéseit. Százmillió évvel a végső összeroppanás előtt az Univerzum galaxisai - beleértve a mi Tejútrendszerünket is - egymásnak fognak ütközni és összeolvadnak. Rees felfedezte, hogy az egyes csillagok szétesnek azelőtt, hogy ütköznének egymással, mégpedig két okból. Először is, ahogy az Univerzum összehúzódik, az égbolton lévő többi csillagtól származó sugárzás miatt a csillagok jelentős mennyiségű energiát nyernek; így minden csillag a többi csillag kékeltolódott, nagyon erősen melegítő hatású fényében fog fürödni. Másodszor, a kozmikus háttérsugárzás hőmérséklete óriási mértékben megnő, ahogy az Univerzum önmagába omlik. E két effektus eredőjeként a csillagok felszínén a hőmérséklet annyira megnő, hogy gyorsabb ütemben veszik fel a hőt, mint ahogy képesek megszabadulni tőle. Másképp fogalmazva, a csillagok nagy valószínűséggel szétesnek és szuperforró gázfelhőkké gőzölögnek el.

Ilyen körülmények között az intelligens élet elkerülhetetlenül elpusztul, a közeli csillagokból és galaxisokból ömlő hő hatására elfonnyad, kiszárad. Menekvés nincs. Ahogy Freeman Dyson írta: „Sajnálatos módon

arra a következtetésre kellett jutnom, hogy ebből a sütödéből nincsen kiút. Akármilyen mély lyukat fúrunk a földbe, hogy a kékeltolódott háttérsugárzás elől elrejtőzzünk, ezzel csak néhány millió évvel tudjuk kitolni nyomorúságos végünket."

Ha az Univerzum egy Nagy Reccsben kellene, hogy véget érjen, akkor megmarad a kérdés: vajon az Univerzum összeomlása után újjászületik-e oszcilláló univerzumként. Ez az a forgatókönyv, amelyet Poul Anderson Tau zero regénye bemutat. Ha az Univerzum newtoni, lehetséges lenne a regényében bemutatott menekülési út, ha van elegendő oldalirányú mozgás a galaxisok egymásba préselődése során. Ebben az esetben a csillagok nem sűrűsödnek össze egyetlen pontba, hanem a maximális kondenzáció pontja körül elsuhanhatnak, és új erőre kaphatnak anélkül, hogy ütköztek volna egymással.

De az Univerzum nem newtoni - az Einstein-egyenleteknek engedelmeskedik. Roger Penrose és Stephen Hawking megmutatta, hogy a legáltalánosabb körülmények esetén az összeomlásban lévő galaxisok szükségszerűen egy szingularitásban végzik. (Ez azért van így, mert az oldalirányú mozgásnak is van energiája, tehát gravitációs kölcsönhatásban vesz részt, így az einsteini elméletben szereplő gravitációs vonzás sokkal nagyobb lesz, mint amekkora az összeomló univerzumok newtoni elméletéből következne, és ezért az Univerzum elkerülhetetlenül egyetlen pontba omlik össze.)

Az Univerzum öt korszaka

A WMAP műhold friss keletű adatai ezzel szemben azonban a Nagy Fagy forgatókönyvét részesítik előnyben. A University of Michiganen dolgozó Frank Adams és Greg Laughlin az univerzumbeli élet történetének vizsgálata során megpróbálták öt különböző korszakra osztani az Univerzum fejlődését. Mivel mi tényleg csillagászati skálákról beszélgetünk, logaritmikus mérőskálát fogunk bevezetni. Ezen a skálán pl. a 10^20 számot a 20 szám fogja jelenteni. (Ezt az időszalagot még azelőtt rajzolták le, mielőtt a gyorsuló Univerzum képe teljeskörűen elfogadottá lett volna. De az Univerzum fejlődésének főbb szakaszai ettől még ugyanazok maradtak.)

I. szakasz: Primordiális korszak

Az első szakaszban (-50-től 5-ig, azaz 10-50 másodperctől 10^5 másodpercig) az Univerzum gyors táguláson és hűlésen ment keresztül. Ahogy hűlt, a különböző erők, amelyek valaha egyetlen „szupererőben" voltak egyesülve, fokozatosan leszakadtak, eredményül hagyva az Univerzum mai

megszokott erőfajtáit. Először a gravitáció vált le, azután az erős magerő, végül a gyenge erő. Kezdetben az Univerzum átlátszatlan és az égbolt tejfehér volt, mivel a kibocsátott fénysugarak rögvest el is nyelődtek. De az Ősrobbanás után 380 ezer évvel az Univerzum eléggé lehűlt ahhoz, hogy az intenzív hő hatására korábban darabjaira széteső részek helyett valódi atomok jöjjenek létre. Az égbolt ekkor fekete lett. A mikrohullámú háttérsugárzás ebből az időszakból ered.

E korszakban a primordiális hidrogén héliummá fuzionált, és megteremtette a csillagoknak a ma az egész Univerzumban szétterülő hidrogén-hélium keverékű üzemanyagát. Az Univerzum fejlődésének ebben az

állapotában az élet, ahogy azt mi ismerjük, lehetetlen volt. A hőség még nagyon nagy volt; bármilyen DNS vagy autokatalitikus molekula, ami kialakult, rögtön darabjaira tört volna a még mindig túlságosan magas hőmérséklet okozta más atomokkal bekövetkező ütközésekben, ezért a kémiailag stabil élet még nem volt lehetséges.

II. szakasz: A csillagok korszaka

Ma a második korszakban élünk (ez 6-tól 14-ig tart, azaz 10^6 másodperctől 10^14 másodpercig), amikor a hidrogén csillagokká sűrűsödött, azok pedig begyulladtak és elkezdték bevilágítani az eget. Ebben a korszakban hidrogénben gazdag csillagokat találunk, amelyek milliárd évekig ragyognak mindaddig, amíg nukleáris üzemanyagukat ki nem merítik. A Hubbleűrtávcső a csillagokat fejlődésük összes szakaszában lefotózta, beleértve azokat a fiatal csillagokat is, amelyek körül por és gáz kavarog egy olyan korongban, amiben valószínűleg bolygók és naprendszerek alakulnak majd ki. Ebben a szakaszban kedvezőek a körülmények a DNS és az élet kialakulásához. Tekintve a belátható Univerzumban lévő csillagok hatalmas számát, a csillagászok a tudomány ismert törvényeire alapozva hihető gondolatmenetet próbálnak felállítani arra nézve, hogy más bolygókon hogyan jöhet létre az élet. De bármelyik intelligens életformának számtalan kozmikus fenyegetettséggel kell szembenéznie, és nem keveset ezek közül saját maga hoz létre, mint például a környezetszennyezést, a globális felmelegedést és a nukleáris fegyvereket. Feltéve, hogy egy intelligens életforma nem rombolja le saját magát, természeti katasztrófák ijesztő áradatával is szembesülnie kell, amelyek bármelyike pusztulásban érhet véget.

Tízezer éves időskálán előfordulhatnak jégkorszakok, hasonlóak ahhoz, amelyek egykor Észak-Amerikát majdnem egy mérföld vastag jégtakaróval borították be, és ez az emberi civilizációt lehetetlenné teszi. Tízezer évvel ezelőtt az emberek kis, izolált törzsekben úgy éltek a jégtorlaszokon mint a farkasok, akik dulakodnak az ennivalóért. Nem növekedtek az ismeretek, nem fejlődött a tudomány. Nem voltak írott szavak. Az emberiségnek egyetlen célja volt: a túlélés. Ezután olyan okból, amit még nem értünk, a jégkorszaknak vége lett, és az emberek a jégtől gyorsan a csillagokig jutottak. Ez az interglaciális (jégkorszakok közötti - a fordító) korszak azonban nem tart örökké. Talán egy másik tízezer éves periódusban a világ nagy részét egy következő jégkorszak fogja betakarni. A geológusok úgy vélik, hogy a Föld forgásának apró változásai végső soron olyan hatással lesznek majd, hogy a jégsapkák alacsonyabb földrajzi szélességre húzódnak le, és így a fagyos jég a Föld nagy részére kiterjed. Ebben a helyzetben talán a föld alá kell menekülnünk ahhoz, hogy valamelyest is melegben legyünk. A Földet egyszer már teljesen befedte a jég.14 Ez esetleg még egyszer megtörténhet.

14 Az ún. hógólyó-Föld elmélete szerint ez a 790-630 millió évvel ezelőtti időszakban történt. Az elmélet azonban nem általánosan elfogadott. (A szaklektor megjegyzése.)

Ezertől millió évekig terjedő időskálára előretekintve, fel kell készülnünk egy meteor vagy üstökös becsapódására. Nagy valószínűséggel ilyen jellegű esemény okozta 65 millió évvel ezelőtt a dinoszauruszok kihalását. A tudósok úgy vélik, hogy egy, a Földön kívüli eredetű objektum, ami talán 10 mérföldnél is kisebb volt, a mexikóbeli Yucatán-félszigetbe vágódott, ahol egy 180 mérföld átmérőjű krátert vájt. A becsapódáskor elegendő mennyiségű törmelékanyag került a levegőbe ahhoz, hogy elzárja a napfény útját és sötétségbe borítsa a Földet. Ez a hőmérséklet csökkenéséhez vezetett, ami elpusztította a vegetációt és az akkori idők domináns földi életformáját, a dinoszauruszokat. Kevesebb mint egy év alatt a dinoszauruszok és a Föld legtöbb faja kihalt.

A múltbéli becsapódások ütemét elemezve egy a százezerhez az esélye annak, hogy a következő ötven évben egy kisbolygó-becsapódás világméretű károsodásokat okoz. Ha egymillió évre tekintünk előre, akkor közel 100% az esély arra, hogy egy nagyobb becsapódás történik.

(A belső Naprendszerben, ahol a Föld is helyet foglal, 1000-1500 olyan kisbolygó található, amelyek egy kilométernyi vagy nagyobb átmérőjűek; és hozzávetőleg egymillió olyan, amely 50 méternél nagyobb. Az egyesült államokbeli Cambridgeben lévő Smithonian Astrophysical Observatoryba naponta körülbelül 15 000 kisbolygóészlelés fut be. Szerencsére csak 42 ismert kisbolygónak van kicsiny, de véges nagyságú esélye arra, hogy a Földnek ütközzön. Ezek a kisbolygók a múltban több hamis riasztást is okoztak, a leghíresebbet az 1997 XF11 jelű, amelyről kezdetben tévesen azt gondolták, hogy a következő 30 évben becsapódik a Földbe - ez a hír világszerte a lapok címoldalára került. Az 1950 DA jelű kisbolygó pályájának gondos elemzése után azt találták, hogy van egy pici - de nem nulla - esély arra, hogy 2880. március 16-án ez a kisbolygó nekiütközik a Földnek.

A Santa Cruzban lévő University of Californian elvégzett számítógépes szimulációk azt mutatták, hogy ha ez a kisbolygó az óceánba érkezne, akkor egy 400 láb (kb. 330 méter) magas szökőárt keltene, ami a legtöbb tengerparti területet pusztító áradással öntené el.)

Ha milliárd éves időskálán vizsgálódunk, akkor amiatt kell aggódnunk, hogy a Nap nagyon közel kerül a Földhöz. A Nap máris 30%-kal forróbb manapság, mint gyermekkorában volt. Számítógépes tanulmányok azt mutatják, hogy 3,5 milliárd év múlva a Nap már 40%-kal lesz fényesebb, mint ma, ami azt jelenti, hogy a Föld fokozatosan felforrósodik. A Nap egyre nagyobbnak és nagyobbnak fog látszani a nappali égbolton, mígnem kitölti az egész eget a horizonttól a horizontig. Rövid időn belül az élő teremtmények reménytelenül próbálnak elmenekülni a Nap perzselő forrósága elől, és talán arra kényszerülnek, hogy az óceánokba menjenek vissza, így fordítva meg ezen a bolygón az evolúció menetét. Végül aztán az óceánok is felforrnak, és így az általunk ismert élet lehetetlen lesz. Körülbelül 5 milliárd év múlva a Nap magjából kifogy a hidrogéngáz és a Nap elkezd vörös óriássá változni. Néhány vörös óriáscsillag olyan nagy, hogy a Mars bolygót is magukba foglalhatnák, ha a Nap helyére tennénk őket. De a Nap valószínűleg csak a Föld pályájáig fog felfúvódni, eközben elnyeli a Merkúrt és a Vénuszt, és felolvasztja a Föld hegyeit. Szóval Földünk valószínűleg tűzben fog meghalni, és egy visszahagyott, kiégett parázsdarabként fog a Nap körül keringeni.

Néhány fizikus amellett érvel, hogy mielőtt ez megtörténik, olyan fejlett technológiákat kell kifejlesztenünk, amelyekkel a Földet a Naptól távolabbi pályára kényszeríthetjük, már amennyiben nem leszünk képesek kivándorolni egy gigantikus méretű űrbárkán egy másik bolygóra. „Amennyiben az emberek gyorsabban válnak okosabbá, mint ahogy a Nap fényesedik, akkor a Föld boldogulni fog" - jegyezte meg a csillagász és író Ken Croswell.

A tudósok több olyan lehetőséget is felvetettek, amivel a Földet a Nap körüli pályájáról ki lehetne mozdítani. Egy egyszerű mód erre a kisbolygóövezetből aszteroidák egész sorát eltéríteni úgy, hogy azok aztán a Föld körül keringjenek és húzzák el a Földet. Ez a csúzlieffektus gyorsíthatná a Földet, és ezáltal a Naptól mért távolsága nőhetne. Minden ilyen gyorsítás a Földet csak alig-alig mozdítja el, de rengeteg időnk van arra, hogy kisbolygók százait térítsük el e mutatvány végrehajtásához. „A Nap vörös óriássá való felfúvódását megelőző néhány milliárd évben utódainknak egy, a közelben elhaladó csillagot kellene csapdába csalniuk és Nap körüli pályára állítaniuk, hogy aztán a Földet mint egy úszó hajóroncsot „átkormányozhassák" a Nap körüli pályájáról a másik csillag körüli pályára - teszi hozzá Crosswell.

A mi Napunk a Földétől eltérő sorsot fog elszenvedni; tűz helyett jéghalála lesz. Miután vörös óriáscsillagként 700 millió éven át héliumot fog égetni, a Nap nukleáris üzemanyaga végleg elfogy, és a gravitáció egy Föld méretű fehér törpévé fogja összenyomni. Napunk tömege túl kicsi ahhoz, hogy szupernóvának nevezett katasztrófán menjen át, és ugyanezért fekete lyuk sem lesz belőle. Miután Napunk fehér törpévé alakult, ki fog hűlni, és a hűlés miatt először vörössé, aztán barnává, végül teljesen feketévé válik a színe. A kozmikus ürességben fog sodródni egy darab nukleáris hamuként. A körülöttünk látott összes atomnak, beleértve a saját testünk és szeretteink atomjait is a jövője az, hogy egy fekete törpecsillag körül kiégett parázsdarabokként keringjen. Mivel ez a törpecsillag már csak 0,55 naptömegű lesz, emiatt a Föld közelebb, a jelenlegi távolságának 70%-ára húzódó pályán fog mozogni.

Ezen az időskálán azt látjuk, hogy a földi állat-és növényvilág virágzása mindössze csak néhány milliárd évig tart (és ennek a finomhangolt korszaknak a közepén tartunk most). „A Természetanyát nem arra tervezték, hogy minket boldoggá tegyen" - mondta a csillagász David Brownlee. Az egész Univerzum élettartamához mérten az élet virágzása csupán egy rövid pillanatig tart.

III. szakasz: Az elfajulás korszaka

A harmadik szakaszban (15 és 39 között) az Univerzumban lévő csillagok energiája végleg kifogy. A hidrogén és a hélium látszólag örök ideig tartó folyamata végül leáll, és maga után csak a törpecsillagokban, neutroncsillagokban és fekete lyukakban lévő holt nukleáris anyag élettelen csonkjait hagyja. Az égbolt csillagai lassan kihunynak: az Univerzum fokozatosan sötétségbe borul.

A harmadik szakaszban a hőmérséklet drámai módon csökken, ahogy a csillagok elvesztik nukleáris fűtőanyagukat. Bármely bolygó, amelyik egy halott csillag körül köröz, megfagy. Ha feltennénk, hogy a Föld még érintetlen lenne, minden, ami a felszínén megmaradt, fagyott jégmezővé válna, és az intelligens élet arra kényszerülne, hogy új otthont keressen magának.

Míg az óriáscsillagok néhány millió évig élnek, addig a Naphoz hasonló csillagok milliárd évekig, de a vörös törpecsillagok akár billió évig is égethetik hidrogénkészletüket. Ezért van értelme annak, hogy a Föld pályáját - elméletben legalábbis - egy vörös törpecsillag köré helyezzük át. A Naphoz legközelebbi csillag, a Proxima Centauri, egy vörös törpecsillag és csak 4,3 fényévre van a Földtől. E legközelebbi szomszédunk tömege a Nap tömegének csak 15%-a, és négyszázszor halványabb, mint a Nap, ezért bármely bolygónak igen közel kell keringenie hozzá, hogy a halovány csillag fényének áldásait élvezze. A Földnek hússzor közelebb kellene keringenie ehhez a csillaghoz, mint amilyen távol van most a Naptól, hogy ugyanakkora mennyiségű fényt kapjon. De ha egyszer egy vörös törpecsillag körül keringünk, akkor az a bolygó billió évekig kapna energiát. Végül is arra jutottunk, hogy az egyetlen csillagfajta, ami nagyon sokáig fogja nukleáris üzemanyagát égetni és így világítani, az a vörös törpecsillag. Idővel azonban ők is sötétségbe borulnak. Százbillió év múlva a megmaradt vörös törpecsillagok ideje is lejár.

IV szakasz: A fekete lyuk kora

A negyedik szakaszban (40 és 100 között) az egyetlen energiaforrás a fekete lyukak lassú elpárolgása. Ahogy azt Jakob Bekenstein és Stephen Hawking megmutatta, a fekete lyukak nem teljesen feketék; valójában halványan sugároznak, amit párolgásnak neveznek. (A gyakorlatban ennek a feketelyuk-párolgásnak a mértéke túl kicsi ahhoz, hogy kísérletileg észlelni lehessen, de éppen ez a hosszú időskálájú párolgás határozza meg a fekete lyukak sorsát.)

A párolgó fekete lyukak élettartama nagyon változatos lehet. Egy proton méretű mini fekete lyuk a Naprendszer élettartamának megfelelő idő alatt 10 milliárd watt teljesítményi sugározhat el. Egy Nap tömegű fekete lyuk 10^66 éven át is sugározhat. Egy galaxishalmaz tömegű fekete lyuk pedig 10^117 éven át fog sugározni. De ahogy a fekete lyukak az élettartamuk végéhez közelednek, a lassú szivárgással járó sugárzási szakasz után hirtelen felrobbannak. Lehetséges, hogy az intelligens fajok azokhoz a hajléktalanokhoz hasonlóan, akik fakó tüzek lassan kihunyó parazsa mellé kuporodnak, a párolgó fekete lyukakból kisugárzott gyenge hő körül fognak összegyűlni, hogy addig is amíg teljesen el nem párolognak, valamicske melegséget nyerjenek ki belőlük.

V szakasz: Sötét korszak

Az ötödik szakaszban (101-en túl) az Univerzum sötét korszakába lépünk, amikor már minden hőforrás végleg kimerült. Ebben a szakaszban ahogy a hőmérséklet az abszolút nulla fok felé közelít, az Univerzum lassan sodródik a végső hőhalál felé, és az atomok mozgása majdhogynem megszűnik. Talán még a protonok is elbomlanak, maguk után hagyva fotonok és gyengén kölcsönható részecskék (neutrínók, elektronok és ennek antirészecskéje, a pozitron) ritkás levesét. Az Univerzum talán egy újfajta atomból, a „pozitróniumnak" nevezett atomfajtából fog állni, amiben elektronok és pozitronok keringenek egymás körül.

Néhány fizikus úgy gondolta, hogy talán ezek az elektronokból és pozitronokból álló „atomok" képesek lehetnek ebben a sötét korban az intelligens élet újfajta építőköveit megformálni. Akárhogy is, az elgondolás következményeivel meglehetősen félelmetes dolog szembenézni.

Ma egy pozitróniumatom egy közönséges atommal összemérhető nagyságú, viszont a sötét korszakban egy pozitróniumatom 10^12 megaparszek méretű lenne, a ma észlelhető Univerzum méreténél milliószor nagyobb. Így ebben a sötét korban ezek az „atomok", ha egyáltalán létrejönnek, egész Univerzumnyi méretűek lennének. Mivel az Univerzum ebben a sötét korban roppant nagy méretűre tágult ki, könnyen elférnek benne ezek a gigászi méretű pozitróniumatomok. A pozitróniumatomok óriási mérete miatt az ezekre az „atomokra" támaszkodó „kémia" olyan kolosszális méretű időskálákon működne, amit még csak hasonlítani sem tudunk semmi általunk ismert dologhoz.

Tony Rothman kozmológus azt írta, hogy „és végül 10^117 év múlva a kozmosz néhány, lomha pályáikon egymás körül keringő elektronból és pozitronból, meg a barionok bomlásából visszamaradt neutrínókból és fotonokból, valamint a fekete lyukakból meg a pozitrónium-annihilációkból keletkezett kóbor protonokból fog állni. Ez is meg van írva a Végzet Könyvében."

Fennmaradhat-e az értelem?

Ha tekintjük a Nagy Fagy bekövetkezése után található „értelemdermesztő" feltételeket, a tudósok azt fontolgatják, van-e lehetősége bármilyen intelligens életformának ebben a közegben? Először értelmetlennek tűnik intelligens élet fennmaradásáról beszélni az 5. szakaszban, amikor a hőmérséklet az abszolút 0 fok közelében van. A fizikusok közt jelenleg csak eszmei mérlegelés, hogy az intelligens élet ilyen feltételek mellett fennmaradhat-e.

A meggondolások középpontjában két kérdés áll. Az első: képes-e az értelem működtetni a berendezéseit az abszolút nulla hőmérséklet viszonyai között? A termodinamika főtételei szerint az energia a magasabb hőmérséklettől az alacsonyabb felé áramlik és ezt a mozgást használják fel mechanikai munka végzésére. Mechanikai munka nyerhető például, ha egy forró gépet két, különböző hőmérsékletű területtel kapcsolunk össze. Minél nagyobb a hőmérséklet-különbség, annál jobb a gép hatásfoka. Ez az alapja az ipari forradalomban létrejött gépek, mint például a gőzgép és a gőzmozdony működésének. Az ötödik szakaszban lehetetlen lesz bármilyen hőerőgépből munkát kinyerni, mert a hőmérséklet mindenütt egyforma lesz.

A második kérdés az, hogy egy értelmes életforma küldhet-e és fogadhate információt? Az információelmélet szerint az elküldhető és fogadható információ legkisebb mennyisége a hőmérséklettel arányos. Ahogy a hőmérséklet az abszolút nulla fok felé tart, az információfeldolgozási képesség komolyan sérül. Amint az Univerzum egyre hidegebbé válik, a kisugározható információ bitjeinek száma egyre kevesebb lesz. A fizikus Freeman Dyson és mások újra megvizsgálták egy haldokló univerzumban lévő intelligens életforma fizikáját. Kérdésük az volt: lehete találni olyan kifinomult megoldást, hogy egy intelligens életforma akkor is fennmaradjon, ha a hőmérséklet az abszolút nulla fok felé tart? Ahogy a hőmérséklet az egész Univerzumban elkezd csökkenni, a teremtmények először megpróbálhatják a testük hőmérsékletét genetikai úton lecsökkenteni, így sokkal hatékonyabban tudják felhasználni az egyre apadó energiát. Ám a testhőmérsékletük egyszer eléri a víz fagyáspontját. Ekkor az intelligens létezőknek fel kell adniuk esendő, hús-vér testüket és feltehetően robotokká kell válniuk. A mechanikus testek jobban ellenállhatnak a hidegnek, mint az elevenek. De a gépek ugyancsak alá vannak vetve az információelmélet és a termodinamika törvényeinek, így az élet még a robotok számára is nagyon nehéz lesz.

Még ha az értelmes lények elhagyják robottestüket és tiszta tudattá alakulnak át, az információfeldolgozással akkor is problémáik lesznek. Ahogy a hőmérséklet csökkenése folytatódik, a túlélés egyetlen útja a „lassabb" gondolkodás lesz. Dyson arra a következtetésre jut, hogy egy intelligens életformának bármennyi időn keresztül képesnek kell lennie a gondolkodásra egyrészt azáltal, hogy képes hibernációval energiát tartalékolni, másrészt, hogy az információfeldolgozás folyamatát képes időben széthúzni. Noha a gondolkodáshoz és az információfeldolgozáshoz szükséges fizikai idő akár évmilliárdokra is rúghat, maguk számára az intelligens teremtményeknek (pszichológiailag) ez ugyanolyannak tűnik, mint ma. Képesek maradnak magvas elméleteket kigondolni, de egy sokkal-sokkal lassabb időskálán. Dyson különös, de optimista végkövetkeztetése az, hogy az intelligens életformák határozatlan ideig képesek maradnak „gondolkodni" és információkat feldolgozni. Egy egyszerű gondolat feldolgozása akár billió évekig is tarthat, de a „szubjektív időskálán" ez normálisnak fog tűnni.

Ha ellenben az intelligens teremtmények lassabban gondolkodnak, akkor talán tanúi lesznek az Univerzumban végbemenő kvantumátmeneteknek. Normálisan az ilyen kvantumátmenetek, mint például a csecsemőuniverzumok születése, vagy átmenet egy másik kvantumuniverzumba, billió évek alatt mennek végbe, és ezért teljesen teoretikus dolgok. De az ötödik szakaszban a „szubjektív időskálán" a billió év kevesebbnek tűnik és ezért ezeknek a teremtményeknek csak pár másodpercnek tűnhet; olyan lassan gondolkodnak és éreznek, hogy bármikor láthatnak ilyen bizarr kvantumeseményeket. Rendszeresen észrevehetnek a semmiből előtűnő új, buborékszerű univerzumokat és sokszor megtapasztalhatják az univerzum kvantumugrásait egy alternatív univerzumba.

A nemrégiben történt új felfedezés - az Univerzum tágulásának gyorsulása

- fényében a fizikusok újra megvizsgálták Dyson következtetéseit, újraélesztették a vitát, és homlokegyenest az ellenkező következtetésre jutottak: egy gyorsulva táguló univerzumban az intelligens életformáknak szükségszerűen ki kell pusztulniuk. Lawrance Krauss és Glenn Stackmann következtetése az, hogy „Milliárd évekkel ezelőtt az Univerzum túl forró volt az élet számára; megszámolhatatlan évmilliárd múlva pedig annyira hideg és üres lesz, hogy az élet bármilyen találékony is, kipusztul."

Dyson eredeti munkájában azzal számolt, hogy a most 2,7 K-es mikrohullámú háttérsugárzás az Univerzumban a végtelenségig folyamatosan hűlni fog, így az intelligens létezők a kozmikus háttérsugárzásban lévő aprónyi hőmérséklet-különbségekből képesek lesznek némi munkára fog- ható energiát nyerni. Azonban Krauss és Stackmaiur arra mutatott rá, hogy ha az Univerzumban a kozmológiai állandó nem nulla, akkor a hőmérséklet nem fog a végtelenségig csökkenni, hanem csak a Gibson-Hawking-féle

- határhőmérsékletnek is nevezett - alsó határig: ez 10-29 K. Amint ezt az Univerzum eléri, az Univerzum hőmérséklete mindenütt kiegyenlítődik, tehát ugyanaz lesz, és a korábbi hőmérséklet-különbségek eltűnésével az intelligens lények képtelenek lesznek energiához jutni. Amint egyszer az Univerzum egy mindenütt teljesen egyforma hőmérsékletét vesz fel, az véget vet mindenféle információfeldolgozási folyamatnak.

(Az 1980-as években felfedezték, hogy bizonyos kvantumrendszerek, mint például a folyadékokban lévő Brown-mozgás, számítógépek alapjául szolgálhatnak, tekintet nélkül arra, hogy mekkora a külső hőmérséklet. Még ha a hőmérséklet nagyon lecsökken is, ezek a rendszerek képesek egyre kevesebb és kevesebb energiával működni. Dyson számára ez jó hír volt. De volt egy csapda. A rendszernek két feltételt kell egyidejűleg kielégítenie: környezetével egyensúlyban kell maradnia és soha nem dobhat el információt. Sajnos, az Univerzum tágulása miatt az egyensúlyi követelmény teljesítése lehetetlen, mivel a sugárzás egyre jobban eloszlik és hullámhossza megnyúlik. Egy gyorsuló univerzumban mindez olyan hamar történik, hogy nem marad elég idő az egyensúly elérésére. A második feltétel - hogy információt nem dobhat el a rendszer - azt jelenti, hogy az intelligens létező soha nem felejthet el semmit. Ez az intelligens létező képtelen memóriáját törölni, régi emlékeit újra meg újra átéli. „Az örökkévalóság inkább börtön, semmint a kreativitásnak és a felfedezéseknek a végtelen horizontja. A Nirvána lenne, de vajon élet lenne-e?" - kérdezi Krauss és Starckmann.)

Összegezve azt mondhatjuk, hogy ha a kozmológiai állandó közel van a nullához, akkor az intelligens életformák egyre lassabban és hibernációval vég nélkül „gondolkodhatnak" az Univerzum hűlésével párhuzamosan. A mienkhez hasonló gyorsuló Univerzumokban azonban mindez lehetetlen. A fizika törvényei szerint az intelligens élet halálra van ítélve. A kozmikus perspektíva tág nézőpontjából úgy tűnik, hogy az általunk ismert életforma feltételei csupán egy röpke epizódig tűnnek fel egy nagyon hosszú film vásznán. Az élet szempontjából a hőmérséklet - amikor sem nem túl forró, sem nem túl hideg - csak egy nagyon piciny ablakban megfelelő.

Elhagyni az univerzumot

A halál mindennemű információs folyamat végső megszűnéseként határozható meg. Az Univerzum bármely intelligens fajának - miután az Univerzum fizikai törvényeit megismertük - szembesülnie kell az Univerzum és benne minden intelligens élet végső halálával.

Szerencsére bőségesen van idő egy olyan utazás megtételéhez szükséges energiák összegyűjtésére, hogy a következő fejezetben bemutatandó, alternatívát kínáló utazást megtehessük. A kérdés, amelyet ki fogunk fejteni a következő: a fizika törvényei megengedik-e számunkra, hogy elmeneküljünk innen egy párhuzamos univerzumba?

11. Menekülés az univerzumból

Bármely eléggé fejlett technológia megkülönböztethetetlen a varázslattól. A . C . CLARKE

A tudományosfantasztikus író Greg Bear, Eon című novellájában szívet tépően ír a pusztuló világból egy párhuzamos univerzumba való menekülésről. A történetben egy kolosszális méretű kisbolygó közelíti meg a Földet, tömeghisztériát és pánikot váltva ki. Ahelyett azonban, hogy a várakozásoknak megfelelően nekiütközött volna a Földnek, különös módon Föld körüli pályára állt. Vizsgálat céljából tudóscsapatokat küldtek a világűrbe, akik feltételezték, hogy a kisbolygó felszíne sivár és élettelen.

Ezzel ellentétben, mesésnek találták az aszteroidát; kiderült, hogy egy sokkal fejlettebb faj által elhagyott űrhajóról van szó. Az elhagyott űrhajóba tekintve Patrícia Vasquez elméleti fizikus hét üres szobát talál, amelyek mindegyik más világokba vezet, amikben tavak vannak, erdők és ligetek, még egész városok is. Ugyanő egy óriási könyvtárba is belebotlik, ami ezeknek a különös személyeknek az egész történelmét tartalmazza. Az egyik könyvet kinyitva azt találja, hogy az egy 2110-ben kiadott Mark Twain kötet, mégpedig a Tom Sawyer; felismeri, hogy az űrhajót egyáltalán nem egy idegen civilizáció építette, hanem 1300 évvel a mi időnk után a Földön készült. Rájön a kellemetlen igazságra: a könyvtár régi feljegyzései egy pusztító nukleáris háború történetét beszélik el, ami a távoli múltban tört ki, emberek milliárdjai haltak meg benne és nukleáris telet okoztak, amiben további embermilliárdok vesztették életüket. Amikor megállapítja ennek a nukleáris háborúnak az időpontját, sokkolva éri a felismerés, hogy ez a háború mindössze két hétre van a jövőben! Reménytelennek látszik megakadályozni e háború kitörését, ami hamarosan beteríti az egész bolygót és megöli az ő szeretteit is.

Hátborzongató módon a régi feljegyzések között megtalálja a saját személyes történetét is, és eközben felfedezi, hogy az ő jövőbeni kutatásai a téridőről segítenek a különös aszteroidában megépíteni egy, majd Útnak elnevezendő alagutat, amelyen keresztül az emberek jöhetnek-mehetnek és átléphetnek egy másik univerzumba. A kutatásai majd bebizonyítják, hogy végtelen számú kvantumuniverzum létezik, amelyek minden lehetséges valóságot reprezentálnak, továbbá lehetővé teszik majd azt is, hogy olyan kapuk és átjárók épüljenek, amiken átmenve beléphetünk ezekbe az univerzumokba. Végül majd ő maga is belép az alagútba, elindul az Úton, és találkozni fog a leszármazottaival, akik az aszteroidán át szintén megszöktek.

Különös világba csöppen. Az emberek évszázadokkal ezelőtt elhagyták külső emberi formájukat és most különböző alakokat ölthetnek. Még a régóta elhunytak is megőriztethetik emlékeiket és személyiségüket egy óriási számítógépes memóriabankban és visszatérhetnek az életbe. Feltámadhatnak számtalan alkalommal úgy, hogy új testbe töltik be magukat. Implantátumokat helyeznek a testükbe, hogy korlátlan legyen az információtárolási képességük. Noha ezeknek az embereknek mindenük megvan, amit csak megkívánnak, a hősnő mégis igencsak nyomorúságosan érzi magát és nagyon magányos ebben a technológiai paradicsomban. Hiányzik neki a családja, a fiúja, az ő Földje, minden, amit a nukleáris háború elpusztított. Aztán engedélyt kap arra, hogy az Úton fekvő párhuzamos univerzumokat átfésülje, hátha talál egyet, amelyben a nukleáris háború elmaradt és amelyben a szerettei még életben vannak. Végül talál egy ilyet és átugrik abba az univerzumba. (Sajnálatos módon egy apró matematikai hibát vét: egy olyan univerzumba repül át, amelyben az óegyiptomi birodalom soha nem bukott meg. Fennmaradó napjait azzal tölti, hogy megpróbáljon egy olyan párhuzamos Földet találni, ami tényleg az ő igazi otthona.)

Noha az Eonban ismertetett dimenziókapuk teljes mértékben a képzelet termékei, mégis felvet egy minket nagyon is érdeklő kérdést: találhatunke menedéket egy párhuzamos univerzumban, ha ebben az Univerzumban a körülmények elviselhetetlenné válnak számunkra? A mi Univerzumunk végső széthullása elektronok, neutrínók és fotonok élettelen keverékévé, az intelligens élet utolsó ítéletét jövendöli meg. Az a korszak, amelyben az élet képes kivirágozni, rendkívül rövid időszakra koncentrálódik: az égboltot bevilágító csillagok életének tovatűnő korára. Ahogy az Univerzum hűl és idősebb lesz, az élet folytatása lehetetlennek tűnik. A fizika és a termodinamika törvényei nagyon világosak: ha az Univerzum tágulása egyre gyorsuló ütemben folytatódik, az általunk ismert intelligencia ezt nem élheti túl. Az Univerzum kihűlése azonban évmilliárdokig tart, kérdés, hogy azalatt egy fejlett civilizáció vajon megmentheti-e magát?

Összegyűjtve minden technológiát, minden létező civilizáció technológiáját, ami csak létezik az Univerzumban, megszökhet-e az értelem az elkerülhetetlenül bekövetkező Nagy Fagy elől?

Mivel az Univerzum egyik szakaszból a másikba történő átalakulásának idejét milliárd és billió évekkel mérjük, rengeteg idő áll egy okos, ipari civilizáció rendelkezésére, hogy ezekkel a kihívásokkal szembenézzen. Noha kissé meredek spekuláció azon merengeni, hogy egy fejlett civilizáció miféle technológiával képes meghosszabbítani létezésének időtartamát, mégis, a fizika ismert törvényeinek felhasználásával lehet beszélni azokról a tág lehetőségekről, amelyek a mostantól számított milliárd évek múlva e civilizáció(k) számára elérhető(k) lesz(nek). A fizika képtelen azt megmondani, hogy egy fejlett civilizáció pontosan miféle konkrét terveket készíthet, azt viszont pontosan be tudja határolni, hogy egy szökéshez milyen paramétereknek milyen tartományban kell eleget tenni. Egy mérnök számára az Univerzum elhagyása során felmerülő fő probléma az, hogy vajon rendelkezésre áll-e majd minden erőforrás, ami egy ilyen nehéz mutatvány végrehajtásához szükséges? A fizikus számára a fő gond persze egészen más: a fizika törvényei egyáltalán megengedik-e egy ilyen gépezet építését? A fizikusok az elvi lehetőséget akarják először bebizonyítani: meg akarjuk mutatni, hogy ha eléggé fejlett technológia van a birtokunkban, akkor a fizika törvényei szerint lehetséges a menekülés egy másik univerzumba. Hogy rendelkezésre álló erőforrások elegendők-e, az másodlagos fontosságú részlet, ami a milliárd évek múlva létező, a Nagy Faggyal akkor szembenéző civilizációkra maradó kérdés.

Sir Martin Rees királyi csillagász szerint: „A féreglyukak, extra dimenziók és kvantumszámítógépek olyan új, noha spekulatív lehetőségeket nyitnak meg, amelyek talán képesek Univerzumunkat „élő kozmosszá" átalakitani."

I., II. és III. típusú civilizációk

A miénk előtt többezer vagy többmillió évvel járó civilizációk megértéséhez a fizikusok e civilizációkat azok energiafogyasztása és a termodinamika főtételei alapján osztályozzák. Amikor az intelligens élet jelei után nyomoznak az égbolton, akkor a fizikusok nem a kis zöld emberkéket keresgélik, hanem az I., II. és III. típusú civilizációk

energiatermelésének jeleit.

Ezt a jellemzést egy orosz fizikus, nevezetesen Nyikolaj Kardasov vezette be az 1960-as években, hogy a világűrben lévő esetleges más civilizációktól érkező rádiójeleket osztályozhassa. Minden civilizációtípus jellegzetes sugárzást bocsát ki, amit képesek vagyunk mérni és katalogizálni. (Műszereinkkel még olyan fejlett civilizáció létét is ki tudjuk mutatni, amelyik megpróbálja eltitkolni létezését. A termodinamika második főtétele szerint bármely fejlett civilizáció entrópiát termel, ami elpocsékolt hő formájában elkerülhetetlenül kisugárzódik a világűrbe. Még ha megpróbálják is álcázni jelenlétüket, az entrópiatermelés okozta halvány dicsfény ragyogását lehetetlen elrejteniük.)

Az I. típusú civilizáció olyan, hogy az energia planetáris formáit hasznosítja.

Energiafogyasztásuk pontosan mérhető: képesek a bolygójukat

érő teljes napfényt, azaz nagyságrendileg kb. 10^16 W teljesítményt befogni. Ezzel a planetáris energiával képesek bolygójuk időjárását ellenőrzés alatt tartani vagy módosítani, megváltoztathatják a hurrikánok útvonalát vagy építhetnek városokat az óceánokra. Az ilyen civilizációk bolygójuk tökéletes mesterei és planetáris civilizációt teremtettek.

A II. típusú civilizációk már kimerítették a bolygójuk nyújtotta teljesítményt és egy egész csillag energiáját, azaz nagyságrendileg 10^26 W teljesítményt képesek munkavégzésre fogni. Képesek kihasználni a csillaguk teljes energiatermelését, és elképzelhető, hogy képesek ellenőrzés alatt tartani a csillagok hőjét és begyújthatnak más csillagokat.

Egy III. típusú civilizáció már egy egész naprendszer teljesítményét is kimerítette, és ezért anyagalaxisának nagyobb részét kolonizálta. Egy ilyen civilizáció képes 10 milliárd csillag, azaz hozzávetőleg 10^36 W teljesítményt felhasználni.

A civilizációk mindegyik típusa az eggyel alatta levőtől 10 milliárdszoros faktorban különbözik. Így egy III. típusú civilizáció - milliárdnyi csillag energiatermelését begyűjtve - egy II. típusúnál 10 milliárdszor több energiát képes használni, a II. típusú pedig 10 milliárdszor többet termel, mint egy I. típusú. Noha a szakadék, ami ezeket a civilizációkat egymástól elválasztja, csillagászati méretűnek tűnik, lehetséges megbecsülni azt az időskálát, ami egy III. típusú civilizációs állapot eléréséhez szükséges. Tegyük fel, hogy egy civilizáció évente 2 vagy 3 százalékkal növeli az energiatermelését.

(Ez hihető feltevés, mivel az ésszerűen kiszámítható gazdasági növekedés közvetlenül kapcsolódik az energiafogyasztáshoz. Minél nagyobb a gazdasági növekedés, annál nagyobb az energiaigény. Mivel a nemzeti össztermék, azaz a GDP növekedése a legtöbb nemzet esetében 1-2 százalékkal nő évente, azt várhatjuk, hogy az energiafogyasztás üteme nagyjából hasonlóan növekszik.)

Ezzel a szerény ütemmel számolva ahhoz a becsléshez jutunk, hogy a mi civilizációnk 100 vagy 200 éven belül I. típusú civilizációvá fejlődik. 1000-től 5000 évig terjed az az időtartam, ami egy II. típusú civilizáció eléréséhez szükséges. Úgy talán 100 ezertől 1 millió évig terjedő időbe telhet, amíg a III. típust elérjük. Egy ilyen skálán a mi jelenlegi civilizációnk 0. típusúnak osztályozható, mivel energiaigényünket halott növényekből (kőolajból és szénből) nyerjük. Még a hurrikánok ellenőrzés alatt tartása is - ami néhány száz nukleáris fegyverben felszabaduló energiát igényelne - túl van a technológiai lehetőségeinken.

A mostani civilizációnk jobb leírása érdekében a csillagász Carl Sagan a fenti skála finomítása mellett érvelt. Az I., a II. és a III. típusú civilizációk rendre 10^16, 10^26 és 10^36 W energiát állítanak elő. Sagan bevezette az 1.1 típusú civilizációt, amelyik 10^17 energiát termel, az 1.2 típusú civilizációt, amelyik 10^18 W energiát termel, és így tovább. Minden civilizációt tíz alosztályra osztva, a saját civilizációnkat is osztályozhatjuk. Ezen a skálán mi nagyjából a 0,7-es értéknél helyezkedünk el - az igazán planetáris civilizációvá válás határait ostromoljuk. (Az energiatermelési rátát tekintve a 0,7-es típus azt jelenti, hogy az I. típusnál még ezerszer kevesebb energiát termelünk.)

Noha a mi civilizációnk még nagyon primitív, vannak már jelei annak, hogy átmeneti fázisban vagyunk. Amikor csak a szalagcímekre pillantok, mindig látom e történelmi fejlődés nyomait. Kiváltságos helyzetben érzem magamat, hogy akkor élek, amikor tanúja lehetek a következőknek:

• Az internet egy kialakulóban levő I. típusú telefonrendszer. Megvan benne a lehetőség arra, hogy egy bolygóméretű, egyetemes információs hálózat alapja legyen.

• Egy I. típusú társadalmat nem a nemzetek dominálnak, hanem az Európai Unióra hasonlító nagy kereskedelmi tömörülések, amit a NAFTA (az észak-amerikai államok kereskedelmi szövetsége) versenytársaként hoztak létre.

• Egy I. típusú társadalom nyelve valószínűleg az angol lesz, amely máris a Föld domináns második nyelve. Nagyon sok harmadik világbeli országban a középiskolákban és a felsőoktatásban az angol és a helyi nyelv közötti választás helyett mindkettő együttes használata felé mozdulnak el. Az I. típusú civilizáció teljes népessége ilyen módon lehet kétnyelvű, egyaránt beszélik a helyi nyelvet és a planetáris nyelvet.

• A nemzetek, noha az elkövetkező évszázadokban is fennmaradhatnak valamilyen formában, egyre kevésbé fontosakká válnak, ahogy a kereskedelmi akadályok leomlanak és ahogy a világ részei egymással gazdaságilag kölcsönös függésbe kerülnek. (A modern nemzetek eredetileg részben a tőkéseknek és azoknak köszönhetően formálódtak

ki, akik egységes pénzárfolyamokat, adókat és törvényeket akartak, amelyek elősegítik az üzletmenetet. Ahogy maga az üzlet egyre nemzetközibbé válik, a nemzeti határok úgy válnak egyre kevésbé fontosakká.) Egyetlen nemzet sem képes egymaga megállítani az I. típusú

civilizáció felé haladás folyamatát.

• A háborúk talán mindörökre velünk maradnak, de a megváltozik háború jellege a planetáris középosztály felbukkanásával, akik egyre inkább érdekeltek a turizmusban és az erőforrások, valamint a készletek felhalmozásában ahelyett, hogy más embereket legyőzzenek, vagy hogy fegyveresen ellenőrizzenek piacokat vagy földrajzi régiókat.

• Egyre növekvő mértékben kell megküzdenünk a környezetszennyezéssel. Üvegházhatást okozó gázok, savas esők, pusztító erdőtüzek

és más hasonlók nincsenek tekintettel a nemzeti határokra, és a szomszédos nemzetek nyomást gyakorolnak a környezetszennyezőkre,

hogy a megsértett területeket helyreállítsák. A globális környezeti problémák segítenek meggyorsítani a globális megoldások alkalmazását.

• Amint a készletek (mint például a halászat, a mezőgazdasági termelés vagy a vízkészletek) fokozatosan kimerülnek a túlfogyasztás és a túlművelés miatt, egyre nagyobb nyomás nehezedik ránk, hogy erőforrásainkat globális skálán kezeljük, különben szembe kell néznünk az éhséggel és az összeomlással.

• Az információk majdnem teljesen szabadok, ami felbátorítja a társadalmat, hogy egyre demokratikusabb legyen, ez viszont nyomást gyakorol a diktatúrákra és lehetővé teszi az elnyomottaknak, hogy új életet kezdhessenek.

Ezek az erők túl vannak azon, hogy bárki egyén vagy bármely nemzet egymaga ellenőrizhesse. Az internetet nem lehet törvényen kívül helyezni. Valójában bármely ilyen kísérlet inkább komikus, mint riasztó, mert az internet a gazdasági fejlődés, a tudomány, a kultúra és a szórakozás útja. A 0. típusból az I. típusba való átmenet a legveszélyesebb, mert még mindig azokat a kegyetlen tulajdonságainkat mutatjuk, amelyek akkor jellemeztek minket, amikor lejöttünk a fáról. Civilizációnk fejlesztése bizonyos értelemben versenyfutás az idővel. Egyfelől az I. típusú planetáris civilizáció felé való menetelés a soha nem látott béke és prosperitás korszakát ígérheti. Másfelől, az entrópia ereje (az üvegházhatás, a környezetszennyezés, a nukleáris háború, a

fundamentalizmus, a járványok) véget vethetnek nekünk. Sir Martin Rees úgy tekinti ezeket a fenyegetettségeket, meg azokat, amelyeket a terrorizmushoz, a genetikailag módosított terményekhez,

és egyéb technológiai rémálmokhoz kapcsolódnak, mint néhányat azok közül a legnagyobb kihívások közül, amelyekkel az emberiségnek mindenképp szembe kell néznie. Kijózanító, hogy csak 50% esélyt lát arra, hogy sikeresen túljutunk ezeken a kihívásokon.

Talán éppen ez lehet az oka annak, hogy nem látunk a világűrben más I. típusú civilizációt. Ha valóban léteznének, talán annyira fejlettek, hogy semmi érdekességet nem látnak a mi primitív, 0,7-es típusú társadalmunkban. De más is megtörténhetett: talán egy romboló háború, vagy a saját környezetszennyezésük pusztította ki őket akkor, amikor az I. típus elérésére törekedtek. (Ebben az értelemben a Föld felszínét valaha is taposó generációk közül a most élő a legfontosabb: rajtunk múlik, hogy biztonságban átlépünk-e egy I. típusú civilizációba.)

Ahogy Friedrich Nietzsche mondta egyszer: ami nem öl meg minket, az erősebbé tesz. A 0. típusúból az I. típusba történő fájdalmas átmenetünk bizonyosan egy istenítélet jellegű tűzpróba lesz, miközben számos alkalommal csak a vak szerencse ment meg bennünket. Ha ezeken a kihívásokon sikeresen túl tudunk jutni, akkor erősebbek leszünk, mint ahogy a kovácsolt vasat is a kalapácsolás edzi meg.

I. típusú civilizációk

Valószínűtlen, hogy amikor egy civilizáció eléri az I. állapotot, akkor rögtön elkezdi meghódítani a csillagokat. Sokkal valószínűbb, hogy előbb évszázadokig az otthonául szolgáló bolygóján marad, elegendően hosszú ideig ahhoz, hogy megoldja a még megmaradt nemzetiségi, vallási, faji és a szélsőségesek okozta problémáit. A tudományosfantasztikus regények írói gyakran alábecsülik az űrutazás és az űrgyarmatosítás nehézségeit. Manapság 10 000 és 40 000 dollár közötti összegbe kerül egyfontnyi (kb. 45 dkg) tömeget Föld körüli pályára juttatni. (Képzelje el, hogy John Glenn^15 teljesen tömör aranyból való, és elkezdheti felbecsülni az űrutazás fantasztikusan nagy költségeit.) Minden egyes űrsiklómisszió 800 millió dollárba kerül (ehhez a számhoz úgy jutunk, hogy vesszük az űrsiklóprogram teljes költségét és elosztjuk az indítások számával). Az űrutazás ára, a következő néhány évtizedben valószínűleg csökkenni fog, de csak kb. egy tízes faktorral, mégpedig az újrafelhasználható indítóeszközök (RLV, Reusable Lunch Vehicle) kifejlesztésével, amik rögtön ismét felhasználhatóak lesznek, amint egy küldetés befejeződött. A 21. század legnagyobb részében az űrutazás gazdasági okokból továbbra is tiltott terület lesz, kivéve a leggazdagabb ipari cégeket és nemzeteket.

15 Az első amerikai űrhajós, aki 1962-ben a Mercury-6 űrmisszió keretében megkerülte a Földet. (A szaklektor megjegyzése.)

(Van egy lehetséges kivétel: az „űrliftek" kifejlesztése. A nanotechnológia legújabb fejlesztései szupererős és szuperkönnyű fonalak készítését teszi lehetővé. Elméletben ezek a fonalak lehetővé tennék, hogy a Földet egy, a felszín felett 20 000 mérföld magasságban geoszinkron pályán keringő műholddal kössék össze. Ezek után ilyen nanoszálakon keresztül az emberek képesek lehetnének a szokásos összeg töredékéért felmenni az űrbe. Az űrkutatással foglalkozó tudósok hagyományosan azért vetették el az űrliftek gondolatát, mivel a fellépő feszültség bármely elemi szálat elszakítana. A karbonszálak megjelenése azonban megváltoztatta ezt a képet. A NASA már szponzorál előtanulmányokat, és a következő években alaposan megvizsgálják a kérdéskört. De még ha egy ilyen technológia használhatóságát be is bizonyítanák, akkor is csak Föld körüli pályára tudna vinni minket, nem pedig a következő bolygóra.)

Az űrkolonizáció álmaival kapcsolatos kedélyeket tovább hűti a tény, hogy a Föld körüli űrutazások árainak a sokszorosába kerül egy holdutazás vagy egy másik bolygóra tervezett emberes expedíció. Kolumbusz és a többi hajós évszázadokkal ezelőtti felfedezőútjaival ellentétben - amikor a hajók összköltsége elenyésző része volt csupán Spanyolország akkori nemzeti összjövedelmének, míg a várható gazdasági haszon óriásinak ígérkezett -, a holdi és marsi kolóniák több nemzetet is a csődbe vinnének, miközben az ilyen kolonizációt semmilyen közvetlen, a gazdaságra gyakorolt kedvező hatás nem kísérné. Egy egyszerű emberes marsutazás költségei valahol 100 milliárd és 500 milliárd dollár között lennének, és kevés remény lenne a gazdasági megtérülésre.

Hasonlóképpen, számításba kell vennünk az utasokra leselkedő veszélyeket is. A folyékony üzemanyagú rakétákkal kapcsolatos, fél évszázados tapasztalataink alapján egy katasztrófa esélye 1:70-hez. (És tényleg, a két űrsikló elvesztése pontosan illeszkedik ebbe a statisztikába.) Gyakran elfelejtjük, hogy az űrutazás valami egészen más, mint a turizmus. Olyan sok könnyen elillanó üzemanyaggal és annyi súlyos rizikófaktorral, amennyi az űrutazásban van, az űrutazás a következő évtizedekben is kockázatos marad.

Évszázados időskálára előretekintve, a helyzet fokozatosan megváltozik. Ahogy az űrutazás ára szép lassan csökkenni fog, néhány űrtelepes elfoglalhatja a Marsot. Ilyen időskálán a tudósok szellemes eljárásokat dolgoznak majd ki arra nézve, hogyan kellene a Földhöz hasonlóvá formálni a Marsot.

Például elterelnek egy üstököst, anyagát gőzzé alakítják az atmoszférában, és így vízgőz kerül a légkörbe. Mások amellett kardoskodnak, hogy metánt kellene a légkörbe ereszteni, hogy ennek a gáznak az üvegházhatásával melegítsék fel a vörös bolygót, és olvasszák meg a Mars altalaját. Ezáltal milliárd évek óta először patakok folynának a Marson és tavak töltődnének fel. Mások még különlegesebb, még veszélyesebb eljárásokat javasolnak, mégpedig a marsi poláris jégtakaró alatti nukleáris robbantásokat, ami rengeteg jeget olvasztana meg (ez viszont egészségügyi kockázatokat jelentene a jövőbeni marsi gyarmatosítók számára). Persze ezek a javaslatok ma még csak a fantázia világába tartoznak.

Sokkal valószínűbb, hogy egy I. típusú civilizáció az űrkolóniák létesítését csak a távoli jövőben, néhány évszázad elteltével találja majd fontosnak.

Azokra a nagytávolságú bolygóközi útvonalakra, ahol az utazáshoz szükséges idő nem nagyon számít, az ionhajtóművek kifejlesztése a szükséges hajtóerő új formáját jelentheti. Az ilyen lomha hajtóművek igen csekély tolóerőt fejtenek ki, azt viszont éveken át. Ezek összegyűjtik a Napról érkező energiát, gázt, mint például céziumot melegítenek fel vele, majd a forró gázt kidobják maguk mögé, és ezáltal tesznek szert némi gyengécske tolóerőre, de ezt a tolóerőt majdnem végtelen ideig fenn tudják tartani. Az ilyen berendezésekkel működtetett közlekedési eszközök ideálisak lennének egy bolygókat összekötő „interplanetáris autópálya" hálózathoz.

Az I. típusú civilizációk végül néhány kísérleti eszközt küldhetnek a közeli csillagokhoz. Mivel a kémiai reakciókra alapozott rakéták végsebessége a rakétából kiáramló gáz sebessége miatt korlátozott, a fizikusoknak a meghajtás új módjait kell kieszelniük, ha több száz fényévre lévő csillagok elérésében akarunk reménykedni. Az egyik lehetséges megoldás talán a fúziós tolósugár-hajtómű, ami olyan rakéta, ami hidrogént fog be a csillagközi térből, majd fúzióra készteti, és a folyamatban elképzelhetetlenül nagy mennyiségű energiát szabadít fel. A proton-proton fúziót azonban még a Földön is nehéz megvalósítani, hát még egy, a világűrben lebegő csillaghajón. Az ilyen technológiákat a legjobb esetben is valamelyik jövőbeni évszázadban alkotják meg.

II. típusú civilizációk

Egy II. típusú civilizáció képes egy egész csillag energiáit hasznosítani, ami a Star Trek-beli Bolygóközi Szövetség egy változatára emlékeztet, csak éppen térugrás nélküli verzióra. A Tejútrendszer egy kis szegletét kolonizálják, és képesek csillagokat begyújtani, ezért a II. típusba felemelkedett civilizációként osztályozzuk őket.

Freeman Dyson korábban arra gondolt, hogy egy II. típusú civilizáció a Nap teljes energiájának kihasználásához talán egy gigantikus gömböt épít a Nap köré, hogy a Nap teljes kisugárzott fényét elnyeléssé vele. Egy ilyen civilizáció esetleg képes arra, hogy például szétszedjen egy Jupiter méretű bolygót és anyagát szétossza ebben a Nap körüli gömbben. A termodinamika második főtétele alapján egy ilyen gömb felmelegszik, és a felvett hőt jellegzetes infravörös sugárzás formájában sugározza ki a világűrbe. Jun Jugaku (Japán Civilizációs Kutatóintézet) és kollégái a Nap körüli 80 fényév távolságig átvizsgálták az égboltot efféle civilizációk után, de ilyen jellegű infravörös sugárzás nyomait nem találták (ne felejtsük el, hogy a Galaxis átmérője 100 000 fényév!).

Egy II. típusú civilizáció a saját naprendszerében telepeseket küldhet egy-egy bolygójára, és elkezdheti a csillagközi utazás eszközeinek és módszereinek a kifejlesztését. Mivel óriási mennyiségű energia áll egy II. típusú civilizáció rendelkezésére, potenciálisan képesek olyan egzotikus sugárhajtóműveket kifejleszteni, mint például a csillaghajóikat hajtó anyagantianyag annihilátorok, ami lehetővé teszi számukra a közel fénysebességgel történő űrutazásokat. Elméletben az ilyen

energiaátalakítások közel 100% hatásfokúak. Ilyen hajtómű gyakorlatilag egy I. szinten álló civilizáció számára is lehetséges, de ezen a szinten ez még olyan drága, hogy tiltottnak tekinthető (egy olyan atomzúzóra van szükség, ami antiprotonnyalábot hoz létre, amikből aztán antiatomok készíthetők). Csak elképzeléseink lehetnek arról, hogy egy II. típusú civilizáció hogyan működik. De évezredek kellenek ahhoz, hogy a tulajdonjogról, az erőforrásokról és a hatalomról szóló vitákat lefolytassák. Egy ilyen civilizáció lényegében halhatatlan. A tudomány nem ismer olyan okot, ami lerombolhatna egy ilyen civilizációt, kivéve persze, ha saját ostoba lakói pusztítják el magukat. Az üstökösök és a meteorok eltéríthetők, az időjárás alakításával a jégkorszakok kiküszöbölhetők, még egy közeli szupernóva okozta bajok is elkerülhetők azáltal, hogy bolygójukat egyszerűen a veszélyzónán kívülre vontatják - vagy esetleg a haldokló csillag termonukleáris energiáját csökkentik le a már veszélytelen mértékre.

III. típusú civilizációk

Mire egy civilizáció eléri a III. szintet, addigra elkezdhet elmélkedni azokon a fantasztikus energiaszinteken, amelyeken az idő és a tér instabillá válik. Emlékezzünk, hogy a Planck-energia az az energiaszint, amelyen a kvantumeffektusok válnak dominánssá, és a téridő habossá lesz, teleaggatva féreglyukakkal és apró buborékokkal. A Planck-energia előállítása messze a jelenlegi képességeink határain túl van, de mindezt csak a mi szerény, 0,7-es típusú civilizációnk energialehetőségei szempontjából szemléljük.

Akkoriban majd, amikor egy civilizáció eléri a III. szintet, definíció szerint 10 milliárdszor 10 milliárd (10^20-szor) több energia felett rendelkezik, mint amennyivel manapság a Földön bírunk.

A csillagász Ian Crawford (University College, London) azt írja a III. típusú civilizációkról, hogy „feltételezve, hogy a kolóniák átlagosan 10 fényévre vannak egymástól, és létezik a fénysebesség 10%-ával haladni képes űrhajó, és feltételezve azt, hogy a kolónia a saját megalapítása után 400 évvel később küldi ki egyedeit újabb telepek létesítésére, a kolóniák határai átlagosan évente 0,02 fényévvel tolódnak kijjebb. Mivel a Galaxis átmérője 100 ezer fényév, legfeljebb ötmillió évet vesz igénybe a teljes Galaxis gyarmatosítása. Noha ez óriási időtartamnak tűnik az emberi gondolkodás számára, a Galaxis korának ez mindössze csak 5%-a."

A tudósok nagyon komolyan veszik a Galaxisunkban lévő esetleges III. típusú civilizációk rádiójeleinek keresését. A Puerto Ricóban lévő arecibói óriási rádiótávcső a Galaxis nagy részét átvizsgálta a hidrogéngáz sugárzásának

frekvenciájához közel lévő 1,42 GHz-es frekvencián, hogy rádiójeleket keressen. Semmilyen bizonyítékot nem találtak arra nézve, hogy valamilyen civilizáció rádiójeleket küldene felénk ezen a frekvencián 10^18 és 10^30 W közötti teljesítménnyel (ez I.2 és II.4 közötti civilizációkat jelent). Ez persze nem zárja ki, hogy léteznek civilizációk éppen csak előttünk járó technológiával (0.8-tól 1.l-ig terjedően), vagy éppenséggel egy minket jelentősen felülmúló, II.5 feletti civilizációk létezését sem veti el.

Ez a mérés ugyancsak nem zárja ki a kommunikáció egyéb lehetséges formáit sem. Például egy fejlett civilizáció rádiójelek helyett inkább lézerekkel küldhet jeleket a világűrbe. Ha rádiójeleket használnak, választhatnak más frekvenciát is, mint 1,42 GHz. Például rengeteg frekvencián sugározhatják ki rádiójeleiket, amelyeket a vevőben egyesíteni kell, így elkerülhetik, hogy az üzenetközvetítést egy éppen az adó és a vevő között elhaladó csillag megzavarja, vagy egy kozmikus vihar interferáljon az üzenettel.

Aki a kisugárzott jeleket veszi, csak érthetetlen beszédet hall. (A mi e-mailjeink rengeteg részre vannak feldarabolva, és minden darab egy másik városon megy keresztül, míg végén a mi PC-nkben egyesülnek. Hasonlóképpen, a fejlett civilizációk igen kifinomult módszereket választhatnak ahhoz, hogyan osszák kisebb darabokra az üzenetüket és utána a végén hogyan egyesítsék újra.)

Ha létezik III. típusú civilizáció az Univerzumban, akkor az őket zavaró egyik legnagyobb probléma egy Galaxison belüli kommunikációs hálózat kiépítése. Ez a nehézség természetesen annak a függvénye, hogy vajon mesterei-e a fénynél gyorsabb technológiáknak, mint például a féreglyukaknak. Ha feltesszük, hogy nem, akkor a növekedésük üteme jelentősen lelassul. A fizikus Freeman Dyson Jean-Marc Levy-Leblondot idézve úgy véli, hogy az ilyen civilizációk egyfajta „Carroll"-féle univerzumban élnek, olyanban, amelyet ő Lewis Carroll-ról nevezett el.

Dyson azt írja, hogy a múltban az emberi társadalom kis törzsekben létezett, amelyben a tér abszolút, az idő relatív volt. Ez azt jelentette, hogy az elszórt törzsek között a kommunikáció lehetetlen volt, és emberi időskálán belül a szülőhelyünktől számított kis távolságok megtételére vállalkozhattunk csak. Minden törzset a másiktól óriási abszolút tér választott el. Az ipari forradalom beköszöntével a newtoni univerzumba léptünk be, amelyben a tér és az idő is abszolút, és lettek hajóink meg gőzgépeink, amelyek az elszórt törzseket nemzetekké egyesítették. A 20. században az einsteini univerzumba léptünk be, amelyben az idő is, a tér is relatív, és kifejlesztettük a távírókészüléket, a telefont, a rádiót, a tévét és az internetet, lehetővé téve az azonnali kommunikációt. Egy III. típusú civilizáció ismét visszasüllyedhet a Carroll-univerzumba, amelyben az egyes űrtelepeket a csillagközi tér irdatlan távolságai választják el egymástól, és amelyek nem tudnak egymással kommunikálni a fénysebesség határvolta miatt. Az ilyen Carroll-univerzumokra való széthullás megelőzése érdekében egy III. típusú civilizációnak szüksége lehet arra, hogy kifejlessze a féreglyukakat, amelyek szubatomi szinten lehetővé teszik a fénynél gyorsabb sebességű kommunikációt.

IV. típusú civilizációk

Amikor egyszer a londoni planetáriumban tartottam előadást, egy körülbelül tízéves kisfiú odajött hozzám, és azt bizonygatta, hogy kell lennie IV típusú civilizációknak is. Amikor azonban emlékeztettem őt arra, hogy csak bolygók, csillagok és galaxisok vannak, és ezek az intelligens élet kivirágzásához egyedül lehetséges helyek, azt állította, hogy a IV típusú civilizáció használhatná a kontinuum energiáját.

Rájöttem, igaza van. Ha egy IV típusú civilizáció létezhetne, az energiaforrása talán extragalaktikus eredetű lenne, mint a köröttünk mindenütt látott sötét energia, ami az Univerzum anyagés

energiatartalmának 73%-át teszi ki. Bár a sötét energia egy óriási energiatartály – napjainkig a legnagyobb, amit megismertünk -, ez az antigravitációs mező az űr roppant nagy mélységeiben van szétszóródva, és ezért a tér bármely pontjában rendkívül gyenge.

Nikola Tesla, az elektromosság géniusza, aki Thomas Edison riválisa volt, írt a vákuumenergia lecsapolásáról. Úgy hitte, hogy a vákuumban energia van elrejtve. Ha valahogy megcsapolhatnánk ezt a forrást, akkor az - úgy gondolta - az egész emberi társadalmat forradalmasítaná. De ennek a mesés energiának a kinyerése különösen nehéz feladat. Gondoljunk arra, hogy az óceánban kell aranyat keresnünk. Valószínű, hogy az óceánban több arany van mint Fort Knox^16-ban és a világ többi kincstárában együttvéve.

A költségek miatt azonban nem is gondolhatunk arra, hogy ezt az óriási mennyiségű aranyat kinyerjük az óceánból, így aztán sose juthatunk hozzá.

Analóg módon, a sötét energiában rejtőzködő energia mennyisége felülmúlja a csillagokban és a galaxisokban lévő energiamennyiséget. De ez az energia milliárd fényéveken keresztül oszlik el és nehéz dolog lenne koncentrálni. Ám a fizika törvényei alapján még elképzelhető, hogy egy fejlett III. típusú civilizáció, kimerítve a galaxisában lévő csillagok energiáját, valahogyan megpróbálja megcsapolni ezt a forrást és átmenjen IV típusú civilizációba.

16 Az USA aranytartalékait tárolják itt. (A szaklektor megjegyzése.)

Az információ szerinti osztályozás

Az új technológiákra alapozva, a civilizációk osztályozását tovább lehet finomítani. Kardasov az eredeti osztályozási sémát az 1960-as években írta le, még azelőtt, hogy a számítógépek miniatürizálása, a nanotechnológia fejlődése és a környezetrombolás problémáinak tudatosodása megtörtént volna. E fejlődés fényében egy fejlett civilizáció előrehaladása kissé eltérő utat is követhet, hiszen minden előnyét megragadhatja annak az információs forradalomnak, aminek ma tanúi vagyunk. Ahogy egy fejlett civilizáció exponenciálisan fejlődik, bőséges hulladékproduktuma veszélyesen megemelheti a bolygó légkörének hőmérsékletét és ez éghajlati problémákhoz vezethet. Baktériumtenyészetek addig szaporodnak egy petricsészében, amíg végül kimerítik a táptalajukat és a szó szoros értelmében a saját szemetükbe fulladnak bele. Ehhez hasonlóan, mivel rutinszerű űrutazások még évszázadokig nem lesznek, és mert

- ha egyáltalán lehetséges - a közeli bolygók Föld-szerűre formálása óriási technikai és tudományos kihívást jelent, egy fejlődésben lévő I. típusú civilizáció vagy a saját szemete hőjében fuldoklik, vagy pedig miniatürizálhatja és korszerűsítheti információtermelését.

Az ilyen miniatürizálás hatékonyságának belátásához tekintsük például az emberi agyat, ami körülbelül 100 milliárd neuronból áll (ugyanannyiból, amennyi galaxis van a belátható Univerzumban), de alig produkál hőkibocsátást. Ugyanakkor, ha ma egy számítógép-tervező mérnöknek azt a feladatot adnánk, hogy tervezzen olyan elektronikus masinát, amelyik másodpercenként kvadrilliónyi művelet elvégezésére képes - ami az agynak látszólag nehézség nélkül megy -, akkor az a gép valószínűleg számos méretes blokkból állna, amik hűtéséhez egy egész víztározó kellene. Agyunk a legfennköltebb gondolatokat is úgy tudja megalkotni, hogy nem izzad bele.

Az agy minderre molekuláris és sejthálózatának megfelelő tulajdonságai miatt képes. Először is, az agy nem számítógép (legalábbis abban az értelemben, hogy nem egy standard Turing-gép, nincs bemenete, kimenete és központi processzora). Az agynak nincs operációs rendszere, pl. Windowsja, nincsen CPU-ja, nincsen Pentium chipje, szóval semmi olyasmije, amiket szokásosan egy számítógéphez társítunk. Ehelyett az agy egy nagyon nagy hatásfokú neuronhálózat, egy tanuló gép, amiben a memória és a sémák egyetlen nagy központi processzoregység helyett az egész agyban vannak szétosztva. Az agy nem számol valami nagyon gyorsan, mivel a neuronok egymásnak az üzeneteket kémiai úton, és nem elektromos áramokkal küldik. De a többlet, amit ezért a lassúságért cserébe kapunk az, hogy egyidejűleg több feladatot is végre tud hajtani, ráadásul csillagászati sebességgel képes új dolgokat megtanulni.

Az elektronikus számítógépek hatékonyságát javítani akaró tudósok teljesen új, eredeti ötleteket próbálnak felhasználni munkájukhoz, és a miniatűr számítógépek következő nemzedékének megalkotásához nagyon sok ötletet a természetből vesznek. A Princetonon már képesek voltak számolni DNS-molekulákon (az eddigi számítógépek 0-k és 1-ek sorozatából építették fel az információt, a de ők a DNS négy alkotóját: az A, T, C és G nukleonsavjait kezelték úgy, mint egy számítógép lehetséges bemeneti és kimeneti jelszintjeit); az ő DNS-számítógépük megoldotta a különböző városok között utazó kereskedő problémáját (azaz megtalálni az N számú várost egymásutánban összekötő legrövidebb utat). Hasonlóképpen, molekuláris tranzisztorokat hoztak létre laboratóriumukban, és még az első primitív kvantumszámítógépeket is megalkották (amelyek atomokon számolnak).

Tekintve a nanotechnológia előrehaladását, elképzelhető, hogy egy fejlett civilizáció a fejlődésnek a saját létezését fenyegető, irdatlan mennyiségű hulladékhő termelése helyett a fejlődésnek egy sokkal hatékonyabb módját találja majd meg.

Sagan a fejlett civilizációk egy másik osztályozási rendszerét is kidolgozta, ami a civilizáció információtartalmán nyugszik - ez bármely olyan civilizáció számára lényegesnek bizonyulhat, amelyik az Univerzum elhagyásán gondolkozik. Egy A-típusú civilizáció 10^6 bit mennyiségű információt kezel - ez megfelel annak a primitív társadalomnak, amelyiknek nincsen írása, de beszél egy nyelvet. Azt megérteni, hogy egy A-típusú civilizáció mennyi információt is tartalmaz, Sagan a „20 kérdés" nevű játékot hozta fel példának, amelyben a játékos egy előtte ismeretlen tárgyat legfeljebb húsz kérdés alapján kell, hogy kitaláljon, de minden kérdésre csak igen vagy nem lehet a válasz. Az egyik lehetséges stratégia, hogy a világot két nagyobb, egymást kizáró szeletre osztjuk, például azt kérdezzük, hogy „Élő?" Húsz ilyen kérdés után a világot 2^20 darabra osztottuk, ami majdnem pontosan megfelel 10^6-nak, és ez az A-típusú civilizáció teljes információtartalma.

Amikor az írást felfedezik, akkor a teljes információmennyiség robbanásszerűen növekedni kezd. Az MIT-n dolgozó Phillip Morrison fizikus úgy becsüli, hogy az ókori Görögországból ránk maradt teljes írásos örökség nagyjából 10^9 bit mennyiségű lehet, ami Sagan listáján a C-kategóriának felel meg.

Sagan a jelenkori információmennyiséget is megbecsülte. A világ összes könyvtárában lévő könyvek mennyiségét (ami többmillió könyvet jelent) és minden egyes könyv oldalainak számát véve, arra jutott, hogy körülbelül 10^13 bit információnk van. Ha beleveszük a fotográfiákat is, akkor ez elérheti a 10^15 számot. Ez a skáláján H-típusú civilizációvá tenne minket. Az alacsony energiaszintünket és az információtartalmunkat tekintve mi 0,7H típusú civilizáció vagyunk.

Sagan szerint a mi első érintkezésünkben az egyik félnek egy legalább 1,5J vagy 1,8K típusú civilizációnak kell lennie, mert ezen a szinten lesz a civilizáció már mestere a csillagközi űrutazásnak. Egy ilyen civilizáció legalább néhány évszázaddal, ha nem évezredekkel van előttünk a fejlődésben.

Hasonlóképpen, egy galaktikus III. típusú civilizáció információtartalma is kiszámítható úgy, hogy a galaxisban az élet kialakulására alkalmas bolygók számát megszorozzuk minden egyes bolygó információtartalmával. Sagan egy ilyen civilizációt információtartalma alapján a Q-osztályba helyezné. Egy olyan fejlett civilizáció, amely milliárdnyi galaxis ami már a belátható Univerzum tekintélyes részét magában foglalná információtartalmát tudná összegyűjteni, a Z-kategóriába tartozna. Ez egyáltalán nem akadémikus kérdés. Bármely civilizációnak, amelyikben felmerül az Univerzum elhagyásának a gondolata, szükségszerűen össze kell gyűjtenie mindazokat az információkat, amelyek ahhoz kellenek, hogy kiszámítsa, mi fog rá várni az Univerzum másik oldalán. Az Einsteinegyenletek hírhedten nehezek, mivel a térgörbület bármely pontban való kiszámításához az Univerzumban lévő összes objektum helyzetét ismerni kellene, hiszen mindegyik hozzájárul a térgörbülethez. Ugyancsak ismerni kellene a fekete lyukakhoz tartozó kvantumkorrekciókat is, amelyeket jelenleg nem tudunk kiszámítani. Mivel ezeknek a feladatoknak a megoldása rendkívül nehéz a mi számítógépeink számára, a ma fizikusai a fekete lyukakat általában úgy közelítik meg, mintha ezek egyetlen meghalt és összeomlott csillagból állnának. A fekete lyuk

eseményhorizontján belüli, vagy egy féreglyuk szájához közeli dinamikának a valósághoz közelebb álló leírásához az összes közel lévő csillag pozícióját és energiatartalmát tudnunk kell, és ki kell számítanunk a

kvantumfluktuációkat.

Ismétlem: ez meglehetősen nehéz. Éppen elég problematikus egy üres Univerzumban álló magányos csillagra megoldani az egyenleteket, hát még egy felfúvódó Univerzumban galaxisok milliárdjaira.

Bármely civilizációnak, amely utazást tervez egy féreglyukon keresztül, ezért olyan számolási képességek birtokában kell lennie, amely messze egy mienkhez hasonló 0,7H típusú civilizáció lehetőségein túl van. Egy ilyen ugrásszerű képességnövekedéshez szükséges minimális energiaszintet és információmennyiséget talán csak egy IIIQ civilizáció képes elérni. Az is elképzelhető, hogy az értelem a Kardasov-féle osztályok határain túlra is kiterjedhet. Ahogy azt Sir Martin Rees írja: „Nagyon is hihető, hogy bár mostanság az élet még csak a Földön létezik, végül majd elterjed az egész Galaxisban, sőt azon túl is. Tehát az élet nem marad örökké az Univerzum egy kis szennyeződése akkor se, ha jelenleg csak az. Valójában ezt nagyon vonzó képnek találom, és üdvös dolognak tartom." De figyelmeztet is: „Ha kinyiffantjuk magunkat, akkor óriási kozmikus lehetőségeket puskázunk el. Ha valaki azt gondolja, hogy napjainkban az élet csak a Földre korlátozódik, az nem jelenti azt, hogy az élet az Univerzum része lesz mindörökké."

Mire is kell gondolnia egy, a haldokló Univerzum elhagyásán töprengő fejlett civilizációnak? Számos kemény akadályon kellene túljutnia.

Első lépés: a minden elméletének megalkotása és ellenőrzése

Az Univerzum elhagyásában reménykedő civilizáció előtt tornyosuló első gát a minden elméletének a befejezése. Legyen ez akár a húrelmélet vagy más, kell, hogy a birtokunkban legyen a módszer, amivel az Einsteinegyenletekhez kiszámítjuk a kvantumkorrekciókat, különben mindegyik elméletünk haszontalan. Mivel az Melmélet gyors fejlődésben van, bolygónk legjobb tudósai közül jó néhányan dolgoznak ezen a kérdésen, és így néhány évtizeden vagy talán még rövidebb időn belül tudni fogjuk, hogy ez valóban a „minden", vagy a semmi elmélete-e.

Amint egyszer a „minden elméletét", vagy a gravitáció kvantumelméletét megtalálják, fejlett technológiákat használva ellenőrizni kell az elmélet állításait. Számos lehetőség létezik, beleértve olyan hatalmas részecskegyorsítók építését, amelyek szuperrészecskéket hoznak létre, vagy nagy gravitációshullám-detektorokat telepítenek a világűrbe, vagy éppenséggel a Naprendszer különböző holdjaira. (A holdak hosszú időn keresztül nagyon stabilak, mentesek az eróziótól és a légköri zavaroktól, így egy bolygóközi méretű gravitációs hullámdetektor-rendszer az Ősrobbanás részleteinek tanulmányozására is alkalmas lenne, és megoldana számos olyan kérdési, ami a kvantumgravitációt és egy új univerzum létrehozását illeti.)

Amint a gravitáció kvantumelméletét megtalálják, és helyességét nagy részecskegyorsítókkal és érzékeny gravitációshullám-detektorokkal igazolják, elkezdődhet megválaszolni többek között az Einsteinegyenletekkel és a féreglyukakkal kapcsolatos következő néhány lényeges kérdést:

1. Stabilak-e a féreglyukak?

Amikor egy Kerr-féle forgó fekete lyukat keresztezünk, akkor az a probléma, hogy pont a mi jelenlétünk zavarja meg a fekete lyukat: emiatt azelőtt összeomolhat, mielőtt befejeznénk az EinsteinRosen-hídon keresztül teendő utazásunkat. A kvantumkorrekciók fényében ezeket az instabilitásokat feltétlenül újra kell számolni, és a kapott eredmények esetleg az egész elméleti képet megváltóztatják.

2. Vannak-e divergenciák?

Ha egy oda-vissza átjárható féreglyukon keresztülsétálunk, akkor a féreglyuk bejáratát körülvevő sugárzások végtelen naggyá válhatnak, ami katasztrofális lenne. (Ez azért következhetne be, mert a sugárzás átmehetne a féreglyukon, kissé megerősödne, majd visszamenne az időben, és sok-sok év múlva másodjára térne vissza a féreglyukhoz, hogy átmenjen rajta. Ez a folyamat végtelen sok alkalommal megismétlődhetne, és így a sugárzás végtelen nagyra felerősödne. Ez a probléma megoldható akkor, ha a sokvilág-elmélet helyes, vagyis az univerzum mindig kettéhasad, akárhányszor csak egy ilyesfajta sugárzás keresztülmegy rajta, és így a sugárzás erőssége nem nőhet végtelen nagyra. A „minden elméletére" van szükségünk ahhoz, hogy ezt a nyugtalanító kérdést a helyére tegyük.)

3. Találhatunke nagy mennyiségű negatív energiát?

A negatív energia olyan kulcsfontosságú alkotóelem, ami megnyithatja és stabilizálhatja a féreglyukakat. Tudjuk, hogy kis adagokban létezik. Vajon találhatunke belőle eleget a féreglyukak megnyitásához és stabilizálásához?

Feltételezve, hogy ezekre a kérdésekre lehet válaszokat kapni, egy fejlett civilizáció nekiállhat komolyan gondolkozni az Univerzum elhagyásán, vagy azon, hogy bizonyosan elpusztul. Számos alternatíva létezik az első lehetőségre.

Második lépés: keressünk a természetben előforduló féreglyukakat vagy fehér lyukakat

A világűrben létezhetnek természetes féreglyukak, dimenziókapuk és kozmikus húrok. Az Ősrobbanás pillanatában, amikor óriási mennyiségű energia szabadult fel, féreglyukak és kozmikus méretű húrok természetes úton is keletkezhettek. A korai Univerzum inflációs tágulása során ezek a féreglyukak makroszkopikus méretűre fúvódtak fel. Továbbá annak is megvan a lehetősége, hogy a világűrben természetes eredetű egzotikus anyag vagy negatív energia előfordul. Ez hatalmas mértékben segítené a haldokló univerzum elhagyását. Azonban semmi garancia nincs arra nézve, hogy ilyen objektumok valóban léteznek az Univerzumban. Soha senki nem látott még ilyen objektumot, és túlságosan kockázatosnak látszik, hogy egy ilyen feltételezésre alapozva bármely intelligens életforma sorsával játszadozzunk.

Lehetséges azonban az is, hogy az égboltot fürkészve egy fehér lyukat találunk. A fehér lyukak az Einsteinegyenletek egyik lehetséges megoldását reprezentálják, amelyben az idő meg van fordítva, így ezek ugyanazon a módon ontják magukból az objektumokat, ahogy a fekete lyukak elnyelik. Fehér lyukat a fekete lyuk túloldalán találhatunk, így egy fekete lyukban elnyelt anyag talán egy fehér lyukból árad ki. Eddig a csillagászati kutatások nem találtak fehér lyukak létezésére vonatkozó bizonyítékokat, de az űrben elhelyezendő mérőeszközök következő generációjával létezésük bebizonyítható vagy kizárható.

Harmadik lépés: küldjünk űrszondákat egy fekete lyukba

Vannak határozott előnyei annak, hogy a fekete lyukakat használjuk féreglyukakként.

Ahogy azt a felfedezések sora mutatja, az Univerzum tele

van fekete lyukakkal; ha a rengeteg technikai nehézséget meg tudjuk oldani, akkor bármelyik fejlett civilizáció más univerzumokba vezető menekülőnyílásként tekinthet rájuk. Továbbá, a fekete lyukon átmenve nincs olyan megkötés, hogy az időgép készítése előtti időkbe nem mehetünk vissza. A Kerr-gyűrű középpontjában lévő féreglyuk összekötheti ugyanannak az univerzumnak a különböző pontjait vagy az Univerzumunkat

más univerzumokkal. Az egyetlen módszer, hogy megmondjuk, melyik eshetőség áll fenn az, hogy megfelelő űrszondákkal kísérleteket hajtunk végre, és az Univerzumban lévő tömegek eloszlásának ismeretében szuperszámítógépek segítségével kiszámítjuk a féreglyuknál jelentkező, az Einsteinegyenletekhez tartozó kvantumkorrekciókat.

Jelenleg a fizikusok többsége úgy gondolja, hogy egy fekete lyukon át történő utazás fatális következményekkel járna. De a fekete lyukak fizikájának megértése még gyerekcipőben jár, és ezt a feltevést soha nem ellenőrizték. A vita kedvéért tegyük fel, hogy a fekete lyukon át, különösen egy forgó Kerr-típusú fekete lyukon keresztüli utazás lehetséges. Ekkor bármely fejlett civilizáció komolyan gondolkodhat azon, hogy a fekete lyuk belsejét automata mérőszondákkal tanulmányozza.

Mivel a fekete lyukon keresztüli utazás egyirányú lenne, és mert a fekete lyuk közelében számtalan veszély áll fenn, egy fejlett civilizációnak először egy közeli, csillagtömegű fekete lyukat kellene találnia, és azon kellene kísérletezgetnie. A kísérletről az eszköz mindaddig tudna értékelhető információt szolgáltatni, amíg nem keresztezi az eseményhorizontot és ezért meg nem szakad vele a kapcsolat. (Egy eseményhorizonton túli út ugyancsak halálos lenne, az ottani erős sugárzási övezetek miatt. A fekete lyukba behulló fénysugarak erős kékeltolódást szenvednek, és ezért egyre nagyobb energiákra tesznek szert, ahogy egyre közelebb kerülnek a centrumhoz.) Bármely kísérleti eszközt, amelyet az eseményhorizont közelébe juttatunk, megfelelő védelemmel kell ellátni az intenzív káros sugárzás ellen. Ráadásul ez destabilizálhatja magát a fekete lyukat, így az eseményhorizont szingularitássá változik és bezárja a féreglyukat. A kísérletből meghatározható lenne az eseményhorizonthoz közeli sugárzások mértéke és az is, hogy a jelenlévő energiafluxusok ellenére a féreglyuk stabil maradhat-e?

Még mielőtt az eseményhorizontot átlépné, az űrszondának a mért adatokat közeli űrhajókra kellene felsugároznia, de ott megint problémák lépnek fel. Az ezeken a hajókon lévő megfigyelők számára az eseményhorizont felé közelítő űrszonda az időben egyre lassabbnak tűnne. Amikor az eseményhorizonton van, úgy látszana, mint ami befagyott az időbe. E probléma elkerülése érdekében a szondának az eseményhorizonttól bizonyos távolságból kellene sugároznia a jeleit, különben a rádiójelei annyira vöröseltolódottak lesznek, hogy az adatsorok felismerhetetlenné válnak.

Negyedik lépés: építsünk egy lassan mozgó fekete lyukat

Amint az űrszondák a fekete lyukak eseményhorizontja körüli körülményeket alaposan felderítették, a következő lépés talán egy kísérleti célokat szolgáló, lassú mozgásban lévő fekete lyuk építése lesz. Egy III. típusú civilizáció valószínűleg megpróbálhatja az Einstein egyik cikkében leírt elméleti eredményt kísérletileg ellenőrizni: a cikkben Einstein arra jutott, hogy örvénylő porból és részecskékből soha nem lesz fekete lyuk. Einstein abban a tanulmányában azt próbálta megmutatni, hogy forgásban lévő részecskehalmaz magától nem tud a Schwarzschild-sugár méretűre összehúzódni (és ennek eredményeképp soha nem válik fekete lyukká).

Saját magától egy kavargó tömeg tehát nem válik fekete lyukká. De nyitva maradt a lehetőség, hogy ebbe a forgó rendszerbe valaki mesterségesen anyagot és energiát öntsön, arra kényszerítve az anyagot, hogy lassacskán a Schwarzschild-sugár alatti méretre húzódjon össze. Ilyen módon egy civilizáció képes kontrollált körülmények között manipulálni a fekete lyukak kialakulását.

Valaki például azt is elképzelhetőnek tarthatná, hogy egy III. típusú civilizáció neutroncsillagokat terel össze (a neutroncsillagok nagyjából Manhattan méretűek, de jóval nagyobb tömegűek a Napnál), és e halott csillagoknak egy forgó kavalkádját alkotja belőlük. A gravitáció fokozatosan egymáshoz közelebb húzza ezeket a csillagokat. Einstein azonban megmutatta, hogy ezek együtt így nem tudnak a Schwarzschild-sugáron belülre kerülni. Ennél a pontnál e fejlett civilizáció tudósai - megfelelő óvatossággal - a keverékhez újabb neutroncsillagokat adhatnának. Ez elég lenne az egyensúly felborításához, és ez azt eredményezné, hogy a kavargóörvénylő neutronanyag a Schwarzschild-sugarán belülre omlik össze. Eredményképpen a csillaghalmaz egy forgó Kerr-féle fekete lyukat hozna létre. A különböző neutroncsillagok sebességének és pályasugarának alapos ellenőrzés alatt tartásával egy ilyen civilizáció olyan lassan nyithatná ki a Kerr-féle fekete lyukat, ahogy csak akarja.

Vagy, egy fejlett civilizáció megpróbálkozhatna kis neutroncsillagok összegyűjtésével, és egy nagyobbra helyezné rá őket mindaddig, amíg a tömeg a három Naptömeget el nem éri: nagyjából ennyi a neutroncsillagokra vonatkozó Chandrasekhar-határ. Ennél nagyobb tömegű neutroncsillagok a saját gravitációjuk hatására omlanak össze fekete lyukakká. (A fejlett civilizációknak rendkívüli óvatossággal kellene eljárniuk a feketelyukgyártás során, hogy nehogy szupernóvaszerű robbanás legyen a vége. A fekete lyukká való kontrakciót hihetetlen precizitással és és csak nagyon fokozatosan lehet véghez vinni.)

Természetesen bárki számára garantáltan egyirányú utazást jelent az eseményhorizont keresztezése. Ám egy, a biztos kipusztulással szembenéző fejlett civilizáció számára ez az egyirányú út jelenti az egyetlen lehetséges alternatívát. Azonban még mindig ott van az eseményhorizonthoz közeli sugárzások problémája. A minket az eseményhorizonton át is követő fénysugarak frekvenciája, és ezért energiája is egyre nő. Ez valószínűleg az eseményhorizontot átlépő minden űrhajósra halálos sugárzásadagot jelentene. Az ilyen sugárzások pontos mennyiségét bármely fejlett civilizációnak ki kell számolnia és az űrhajóst a megsüléstől megóvandó, megfelelő védőpajzsokat kell építeni az űrhajó köré.

Végül itt van a stabilitási probléma: a Kerr-gyűrű közepén a féreglyuk vajon elég stabil-e ahhoz, hogy csak úgy simán keresztülessünk rajta? E kérdés matematikája nem egészen világos, mivel ennek a számításnak az elvégzéséhez a gravitáció kvantumelméletét kellene használnunk. Kiderülhet például, hogy a Kerr-gyűrű bizonyos jól meghatározott körülmények fennállása esetén stabil akkor is, amikor anyag esik keresztül rajta. Ezt a kérdést alaposan tanulmányozni kell a fekete lyukon végzett kísérletekkel, valamint a gravitáció kvantumelméletének a felhasználásával. Összegezve: a fekete lyukon keresztüli utazás kétségtelenül veszélyes és nagyon nehéz vállalkozás. Viszont elméletileg nem lehet elvetni mindaddig, amíg kísérletekkel széleskörűen meg nem vizsgálták a kérdést és amíg az összes kvantumkorrekció figyelembevételével a megfelelő számításokat el nem végezték.

Ötödik lépés: hozzunk létre egy bébiuniverzumot

Eddig feltételeztük, hogy lehetséges keresztülutazni a fekete lyukakon. Most tegyük fel ennek az ellenkezőjét: a fekete lyukak túlságosan is instabilak és tele vannak legyűrhetetlen halálos sugárzással. Ekkor egy még nehezebb vállalkozásba, csecsemőuniverzumok létrehozásába lehet fogni. Sok fizikust, például Alan Guthot lázba hozta az az elképzelés, hogy egy fejlett civilizáció egy menekülőnyílást készít magának, ami egy másik univerzumba vezet. Mivel az inflációs elmélet erősen függ a hamis vákuum keltésétől, Guth szerette volna tudni, hogy egy fejlett civilizáció kelthet-e a laboratóriumaiban hamis vákuumot és ezzel létre hozhatna-e csecsemőuniverzumot?

Első hallásra egy csecsemőuniverzum mesterséges megalkotása abszurdnak tűnik. Mindent egybevéve, Guth rámutatott arra, hogy a mi Univerzumok megalkotásához 10^89 fotonra, 10^89 elektronra, 10^89 pozitronra, 10^89 neutrínóra, 10^89 antineutrínóra, 10^89 protonra és 10^89 neutronra lenne szükség.

Noha ezek a számok rémisztően nagynak hatnak, Guth emlékeztet minket arra, hogy bár az Univerzum anyagés energiatartalma óriási, de a gravitációból származó negatív energia mindezt kiegyensúlyozza. A nettó anyag/energiatartalom egyunciányi (kb. 3 dkg) lehet csak. Guth óva int minket: „Jelenti-e ez azt, hogy a fizika törvényei valóban engedélyezik számunkra, hogy saját akaratunkból egy új univerzumot teremtsünk? Ha megpróbáljuk követni a receptet, sajnos azonnal szembekerülünk egy bosszantó problémával: mivel a hamis vákuum 10-26 cm átmérőjű gömbjének tömege egyunciányi, a sűrűsége máris 10^80 gramm/köbcentiméter lenne!... Ha a teljes belátható Univerzumot a hamis vákuum sűrűségére nyomnánk össze, akkor az egyetlen atomnál is kisebb térfogatot töltene csak ki!" A hamis vákuum a téridőnek olyan apró kis szeglete, amelyben instabilitások lépnek fel és hasadások keletkeznek rajta. Csecsemőuniverzum létrehozásához elegendő néhány dekányi anyagot szórni a hamis vákuumba, de ezt a kevéske anyagot borzasztóan kis térfogatba kellene belezsúfolni.

Van még egy másik útja is csecsemőuniverzumok keltésének: ha a térben valahol egy kicsiny térfogatot 10^29 K-re melegít fel valaki, majd nagyon hirtelen lehűti. Azt gyanítják, hogy ezen a hőmérsékleten a téridő instabillá válik; ilyen magas hőmérsékleten apró buborékuniverzumok alakulhatnak ki és hamis vákuum keletkezhet. Ezek az apró

csecsemőuniverzumok, amelyek állandóan keletkeznek, de gyorsan el is halnak, ezen a hőmérsékleten valódi univerzumokká válhatnak. A jelenség a közönséges elektromos terek esetében már ismeretes. (Például ha elegendően nagy erősségű elektromos teret létesítünk, akkor a vákuumból folyamatosan kilépő és oda visszaugró virtuális elektron-antielektron párok hirtelen valódivá válnak, és lehetővé teszik ezeknek a részecskéknek, hogy életre keljenek, így az üres térben koncentrált energia virtuális részecskéket valódiakká alakíthat. Hasonlóképpen, ha elegendő energiát sűrítünk egy pontba, akkor elméletben azt várjuk, hogy a virtuális csecsemőuniverzumok a semmiből előtűnvén szökkenek szárba.)

Feltételezve, hogy ilyen elképzelhetetlenül nagy sűrűség vagy hőmérséklet elérhető, a csecsemőuniverzumot a következőképpen lehet megformálni. A mi Univerzumunkban intenzív lézersugarakat és részecskenyalábokat használunk arra, hogy kevéske anyagot fantasztikusan nagy energiájúra nyomjuk össze és óriási hőmérsékletre hevítsük fel. Sohasem láthatnánk, hogy egy csecsemőuniverzum hogyan alakul ki, mivel a szingularitás „másik" oldalán kezd el felfúvódni, nem pedig a mi Univerzumunkban. Ez a másik csecsemőuniverzum a mi Univerzumunkból rügyezik ki, de a hipertérben fúvódik fel a saját antigravitációs erőtere következtében. Egy féreglyuk a köldökzsinórhoz hasonlóan kötne össze minket ezzel az univerzummal.

Persze van valamekkora veszély, amikor a „kemencében" csecsemőuniverzumokat „sütünk ki". A mi Univerzumunkat a csecsemőuniverzummal összekötő köldökzsinór végül elpárologhat, és ekkor olyan erős

Hawking-sugárzást bocsát ki, amely felérne egy 500 kilotonnás bomba erejével, ami a Hirosimára ledobott atombombáénál nagyjából huszonötször lenne nagyobb. Meglehet, az ilyen kemencékben előállított

csecsemőuniverzumoknak megvan a maga ára.

Egy fejlett civilizáció mesterségesen úton többféle módszerrel is létrehozhat csecsemőuniverzumot. Néhány unciányi anyagot kell elképzelhetetlenül nagy sűrűségűre és energiájúra koncentrálni, vagy az anyagot a Planck-hőmérséklet közelébe kell felhevíteni.

A hamis vákuumok ilyen módon való előállításakor jelentkező utolsó probléma, hogy ezek az új univerzumok könnyedén összeomolhatnak egy fekete lyukká, ami - emlékezzünk rá - halálos lenne. Ennek okát a Penrosetételben kell keresni, amely azt állítja, hogy bármely elegendően nagy mennyiségű tömeg elkerülhetetlenül fekete lyukká omlik össze. Mivel az Einstein-egyenletekben az idő megfordítható (az idő megfordítására nézve is változatlanok maradnak), az egyenletek időben előre és hátrafelé is működnek. Ez azt jelenti, hogy bármi anyag, ami kiesik a

csecsemőuniverzumból, visszamehet az időben és fekete lyukat hozhat létre. Ezért mindenkinek nagyon óvatosnak kell lennie, aki csecsemőuniverzumokat kreál, nehogy a Penrosetétel következményeinek áldozata legyen. A Penrosetétel azon a feltevésen alapul, hogy a behulló anyag energiája pozitív előjelű (a minket körülvevő világhoz hasonlóan, ahol a leeső tárgyak energiája pozitív előjelű). A tétel viszont nem igaz, ha negatív anyag vagy negatív energia van a kezünkben. Jó lenne tehát, ha negatív anyaghoz jutnánk: kellene az inflációs elmélethez, a csecsemőuniverzumok építéséhez és a féreglyukakhoz is.

Hatodik lépés: építsünk hatalmas atomzúzókat

Hogyan építhetnénk egy megfelelő eszközt az Univerzum elhagyásához, ha a nagyon fejlett technológiákhoz csak korlátozottan férünk hozzá? Hol van az a pont, ahol már reménykedhetünk abban, hogy elegendő teljesítményt szedünk össze a Planck-energia eléréséhez? Amikor egy civilizáció eléri a III. állapotot, akkor - definíció szerint - képes a Planckenergiát kezelni. Tudósaik képesek féreglyukakkal játszadozni és elegendő energiát gyűjthetnek, hogy a térben és az időben lyukakat nyissanak meg. Egy fejlett civilizáció ezt többféle módon is megteheti. Amint azt már korábban említettem, lehetséges, hogy az Univerzumunk egy membrán, és a miénktől csak 1 milliméterre létezik egy, a hipertérben lebegő párhuzamos univerzum. Ha tényleg így van, akkor ezt az LHC (Nagy Hadronütköztető) a következő néhány évben észlelheti. Akkoriban, amikor I. típusú civilizációvá válunk, számunkra is ismert lehet az a technológia, ami a szomszédos univerzumok kutatásához szükséges. A párhuzamos univerzumokkal való kapcsolatteremtés koncepciója egyáltalán nem erőltetett elképzelés.

Vegyük most a legrosszabb esetet, miszerint kvantumgravitációs effektusok csak a Planck-energián lépnek fel, ami az LHC-val elérhető

energiaszinteknél kvadrilliószor nagyobb. Ennek az energiaszintnek az eléréséhez egy III. típusú civilizációnak csillagméretű részecskegyorsítóra van szüksége. A részecskegyorsítókban, amelyekben atomokat zúznak össze, a szubatomi részecskék egy keskeny csőben mozognak. Ahogy energiát injektálnak a csőbe, a részecskéket nagyon nagy energiákra gyorsítják fel. Ha erős mágneseket használnak, hogy a részecskék pályáját egy nagy körré hajlítsák meg, akkor a részecskék többtrillió elektronvoltnyi energiákra is felgyorsíthatók. Minél nagyobb a kör sugara, annál nagyobb a nyaláb energiája. Az LHC átmérője 27 kilométer, ami a 0,7H típusú civilizáció által elérhető energiák határait feszegeti.

Egy III. típusú civilizáció előtt nyitott a lehetőség, hogy Naprendszer, esetleg csillagrendszer méretű részecskegyorsítót építsen. Elképzelhető, hogy egy fejlett civilizáció képes szubatomi részecskenyalábokat kiküldeni a világűrbe és ott a részecskéket a Planck-energiára gyorsítani. Idézzük vissza, hogy a lézeres részecskegyorsítók új nemzedékével néhány évtizeden belül a fizikusok képesek lesznek olyan kisméretű részecskegyorsítókat megalkotni, amelyek elférnek egy asztallapon, mégis 200 GeV (200 milliárd elektronvolt) energiára gyorsítják a részecskéket, miközben azok csak egy méter távolságot tesznek meg. Egyik ilyen asztali

részecskegyorsítót a másik után elhelyezve, elképzelhető, hogy elérhetővé válik az az energiaszint, amelyen a téridő instabillá válik.

Ha azt tesszük fel, hogy a jövőbeni részecskegyorsítók 1 méter távolságon 200 GeV energiára lesznek csak képesek gyorsítani - ami meglehetősen konzervatív becslés -, akkor 10 fényév hosszúságú részecskegyorsítóra lenne szükségünk a Planck-energia eléréséhez. Noha ez bármely I. vagy II. típusú civilizáció számára bizonyosan tiltott vállalkozás, egy III. típusú civilizáció számára jóval a saját lehetőségein belül van. Egy ilyen roppant nagy atomzúzó építéséhez az adott civilizációnak vagy meg kell hajlítania a nyomvonalat, hogy ezzel teret spóroljon, vagy pedig hagynia kell elterülni a nyalábot egy olyan hosszú vonalban, amely messze túlnyúlik a legközelebbi csillagon is.

Olyan atomhasítót is lehet építeni, amelyik a szubatomi részecskéket egy, a kisbolygó-övezetben elhelyezkedő körpályára lövelli ki. Ebben az esetben sem kellene hatalmas és drága csőrendszert építeni, mert a világűr vákuuma jobb vákuum annál, mint ami a Földön előállítható. De óriási mágnesekre lenne szükség, amelyek rendszeresen meghajlítják a részecskenyalábot, és ezeket a mágneseket a Naprendszerben vagy más csillagrendszerben lévő holdakon vagy kisbolygókon lehetne elhelyezni.

Amikor a nyaláb egy holdhoz vagy egy kisbolygóhoz közel halad el, az égitesten lévő nagy mágnesek megrántják a nyalábot és kismértékben megváltoztatják a haladási irányát. (A holdakon vagy kisbolygókon lévő mágneseknek rendszeresen újra is kellene fókuszálnia a nyalábot, mivel minél messzebbre jut a nyaláb, annál inkább szétszóródik.) Miután a nyaláb több hold mellett is elhaladt, fokozatosan ívalakot ölt fel. Végül szép lassan nagyjából körbe rendeződik. Bárki elképzelhet két, egymással szemben haladó nyalábot: az egyik az óramutató járásával megegyező irányba járja körbe a Napot, a másik az óramutató járásával ellenkező irányba. Amikor a két nyaláb összeütközik, akkor az anyagantianyag

megsemmisülésekből akkora energia szabadul fel, ami megközelíti a Planckenergiát.

(Ki lehet számolni, hogy annak a mágneses térerősségnek az előállítása, ami ezeknek a nyaláboknak a meggörbítéséhez szükséges, jóval túl van napjaink technológiáján. Azonban elképzelhető, hogy egy fejlett civilizáció robbantásokkal keltett lökéshullámszerű energiaadagokat küld át egy tekercsen, amiben így erős mágneses pulzusokat tud előállítani. A mágneses tér titáni energiáját előreláthatólag csak egyszer lehet használni, mert az óriási térerősség valószínűleg magát a tekercset is lerombolja, ezért a tekercseket gyorsan pótolni kell, mielőtt a nyaláb a következő körben visszatérne erre a helyre.)

Egy ilyen atomhasító megépítésekor jelentkező borzasztóan sok és nehéz technikai probléma mellett rögtön ott van egy másik kényes kérdés is: vajon van-e felső határa egy energianyaláb energiájának? Bármely nagyenergiájú részecskenyaláb óhatatlanul ütközni fog a most 2,7 K hőmérsékletű kozmikus háttérsugárzás fotonjaival, és az ütközés miatt energiát fog veszíteni. Elméletben így annyi energia szivároghat el a nyalábból, hogy az a világűrben elérhető energiákra felső határt jelent.

Ezt az elméleti eredményt kísérletileg még nem ellenőrizték. (A helyzetet bonyolítandó, vannak jelzések arra nézve, hogy a nagyenergiájú kozmikus sugárbecsapódások meghaladhatják ezt a maximális energiaértéket, ami viszont az egész számolást illetően kétségeket ébreszt.) Ha ez igaz, ha ilyen felső határ tényleg létezik, akkor az egész berendezés még költségesebb módosítására van szükség. Először, a világűrben az egész nyalábot körbevevő vákuumozott csövet kell építeni, ami leárnyékolja a 2,7 K-es háttérsugárzást. Vagy, ha a kísérletet a nagyon távoli jövőben végzik el, lehetséges, hogy addigra a háttérsugárzás annyira lehűl, hogy e tekintetben többé nem jelent problémát.

Hetedik lépés: alkossunk berobbantó szerkezetet

Egy a lézersugarakra és befelé irányuló robbanást okozó szerkezeteken alapuló másik eszköz is elképzelhető. A természetben óriási hőmérsékletek és nyomások berobbanás hatására keletkeznek, mint például amikor egy haldokló csillag a gravitációs erő hatására hirtelen összeomlik. Ez azért lehetséges, mert a gravitáció mindig is vonzó, nem pedig taszító jellegű, és ezért az összeroppanás minden irányban egyformán történik, így a robbanó csillag hihetetlen nagy sűrűségekre nyomódik össze. Ezt a berobbanási mechanizmust hihetetlen nehéz létrehozni a Földön. Például a hidrogénbombát svájci óramű pontossággal kellett megtervezni, hogy a lítium-deutérium-keveréket - amelyik a hidrogénbomba aktív összetevője - összenyomással több millió fokosra hevítsék, különben a fúzió feltételét jelentő Lawson-kiitérium nem teljesülne. (Ezt a berobbantást úgy viszik végbe, hogy közvetlenül a lítium-deuteridre egy atombombát robbantanak, és a robbanás lökéshullámánál gyorsabban – fénysebességgel - haladó, a robbanásban keletkezett röntgensugárzást ráfókuszálják a keverékre.) Ez az eljárás azonban egyáltalán nem kontrollált módon, hanem robbanásban szabadítja fel az energiát.

A Földön eddig sikertelen volt az a próbálkozás, hogy mágneseket használjanak a hidrogénben gazdag gáz egybetartására és összenyomására, miközben az fuzionál, főleg azért, mert a mágneses tér nem minden irányból egyformán nyomta össze a gázt. Mivel a természetben sohasem láttunk monopólust, a mágneses terek - hasonlóan a Föld mágneses teréhez

- dipólus jellegűek. Ennek eredménye az, hogy a mágneses terek egyáltalán nem homogének. Arra használni őket, hogy gázt nyomjunk össze velük ahhoz hasonlít, mintha egy léggömböt próbálnánk összenyomni: ha a léggömb egyik felét összenyomjuk, a másik felébe megy a levegő és ott a lufi még nagyobbra fúvódik fel.

A fúzió kontrollálásának egy másik módja lehet, ha egész sor erős lézersugarat használunk, amelyek forrásait egy gömb felületén osztjuk el, így a lézernyalábok radiálisán irányulnak a középen elhelyezkedő lítium-deutérium golyócskára. A Livermore National Laboratoryban (USA) például van egy nagyteljesítményű lézerfúziós berendezés, amivel nukleáris fegyvereket szimulálnak. Lézersugarak sorát irányítják vízszintesen egy alagútba. Az alagút végén elhelyezett tükrök szépen visszaverik a lézersugarakat úgy, hogy minden irányból egy kis golyóra érkezzenek. A golyócska felszíne rögtön elpárolog, majd a maradék befelé robban, ami nagyon megemeli a golyó hőmérsékletét. Ezzel az eljárással azt érik el, hogy a fúzió a golyó belsejében megy végbe (azonban a berendezés több energiát fogyaszt, mint amennyit termel, így gazdaságilag teljesen érdektelen).

Ennek alapján elképzelhetjük, hogy egy fejlett III. típusú civilizáció különböző csillagrendszerek holdjaira és kisbolygóira nagyteljesítményű lézereket telepít. Ezek a lézerütegek aztán hatalmas energiákkal egyetlen pontra tüzelnének, és akkora hőmérsékletet keltenének abban a pontban, hogy ott a téridő szövete instabillá válna.

Elviekben nincsen felső határa annak, hogy egy lézersugárba mekkora energiát lehet belepumpálni. Az extrém nagyteljesítményű lézerek megalkotásának viszont vannak gyakorlati problémái. Az egyik fő probléma a lézer előállítására használt anyag stabilitása, amely gyakran túlmelegszik és nagy energiákon egyszerűen elreped. (Ezt úgy lehet orvosolni, hogy a lézersugarat csak a nukleáris robbanásokhoz hasonló egyszeri robbanás hozza létre.)

Ezeknek a szferikusan elhelyezett lézerütegeknek az a célja, hogy egy kis kamrát annyira felhevítsenek, hogy ott hamis vákuum jöjjön létre, vagy pedig például fémlemezeket implózióval annyira összesajtoljanak, hogy bennük fellépjen a Casimireffektus és negatív energia keletkezzen. Egy ilyen – negatív energiát előállító - eszköz megépítéséhez számos lemezt kellene gömbszerűen 10-33 centiméteresre, azaz a Planck-hosszúság nagyságrendjére összenyomni. Mivel az atomokat elválasztó távolság hozzávetőleg 10-8 cm, a magban pedig a protonok és a neutronok közötti távolság 10-13 cm, láthatjuk, hogy roppant nagy méretekben kellene ezeket a szférikus lemezeket összesajtolni. Mivel egy lézersugárban felhalmozható teljesítmény elviekben korlátlan, a fő probléma olyan anyag létrehozása, ami ilyen hatalmas összenyomással szemben is stabil marad és túléli ezt a kompressziót. (Mivel a Casimireffektus a lemezek között vonzóerőt jelent, elektromos töltést kell felvinni rájuk, hogy az elektromos taszítás távol tartsa a lemezpárokat és azok ne ütközzenek össze.) Elméletben a gömbszerű lemezhéj belsejében féreglyuk fejlődik ki, ami a mi haldokló Univerzumunkat egy sokkal fiatalabb, sokkal forróbb univerzummal köti össze.

Nyolcadik lépés: építsünk térgörbület-meghajtásos gépet

A fenti eszközök megépítéséhez és használatához az egyik kulcsfontosságú és szükségszerű dolog, hogy óriási csillagközi távolságokon át is képesek legyünk utazgatni. Ehhez az egyik lehetséges eszköz a fizikus Miguel Alcubierre részéről 1994-ben felvetett térgörbület-meghajtás lehet. A térgörbület-hajtotta gép nem változtatja meg a téridő topológiáját azzal, hogy lyukakat üt bele és átugrik a hipertérbe. Egyszerűen csak összehúzza a teret maga előtt, és kitágítja maga mögött. Gondoljunk arra, hogy egy szőnyegen kell keresztülmennünk ahhoz, hogy elérjünk egy asztalhoz. Ahelyett, hogy rálépnénk a szőnyegre, meglasszózhatnánk az asztalt és lassan magunk felé húzhatnánk, persze a szőnyeget magunk előtt felgyűrjük, így mi magunk csak keveset mozgunk: az előttünk lévő tér húzódik össze. Emlékezzünk vissza, hogy maga a tér a fény sebességénél is gyorsabban tágulhat (hiszen az üres tér semmilyen információt nem hordoz). Ehhez hasonlóan lehetséges a fénysebességnél gyorsabban utazni úgy, hogy a fénynél gyorsabban húzzuk össze magunk előtt a teret, így ha egy közeli csillaghoz utazunk, éppen csak elhagyjuk a Földet; egyszerűen a teret húztuk össze magunk előtt és tágítottuk ki magunk mögött. Ahelyett, hogy a hozzánk egyik legközelebbi csillaghoz, az Alfa Centaurihoz utaznánk, az Alfa Centaurit húzzuk közelebb magunkhoz.

Alcubierre megmutatta, hogy ez az Einsteinegyenletek egyik lehetséges megoldása - azaz a fizika ismert törvényein belülre esik. De természetesen mindennek ára van. Az ilyen csillaghajók üzemeltetéséhez negatív és pozitív energiából egyaránt sok kell. (A pozitív energia ahhoz kell, hogy a teret magunk előtt összehúzzuk, a negatív meg a tér megnyújtásához a hátunk mögött.) Ennek a negatív energiának a keltéséhez a Casimir-effektust felhasználva, a lemezek közötti távolság ismét a Planck-hosszúság (10-33 cm) nagyságrendjébe kell, hogy essen - ezt túlságosan is kicsi ahhoz, hogy a megszokott eljárásokkal elérhessük. Ilyen csillaghajó építéséhez egy hatalmas gömbre van szükség, amelynek belsejében helyezkednek el az utasok. A gömb egyenlítője mentén a gömb mindkét oldalán negatív energiát kellene elosztani. A csillaghajó belsejében az utasok nem mozognának, de a gömbszerű buborék előtti tér a fénysebességnél gyorsabban összehúzódna, így aztán amikor az utasok kiszállnak, akkor egy másik csillag közelében találják magukat.

Alcubierre eredeti cikkében nemcsak azt írta, hogy az ő megoldása elvihet minket a csillagokhoz, hanem időutazást is lehetővé tesz. Két évvel később a fizikus Allen E. Everett megmutatta, hogy ha van két ilyen hajónk, akkor ezt a két hajót egymás után használva tényleg lehetséges az időutazás. Ahogy azt a Princetonon dolgozó fizikus Gott mondta: „Nos, úgy tűnik, hogy a Star Trek alkotójának, Gene Roddenberrynek tényleg igaza volt azokkal az időutazásos részekkel!"

Egy orosz fizikus, Szergej Krasznyikov későbbi vizsgálatai azonban technikai problémákat tártak fel a megoldásban. Rámutatott, hogy a csillaghajó belseje a hajón kívüli tértől el van vágya, így információ nem keresztezheti a hajó falát - azaz, ha már egyszer valaki benn van a hajóban, többé nem irányíthatja és nem változtathatja meg a pályáját... Mielőtt az utazást megkezdenénk, az útvonalat meg kell határozni. Ez elég kellemetlen.

Más szavakkal, nem tekergethetjük a gombokat és nem tehetünk egy kis kirándulást egy tetszőleges csillaghoz. Helyette vasútvonalak mintájára kellene kiépíteni a hálózatot ezekkel a teoretikus csillaghajókkal, amelyeken meghatározott, rendszeres időközönként közlekednének.

A hálózatot először a fénysebességnél kisebb sebességgel haladó rakétákról építhetik ki, és a csillagok között szabályosan elosztva lesznek majd a megállók. Amikor ez készen van, akkor a csillaghajók ezen a

„vasúthálózaton" közlekednek majd szuperfénysebességgel, a menetrendnek megfelelően rögzített indulási és érkezési időpontokkal meg helyekkel. Gott azt írja: „Egy jövőbeni szupercivilizáció a csillagok közötti utazásokhoz a térgörbület-meghajtást használó csillaghajói számára megfelelő utakat építhet ki, valamint a csillagok között féreglyukakat létesíthet. A térgörbület-meghajtás útvonalainak hálózatát sokkal könnyebb kiépíteni, mint féreglyukakat csinálni, mivel egy ilyen hálózat a távoli tartományokat összekötő új lyukak létesítése helyett csak a már meglévő tér megváltoztatását igényelné."

Éppen azért, mert egy ilyen csillaghajóval csak a már létező Univerzumban tudnánk közlekedni, alkalmatlan eszköz az Univerzum elhagyására. Azonban az Alcubierre-hajtás felhasználható lehet talán egy, az Univerzumból való elmenekülést lehetővé tévő eszköz megalkotásához. Egy ilyen csillaghajó hasznos lenne például a Gott által emlegetett ütköző kozmikus húrok megépítéséhez, ami egy fejlett civilizációt a saját múltjába vihetne vissza, amikor az univerzuma még sokkal melegebb volt.

Kilencedik lépés: használjuk fel az összepréselt állapotokból nyert negatív energiát

Ahogy azt már korábban, az 5. fejezetben említettem, lézersugarakkal lehetséges

olyan „összenyomott állapotokat" létrehozni, amelyek negatív anyag előállítására használhatók fel. Ez a negatív anyag alkalmas a féreglyukak megnyitására és stabilizálására. Amikor nagyon erős lézerrel speciális optikai anyagot világítunk meg, akkor a lézer nyomában fotonpárok képződnek. Ezek a fotonok váltakozva erősítik és elnyomják egymást, és így pozitív és negatív energiaimpulzusokat keltenek. Ezeknek az energiapulzusoknak az átlaga mindig pozitív, így a fizika ismert törvényei nem sérülnek.

A Tufts Universityn dolgozó fizikus, Lawrance Ford 1978-ban három törvényt mondott ki, amelyeknek a negatív energia alá van vetve. Ezek azóta is intenzív kutatások tárgyait képezik. Ford első törvénye szerint a pulzusban jelenlévő negatív energia mennyisége fordítottan arányos a pulzus térbeli és időbeli kiterjedésével: azaz, minél nagyobb a negatív energia, annál rövidebb ideig van jelen. így, ha egy féreglyuk megnyitásához óriási negatív energiájú lézerimpulzust alkalmazunk, akkor az az impulzus csak nagyon rövid időtartamú lehet. A második törvény szerint a negatív energiaimpulzust mindig egy sokkal nagyobb energiájú pozitív követi (így az összegzett energiatartalom mindig pozitív marad). A harmadik törvény azt mondja, hogy ha minél hosszabb a kétféle impulzus közötti időintervallum, annál nagyobb lesz a pozitív impulzus.

Ezeket az általános törvényeket figyelembe véve, ki lehet számolni, hogy egy lézer vagy Casimir-lemezek mekkora negatív energiát képesek produkálni. Elsőként a negatív és a rá következő pozitív energiaimpulzusokat el kell választani egymástól: például meg lehet próbálkozni azzal, hogy a lézersugárral belevilágítunk egy dobozba, és amint a negatív energiaimpulzus belépett a dobozba, egy zárszerkezettel elzárjuk az utat a soron következő pozitív impulzus elől. Eredményként csak a negatív impulzus lépett be a dobozba. Ezen a módon elméletben óriási mennyiségű negatív energiaimpulzus halmozható fel, még ha a negatív energiájú impulzusokat sokkal nagyobb pozitív energiájú impulzusok is követik (amelyeket azonban a dobozon kívül tartunk). A kétféle pulzus közötti időkülönbség nagyon nagy is lehet, amennyiben a pozitív pulzus energiája megfelelően nagy. Elviekben ez ideális módszer lenne ahhoz, hogy féreglyukak megnyitásához vagy időgépek építéséhez korlátlan mennyiségű negatív energiát keltsünk.

Sajnos, van egy kis bökkenő. A zárszerkezet bezárásának művelete a dobozon belül egy második pozitív energiaimpulzust kelt. Noha különleges elővigyázatossági intézkedéseket alkalmaztunk, a negatív energiaimpulzus kitörlődött. Ennek a technikai problémának a megoldása egy fejlett, jövőbeni civilizációra marad: nekik kell kettéválasztani a negatív energiájú impulzust a soron következő pozitívtól úgy, hogy a negatív energiaimpulzust ne törölje el egy másodlagos pozitív impulzus. Ez a három törvény a Casimir-effektusra is alkalmazható. Ha egy 1 méter átmérőjű féreglyukat készítünk, akkor a negatív energiát 10-22 méternél keskenyebb sávba kellene koncentrálnunk (a proton méretének

egymilliomod része). Érdemes ismét hangsúlyozni, hogy csak egy rendkívül fejlett civilizáció képes azt a technológiát megteremteni, amelyik az ilyen hihetetlenül kis távolságokon és hihetetlenül kis időintervallumokon történő manipulációkhoz szükséges.

Tizedik lépés: várakozás a kvantumátmenetekre

Ahogy azt a 10. fejezetben láttuk, az univerzumuk fokozatos kihűlésével szembenézni kényszerülő intelligens létezők talán lassabban fognak gondolkodni és hosszú időre hibernálják magukat. A gondolkodás ütemének lassítása akár sok billió éven át is folytatódhat, ami elegendő hosszú idő ahhoz, hogy kvantumesemények bekövetkezzenek. Mivel igen ritka esemény, hogy egy buborékszerű univerzum spontán módon megszülessen,

ezt a lehetőséget nekünk nem kell tekintetbe vennünk. Bár az Univerzum 5. korszakában az intelligens létezők gondolkodási üteme saját szubjektív időskálájukon teljesen normálisnak tűnik, gondolkodásuk talán már annyira lelassul, hogy számukra az ilyen kvantumesemények bekövetkezése viszonylag mindennapossá válik.

Ha így lesz, akkor az ilyen létezőknek egyszerűen csak várniuk kell az univerzumukból való menekülésre addig, amíg egy féreglyuk megnyílik és kvantumátmenet történik. (Noha az ilyen létezők ezeket a

kvantumátmeneteket mindennaposnak érzékelik, az egyik itt jelentkező probléma az, hogy a kvantumesemények bekövetkezte teljességgel előrejelezhetetlen; igen nehéz lenne átmenni egy másik univerzumba úgy, ha nem tudják pontosan, hogy a féreglyuk mikor nyílik meg és mikor záródik be. Ezeket a létezőket talán annyira rabul ejti az Univerzum elhagyásának a lehetősége, hogy amint egy féreglyuk megnyílik, még azelőtt megszöknek rajta keresztül, mielőtt teljesen megvizsgálnák, hogy a féreglyuk másik oldalán mi is vár rájuk.)

Tizenegyedik lépés: az utolsó remény

Tegyük fel egy pillanatra, hogy a féreglyukakkal és a fekete lyukakkal kapcsolatos összes jövőbeni kísérlet leküzdhetetlen akadályokba ütközik: hogy a stabil féreglyukak mikroszkopikusak, mindössze szubatomnyi méretűek. Tételezzük fel azt is, hogy egy féreglyukon keresztüli utazás testünkre végzetes behatásokkal, elfogadhatatlan méretű károsodással járna még védőöltözet viselése esetén is. A leküzdendő akadályok közül sok, mint az óriási nagyságú árapályerők, behulló törmelékdarabok, sugárzási terek, minden erőfeszítés ellenére halálosak maradnak. Ha ez a helyzet, akkor a mi Univerzumunk jövőbeni intelligens létezőinek csak egyetlen reménye marad: az új univerzumba elegendő mennyiségű információt kell betáplálniuk, hogy civilizációjuk a féreglyuk másik oldalán újjászülethessen. Amikor a természetben az élő organizmusoknak ellenséges környezeti viszonyokkal kell szembenézniük, akkor némelyikük néha nagyon okos, kifinomult módszereket eszel ki a túlélés érdekében. Néhány emlősállat hibernálja magát. Sok halféle és béka olyan, fagyásgátló jellegű kémiai anyagokat cirkuláltat a testében, amelyek megvédik őket a megfagyástól. A gombák úgy kerülik el a pusztulást, hogy spórává alakulnak át. Elképzelhető, hogy az emberi lények is megtalálhatják annak módját, hogy fizikai valójukat megváltoztassák annak érdekében, hogy egy másik univerzumba való utazás körülményeit túléljék.

Gondoljunk a tölgyfára, amelyik piciny magjait a szélrózsa minden irányába szétszórja. Ezeknek a magoknak (a) kicsinek, rugalmasnak és kompaktnak kell lenniük; (b) a fa teljes DNS-kódját tartalmazniuk kell; (c) úgy kell megtervezni őket, hogy az anyafától bizonyos távolságig vezető utat elviseljék; (d) elegendő élelmiszert kell tartalmazniuk ahhoz, hogy a mag egy távoli vidéken elkezdhesse az újjászületés folyamatát; (e) gyökeret kell ereszteniük az új talajba, hogy energiát és tápanyagot szívjanak fel, és hogy megéljenek az új helyen. Egy civilizációnak utánoznia kellene a természetet: a mostantól számított néhány milliárd év múlva létező legfejlettebb nanotechnológiát használva „magjait" keresztül kellene küldenie a féreglyukon, hogy mindezen fontos tulajdonságok mindegyikét lemásolhassa.

Ahogy Stephen Hawking mondta: „Úgy látszik... a kvantummechanika megengedi mikroszkopikusan az időutazást." Ha Hawking-nak igaza van, egy fejlett civilizáció tagjai dönthetnek úgy, hogy megváltoztatják fizikai tulajdonságaikat valami olyasmire, ami túlélheti egy másik univerzumba, vagy az időben visszavezető nehéz utat: a szenet szilíciummal ötvözve, a tudatukat pedig puszta információvá redukálva. A mi szén alapú testünk esetleg túlságosan is törékeny ahhoz, hogy egy ilyen nagyságrendű út megpróbáltatásait elviselje. A távoli jövőben talán robotjainkkal egyesíthetjük a tudatunkat, fejlett DNS-mérnökséget, nanotechnológiát és robotikát alkalmazva. Napjaink színvonalához mérten ez bizarrul hangzik, de egy milliárd vagy billió évek múlva létező civilizáció számára a túlélés egyetlen útja lehet.

Szükségük lehet arra, hogy az agyukat és a személyiségüket közvetlenül gépekbe építsék bele. Ezt többféle úton is megtehetik. Lehet olyan kifinomult szoftvert készíteni, amely képes a gondolkodásunk folyamatát megduplázni, és így a gép személyisége a mienkkel azonos lesz. A CarnegieMellon Universityn dolgozó Hans Moravec által pártfogolt program még ennél is ambiciózusabb. Azt állítja, hogy a távoli jövőben képesek leszünk szilícium tranzisztorokkal neuronról neuronra reprodukálni az agyunk szerkezetét.

Az agyban előforduló összes idegi kapcsolatot egy megfelelő tranzisztorral helyesítené, ami a neuronok funkcióit egy robotba helyezné át. Mivel a fekete lyukak és féreglyukak körüli árapályerők és erős sugárzási mezők valószínűleg nagyon erősek lennének, a jövőbeni civilizációknak üzemanyagból, védőpajzsokból és a féreglyuk túloldalán a fajunk újrateremtésére szolgáló tápanyagokból csak az abszolút minimumot kell magukkal vinniük. Nanotechnológiát használva talán lehetséges lesz, hogy a féreglyukon olyan mikroszkopikus láncokat küldjenek keresztül, amelyek mérete nem lesz nagyobb, mint egy sejt.

Ha a féreglyuk nagyon kicsi, csak egy atomnyi lenne, a tudósok egyedi atomokból álló nanocsöveket küldhetnének keresztül rajta, amik a túloldalon a fajunk újrateremtéséhez szükséges hatalmas mennyiségű információt hordoznák magukban. Ha a féreglyuk mérete csak szubatomnyi

méretű lenne, akkor a tudósoknak olyan módszert kell kieszelniük, amely atommagokat küld át a lyukon, ezek a túloldalon majd elektronokat fognak maguknak, és az átküldött anyag atomokká és molekulákká rekonstruálja magát. Ha a féreglyuk ennél is kisebb méretű lenne, akkor talán kifinomult kódokat közvetítő röntgensugarakat vagy lézersugarakat kellene átküldeni rajta, amelyek a civilizációnk újrateremtéséhez szükséges minden információt tartalmaznák.

Az ilyen információközlésnek a célja az lehetne, hogy a féreglyuk túloldalán egy „nanorobotot" konstruáljunk azzal a feladattal, hogy keressen olyan helyet, ahol a környezeti feltételek megfelelőek civilizációnk újrateremtésére.

Mivel atomi méretskálákon lenne megépítve, nem lenne szüksége sem nagy gyorsítórakétákra, sem nagy mennyiségű üzemanyagra, hogy megfelelő bolygót találjon. Valójában nehézség nélkül megközelíthetné a fénysebességet, mivel szubatomi részecskéket elektromos terekkel viszonylag könnyű a fénysebesség közelébe gyorsítani. Az életfeltételek biztosítását szolgáló vagy más egyéb esetben nagy berendezésekre sem lenne szüksége, mivel e nanorobot fő tulajdonsága, hogy a faj újjáéledéséhez szükséges információkat szállítsa.

Amikor a nanorobot új bolygót talál, a bolygón már meglévő nyersanyagokat használva egy nagy gyárat telepíthetne oda, hogy saját magát sokszor lemásolja - ez olyan, mint egy nagy klónlaboratórium. Ebben a laboratóriumban előállíthatná a megfelelő DNS-sorozatot, és egész organizmusok, végül pedig fajok regenerálódásának folyamatát indíthatná el azzal, hogy sejtekbe oltja ezeket a DNS-eket. Ezek a laboratóriumi sejtek aztán teljesen kifejlett felnőtt példányokká növekednének, agyukban az eredeti emberi emlékezettel és személyiséggel.

Bizonyos értelemben ez a folyamat hasonló ahhoz, amikor a saját DNS-ünket (egy III. típusú vagy még fejlettebb civilizáció teljes

információtartalmát) egy „tojássejtbe" oltjuk bele, ami tartalmazza mindazon genetikai instrukciókat, amik a túloldalon egy embrió újraalkotásához elegendőek.

A megtermékenyített tojásoknak kompaktnak, tartósnak és mobilisnak kellene lenniük, és egy III. típusú civilizáció újraalkotásához szükséges minden információt tartalmaznia kellene. Egy tipikus emberi sejt körülbelül 30 ezer gént tartalmaz, amik 3 milliárd DNS-párból állnak, de ez a tömör információhalmaz elegendő az egész emberi lény rekonstruálásához, a spermán kívül található erőforrásokból (azaz az anya által biztosított tápforrásból). Hasonlóképpen, egy ilyen kozmikus tojásban lehetne elraktározni egy fejlett civilizáció újjászületéséhez szükséges összes információt; az ehhez szükséges erőforrások (nyersanyagok, oldószerek, fémek és így tovább) pedig a túloldalon valószínűleg megtalálhatók. Ilyen módon egy IIIQ vagy ehhez hasonló civilizáció rémisztően fejlett technológiáját felhasználva képes lehet elegendő mennyiségű (nagyjából 10^24 bit) információt átküldeni a féreglyukon, ami elegendő ahhoz, hogy a túloldalon újjászülethessen.

Szeretném ismét hangsúlyozni, hogy minden eddig leírt lépés annyira túl van a mai technikai lehetőségeken, hogy tudományosfantasztikus műként kell olvasni. De milliárd évek múlva a jövőben, egy, a kipusztulással szembesülő IIIQ típusú civilizáció számára egyedül ezek a lépések lehetnek üdvösek. A fizika vagy a biológia törvényei között bizonyosan nincs egy sem, amely ennek elkerülésétől megmentene. Az a véleményem, hogy az Univerzum végső halála nem jelenti szükségszerűen az értelem elpusztulását.

Természetesen, ha lehetséges az értelem transzportálása egyik univerzumból a másikba, az nyitva hagyja annak a lehetőségét, hogy egy másik univerzumban kialakult életforma ott néz szembe a saját Nagy Fagyával, majd a mi Univerzumunk egy nagyon távoli részébe lyukat üt, ahol melegebb van és elviselhetőbbek a körülmények.

Más szavakkal, az egyesített térelmélet ahelyett, hogy haszontalan, de elegáns furcsaság volna, előtanulmánya lehet az univerzumban előforduló értelmes életformák túléléséhez.

12. A multiverzumon túl

A Biblia azt tanítja nekünk, hogyan jussunk az égbe, nem pedig azt, hogyan mozog az ég.

BARONIUS érsek, saját perében Galilei megismételte.

Mert van valami, ahelyett, hogy semmi se lenne? A nyughatatlanság, ami a metafizika óramutatóját folyamatosan mozgásban tartja, az a gondolat, hogy a világ nemlétezése ugyanannyira lehetséges, mint a létezése.

WILLIAM JAMES

A legszebb, amit megérthetünk, az élet titka. Ez az alapérzés, amely az igazi művészet és tudomány bölcsőjénél jelen van. Aki ezt nem ismeri, aki nem tud csodálkozni, elámulni, az - hogy úgy mondjam - halott, és szeme kialudt.

ALBERT EINSTEIN (ford. Szécsi Ferenc)

1863-ban Thomas Huxley azt írta: „Az emberiség számára minden kérdések kérdése, amelyik minden más kérdésnél fontosabb és izgatóbb, az az embernek a Természetben elfoglalt helye és viszonya a kozmoszhoz." Huxley „Darwin buldogjaként" volt híres, az ember, aki vadul védelmezte az evolúció elméletét a mélyen konzervatív viktoriánus Angliával szemben. Az angol társadalom akkoriban öntelten úgy látta, hogy az ember áll a teremtés középpontjában; nemcsak a Naprendszer volt az Univerzum centrumában, de az ember volt a Teremtés megkoronázása, az

Úristen csodálatos teremtő munkájának csúcsa. Isten minket pontosan a saját képmására teremtett.

Nyíltan kihívásra késztetve ezt a vallásos ortodoxiát, Huxley megvédte Darwin elméletét a vallásos elit zajos sorozattüzelésével szemben, és ezzel segítette, hogy az élet fáján a saját helyünket tudományosan jobban megértsük.

Ma már tudjuk, hogy a tudomány óriásai, Newton, Einstein és Darwin értékesen hozzájárultak a kozmoszban elfoglalt helyünk tisztázásához. Az Univerzumban betöltött szerepünk meghatározásakor munkáikban mindnyájan megküzdöttek vallásos és filozófiai szempontokkal. A Principia végszavaiban Newton kijelentette, hogy „A Nap, a bolygók és az üstökösök legszebb rendszere csak egy intelligens és hatalmas Lény uralmából és szándékából eredhet." Ha a mozgásnak megvannak a maga törvényei, akkor kell legyen egy törvényhozó is.

Einstein is meg volt győződve annak létezéséről, akit az Öregnek nevezett, aki azonban nem avatkozik bele az emberek ügyeibe. Isten dicsőítése helyett az ő célja „Isten gondolataiban való olvasás" volt. Azt szokta mondani: „Azt akarom tudni, hogyan teremtette Isten a világot. Nem érdeklődöm ilyen vagy olyan jelenségek iránt. Isten gondolatait akarom megismerni. A többi csak részletkérdés." Einstein élénk érdeklődését a teológiai dolgok iránt azzal próbálta igazolni, hogy „A tudomány a teológia nélkül sánta. De a vallás tudomány nélkül vak."

Darwin azonban reménytelenül megosztott volt az emberiség univerzumbeli szerepét illetően. Noha az ő számlájára írják, hogy egyike volt azoknak, akik az emberiséget megfosztották a biológiai univerzumban betöltött középponti szerepétől, önéletrajzában „ennek az óriási és csodálatos Univerzum megértésének nagyon nehéz, vagy inkább lehetetlen" mivoltáról vall, „még ha az ember messze a múltba hátra vagy a jövőbe előre képes is tekinteni, a megértés akkor is csak a vak véletlen vagy a végzet eredménye". Egy barátjával bizalmasan közölte, hogy „A teológiám egyszerűen csak egy zűrzavar."

Sajnos, „az ember Természetben elfoglalt helyének és a Kozmoszhoz való viszonyának" meghatározása sokszor volt veszélyes, különösen azok számára, akik mertek (vagy mernek) dacolni az uralkodó merev vallási dogmákkal. Nem véletlen, hogy Kopernikusz 1543-ban (a halála évében) megjelent De revolutionibus orbium caelestiwn (Az égi szférák körforgásáról) című könyvét az egyház 1611-ben betiltotta. Az is elkerülhetetlen volt, hogy Galilei, aki a befolyásos Medici család pártfogását hosszú időn át élvezte, ne szenvedjen a Vatikán haragjától amiatt, hogy népszerűsíteni merte a távcsövet, azt az eszközt, ami az Univerzumot olyan élesen másnak mutatta, mint amilyennek az egyház akkoriban leírta.

A tudomány, a vallás és a filozófia keveréke valójában inkább egy illékony varázsfőzet. Giordano Brunót 1600-ban Róma utcáin azért égették meg, mert esze ágában sem volt visszavonni azt az állítását, hogy az égben végtelen számú bolygó létezik, amelyeken végtelen sok lény él. Azt írta: „így Isten kiválósága növekszik, és uralmának nagysága nyilvánul meg; nem egy, hanem megszámlálhatatlan Nap körül dicsőítik; nem egy magányos Földön dicsőítik, nem egy egyedülálló világban, hanem ezer és ezer, azt mondom: végtelen sok világban."

Galilei és Bruno bűne nem az volt, hogy volt merszük az ég törvényeit megsejteni; a valódi bűnük az volt, hogy az embert az Univerzum közepén elfoglalt, felmagasztalt helyzetétől megfosztották. 350 évet, egészen 1992-ig kellett várni arra, hogy a Vatikán megkésve, de kifejezze bocsánatkérését Galileinek. Bruno nem részesült ebben.

Történeti áttekintés

Galilei óta forradalmak sora borította már fel az Univerzumról és a benne foglalt szerepünkről alkotott elképzeléseinket. A középkorban az Univerzumot sötét és riasztó helynek látták. A Föld egy kicsiny, sík színpad volt tele korrupcióval és bűnnel, amit egy titokzatos éggömb zárt körbe, és amin ómenek - mint például üstökösök - egyaránt rémisztgették a királyokat és a földműveseket. És ha nem magasztalták eléggé az Urat és az egyházat, akkor a „színikritikusok" dühével kellett szembenézniük: az inkvizíció öntörvényű embereivel és rettenetes rábeszélőszerszámaival. Newton és Einstein megszabadított minket a múlt babonáitól és misztikumától.

Newton megadta a mechanika precíz törvényeit, amelyek az égitestek beleértve a mi Földünket is - mozgását kormányozzák. Ezek a törvények nagyon pontosak voltak, és az emberek szinte papagájként mondták fel a szövegüket. Einstein forradalmasította az élet színpadáról alkotott képünket. Nemcsak hogy lehetetlen az idő és a tér mérését mindenütt egyformán végezni, de a színpad elgörbült, kicserélődött egy rugalmas gumiszőnyegre, és még tágult is.

A kvantumforradalom egy még bizarrabb világképet adott nekünk. Egyfelől a determinizmus bukása azt jelentette, hogy a bábuk elvághatták az őket kötve tartó zsinórokat és a saját szövegüket adhatták elő. A szabad akaratot visszahelyezték jogaiba, de azon az áron, hogy az eredmény többféle és bizonytalan is lehet. Lehetetlenné vált bizonyossággal előre megmondani, hogy mikor van színész a színpadon és egyáltalán van-e ott színész?

Most a multiverzum-elgondolás okozott paradigmaeltolódást, amiben maga az „univerzum" szó tűnik elavultnak. A multiverzumban párhuzamos színpadok vannak, egyik a másik felett, amiket csapóajtók és rejtett alagutak kötnek össze egymással. A színpadok pedig más színpadokat hoznak létre a Genezis soha véget nem érő folyamatában. Minden színpadon a fizika új törvényei bukkannak fel. Talán csak egy maroknyi színpadon felelnek meg a feltételek az élet és a tudat számára.

Mi, mai színészek az I. felvonásban játszunk, pontosan e színpad kozmikus csodáinak felderítésének a kezdetén. A II. felvonásban - ha nem romboljuk le a saját bolygónkat a környezetszennyezés vagy háborúk révén

- képesek leszünk elhagyni a Földet és csillagokat, valamint más égitesteket felfedezni. De értesülhettünk arról is, hogy van egy végső, egy III. felvonás, amiben a játék véget ér és minden színész eltűnik. A III. felvonásban a színpad olyan hideggé válik, hogy az élet lehetetlen lesz. A megmenekülés egyetlen lehetséges útja az, ha a színpadunkat egy csapóajtón elhagyjuk, és egy új színpadon új színjátékot kezdünk.

A kopernikuszi elv és a vele szemben álló antropikus elv

Világos, hogy a középkor miszticizmusából a modern kor kvantumfizikájába való átmenet minden egyes tudományos forradalommal drámaian megváltoztatta az Univerzumban betöltött szerepünkről alkotott felfogásunkat. Világunk exponenciálisan tágul, és ez arra kényszerít minket, hogy megváltoztassuk elképzelésünket saját magunkról. Amikor én a történeti fejlődést nézem, és amint felpillantok az égboltozat látszólag végtelen számú csillagára, vagy töprengek a milliárdnyi földi életformán, akkor két, egymással ellentétes érzelem vesz erőt rajtam. Egyfelől, az Univerzum nagysága mellett törpének érzem magam. Amikor az üres, hatalmas kiterjedésű Univerzumról elmélkedett, Blaise Pascal azt írta: „E végtelen térségek örök hallgatása rettegéssel tölt el." (Ford. Pödör László) Másfelől nem segít, de megigéz az élet pompás változatossága és biológiai létünk csodálatos komplexitása.

Manapság, amikor az univerzumbeli szerepünk kiderítéséhez tudományosan elég jól közelítünk, bizonyos értelemben két szélsőséges filozófiai nézet osztja meg a fizikus közösséget: a kopernikuszi elv és az antropikus elv. A kopernikuszi elv azt állítja, hogy univerzumbeli helyünket illetően nincs semmi különleges. (Néhány hajbókoló szerint ez a középszerűség elve.) Eddig mindig megkövetelték, hogy minden csillagászati felfedezést ebből a nézőpontból értékeljenek. Nemcsak Kopernikusz űzte el a Földet az Univerzum középpontjából, de Hubble az egész Tejútrendszert mozdította ki az Univerzum centrumából, és megadta a sok milliárdnyi galaxis alkotta táguló Univerzum képét. A sötét anyag és a sötét energia újabb keletű felfedezése pedig azt a tényt húzza alá, hogy a testünket is alkotó nehezebb kémiai elemek az Univerzum teljes energia/anyagtartalmának csak 0,03%-át teszik ki. Az inflációs elméletet ismerve, el kell gondolkodnunk azon, hogy vajon a belátható Univerzum csak homokszemnyi valami egy sokkal nagyobb, sima Univerzumban, és hogy maga az Univerzum folyamatosan új univerzumoknak ad életet. És végül, ha az Melméletet sikeresen bebizonyítják, akkor annak lehetőségével kell szembe néznünk, hogy az idő és a tér megszokott dimenzióinak száma tizenegyre fog nőni. Nemcsak hogy az Univerzum középpontjából leszünk száműzve, de esetleg majd úgy találjuk, hogy még a látható Univerzum is csak a sokkal nagyobb multiverzum egy apró töredéke.

Ennek a felismerésnek a szörnyűségével szembesülve Stephen Crane sorai juthatnak eszünkbe:

Egy ember azt mondta az Univerzumnak: „Uram, én létezem!"

„Hm, na és?", felelte az Univerzum ,A tény nem kelt bennem

semmiféle kötelességérzetet."

(Gondolhatunk a Douglas Adams Galaxis Útikalauz stopposoknak című regényében szereplő Telepszichomatikus Turbómixer elnevezésű szerkezetre, ami bárki egészséges embert garantáltan dühöngő őrültté változtat. Az eszközön belül megtalálható az egész Univerzum térképe, amin egy nyíl jelöli: „Itt vagy")

Másik végletként ott van nekünk az antropikus elv, ami annak észrevételére késztet minket, hogy egész létezésünk számos, a tudatot a mi háromdimenziós univerzumunkban lehetővé tévő „csodálatos véletlennek" köszönhető. Nevetségesen keskeny az a paramétersáv, amiben az intelligens élet valósággá válhat, és mi pont ebbe a sávba kerültünk. A proton stabilitása, a csillagok mérete, a nehezebb elemek létezése és így tovább, úgy tűnik, arra lett beállítva, hogy lehetővé tegye komplex életformák és a tudat megjelenését. Lehet azon vitatkozni, hogy ezek a szerencsés egybeesések vajon egy tervező műve vagy puszta véletlen, de azt senki sem vitathatja, hogy tekervényes finomhangolás kellett a létrejöttünkhöz.

Stephen Hawking megjegyzi: „Ha az Ősrobbanás után egy másodperccel a tágulás üteme csak 1 százezer-milliomod résszel is kisebb lett volna, az Univerzum még azelőtt összeomlott volna, minthogy elérte volna jelenlegi méretét... Annak az esélye, hogy pont egy olyan univerzum, mint a mienk emelkedjék ki valami olyasmiből, mint az Ősrobbanás, nagyon csekély. Úgy vélem, ennek van vallási jelentősége."

Gyakran elmulasztjuk megfelelően értékelni, hogy az élet és a tudat valójában mennyire értékes. Elfelejtjük, hogy az olyan egyszerű dolog, mint a folyékony víz, egyike a legértékesebb anyagoknak, és a Naprendszerben csak a Földön (meg esetleg a Jupiter egyik holdján, az Európán) található számottevő mennyiségben, és ezen kívül talán nemcsak a Naprendszerben, hanem a Galaxis egész itteni szektorában sem fordul elő.

Valószínű, hogy az egész Naprendszerben, de talán még a legközelebbi csillagok rendszerében is az emberi agy a természet által létrehozott legkomplexebb rendszer. Amikor a Mars vagy a Vénusz élettelen, de élénk színű képeit nézzük, mellbevágó, hogy a felszínükön se városok, se fények, de még az élethez szükséges összetett molekulák és anyagok sincsenek jelen. Megszámlálhatatlan életmentes világ létezhet a világűrben, és sokkal kevesebb hely marad az intelligens életnek. Ez annak elfogadására kényszerít minket, hogy belássuk, milyen törékeny dolog is az élet, és csodaszámba megy, hogy a Földön ki tudott virágozni.

A kopernikuszi elv és az antropikus elv bizonyos értelemben ellentétes nézetek, amelyek segítenek megérteni az Univerzumban betöltött szerepünket. Míg a kopernikuszi elv arra késztet minket, hogy szembesüljünk az Univerzum, sőt talán a multiverzum valódi nagyságával, az antropikus elv arra tanít, hogy valójában milyen ritka is az élet és a tudat. Végső soron a kopernikuszi elv és az antropikus elv közötti párbeszéd nem határozhatja meg univerzumbeli szerepünket anélkül, hogy egy sokkal tágabb nézőpontból ne tekintenénk a kérdésre, mégpedig a kvantumelmélet nézőpontjából.

Kvantumcél

A kvantumtudományok világa az univerzumbeli szerepünket illető kérdést jobban megvilágítja, de egy másik nézőpontból. Ha valaki a Schrödinger macskájának problémájára adott Wigner-féle interpretációval azonosul, akkor szükségszerűen a mindenütt ott lévő tudatot kell látnunk. A megfigyelők végtelen láncolata, akik mindegyike az eggyel előtte lévőt figyeli, végül elvezet minket egy kozmikus megfigyelőhöz, talán magához Istenhez. Ebben a képben az Univerzum azért létezik, mert egy istenség megfigyeli. Ha pedig Wheeler interpretációja a helyes, az egész Univerzumot a tudat és az információ uralja. Ebben a képben a tudat az a domináns erő, ami a létezés természetét meghatározza.

Wigner nézőpontja Ronnie Knoxot arra késztette, hogy egy szkeptikus és Isten közötti találkozóról verset faragjon, amiben azt latolgatják, hogy a fa az udvaron vajon létezik-e, ha senki nincs ott, hogy megfigyelje:

Egyszer egy ember így szólt: „Isten Azt kell higgye, szokatlan rendkívülien, Hogy a fa, mely itt virágzik

Folyamatosan létezik,

Pedig az udvaron senki sincsen."

Egy ismeretlen erre a következőket fabrikálta össze válasz gyanánt:

Kedves Úr, észrevételének semmi alapja nincsen, Hiszen mindig az udvaron őrködök a kincsen, És ezért a fa, mely ott virágzik

Állandóan létezik,

Mert folyton figyeli tisztelő híve: Isten.

Más szavakkal: az udvaron álló fa mindig is létezik, mert mindig van ott egy kvantummegfigyelő, aki miatt a fa hullámfüggvénye összeomlik: ez a megfigyelő Isten maga.

Wigner magyarázata a tudat kérdését a fizika alapjainak legközpontibb elemévé teszi. Wigner a nagy csillagász, James Jeans szavait visszhangozza: „Ötven évvel ezelőtt az Univerzumot egy nagy gépnek tekintették... Amikor méretskáláit illetően bármely szélsőség irányába is tekintünk akár magát a kozmoszt mint egészet nézzük, akár az atom belsejét - a Természet mechanikai interpretációja megbukik. Olyan entitásokat és jelenségeket tapasztalunk, amelyek a mechanikában nincsenek értelmezve. Engem ezek kevésbé emlékeztetnek mechanikai folyamatokra, sokkal inkább mentális folyamatok; az Univerzum egy nagy gépezet helyett inkább nagy gondolatnak tűnik."

Ez az interpretáció a legambiciózusabb formáját talán Wheeler bitelméletében veszi fel. „Nemcsak mi fogadjuk be az Univerzumot. Az Univerzum is befogad minket." Más szavakkal, bizonyos értelemben a saját valóságunkat a megfigyeléseinkkel hozzuk létre. Wheeler úgy hívja ezt, hogy „Genezis a megfigyelőség által." Wheeler azt állítja, hogy „részvételi Univerzumban" élünk.

Ugyanezek a szavak visszhangoznak a Nobeldíjas biológus, George Waldnál is: „Egy fizikusok nélküli Univerzumban atomnak lenni igencsak hátul kullogó dolog lenne. Ám a fizikusok atomokból állnak. A fizikus az atom lehetősége, hogy az atomokat megismerjék." Az unitárius lelkész Gary Kowalski a következőképpen összegezte ezt a hitet: „Azt lehet mondani, hogy az Univerzum azért létezik, hogy önmagát ünnepelje és szépségében gyönyörködjék. És ha az emberi faj egy olyan kozmosz darabkája, ami a saját tudatossága felé halad, a mi célunk bizonyosan csak az lehet, hogy tanulmányozzuk, megőrizzük és örökül hagyjuk a világot, nem pedig kifosszuk és leromboljuk azt, ami olyan lassan jött létre."

Ebben az érvelésben azt találjuk, hogy az Univerzumnak kell legyen egy célja: hozzánk hasonló érző lényeket kell létrehoznia, akik észlelhetik, hogy az Univerzum létezik. E nézőpont szerint az Univerzum létezése attól a képességétől függ, hogy képes-e olyan intelligens lényeket produkálni, akik megfigyelhetik őt magát, és ezért a hullámfüggvénye összeesik. A kvantumelmélet wigneri interpretációját kényelmesnek találhatjuk. De van egy alternatív lehetőség is, a sokvilág-hipotézis, ami az emberiség univerzumbeli szerepét egészen másképpen gondolja. A sokvilág-elképzelésben Schrödinger macskája egyidejűleg lehet élő is, halott is, egyszerűen azért, mert az Univerzum hasad ketté két különálló univerzumra.

Multiverzumcél

Könnyű elveszni a sokvilág-hipotézis végtelen számú univerzuma között. A párhuzamos világok elképzelésének erkölcsi vonatkozásait Larry Niven fejtette ki rövidke regényében, a Miriádnyi út mindegyikében. A történetben Gene Trimble nyomozóhadnagy rejtélyes öngyilkosságok sorozatát vizsgálja ki. Az egész városban hirtelen olyan emberek ugornak le hidakról, lövik főbe magukat vagy követnek el tömeggyilkosságokat, akiknek korábban soha nem volt semmilyen mentális problémájuk. A rejtély tovább mélyül, amikor a Crosstime Corporation nevű cég milliárdos tulajdonosa, Ambrose Harmon harminchatodik emeleti luxusapartmanjának ablakából ugrik ki éppen azután, hogy előtte 500 dollárt nyert pókeren. Gazdag, hatalmas, remek kapcsolatokkal, mindene megvan az életben: öngyilkosságának semmi értelme. De végül Trimble nyomra bukkan. A Crosstime Corporation pilótáinak húsz százaléka követett el öngyilkosságot; továbbá az öngyilkosságok a cég alapítását követő egy hónap után kezdődtek.

Mélyebbre ásva megtudja, hogy Harmon a nagyszüleitől örökölte a vagyonát, és bár ostoba módon elverte az egészet, de szerencsejátékon visszanyert mindent. Maga köré gyűjtött néhány fizikust, mérnököt és filozófust, hogy vizsgálják meg, létezhetnek-e párhuzamos időösvények. Végül megalkottak egy olyan gépet, amellyel más idővonalra lehetett átlépni, és a pilótája rövid időn belül új találmányok és felfedezések leírásával térhetett vissza az Amerikai Konföderációból. A Crosstime meggazdagodott a párhuzamos idővonalakba tett utazások százaiból, mert az ott megismert találmányokat hazahozták és a mi világunkban szabadalmaztatták. A Crosstime hamarosan milliárd dolláros üzletté vált, megszerezve a mi időnk legfontosabb és legjövedelmezőbb találmányainak szabadalmát. Úgy tűnt, mintha Harmonnal az élen a Crosstime lett volna korának legsikeresebb cége.

Minden általuk felfedezett idővonal más volt. Megtalálták a Katolikus Birodalmat, az Amerindian Amerikát, a cári Oroszországot, és sok halott, radioaktív világot is, amelyeknek egy nukleáris háború vetett véget. De aztán valami nagyon mélyen zavarót találtak: saját maguk tökéletes másolatait, amely hozzájuk a megtévesztésig hasonlóan élt, de különösen bizarr vonásokkal. Azokban a világokban - függetlenül attól, mit tettek bármi megtörténhetett: mindegy, mennyire keményen dolgozik valaki, akár legfantasztikusabb álmait is valóra válthatja; vagy pedig a legvadabb rémálmai között élhet. Bármit is tesznek, néhány univerzumban sikeressé válnak, más univerzumokban pedig teljesen bukott emberek lesznek. Saját maguknak végtelen sok másolata létezik, függetlenül attól, hogy tesznek-e ellene vagy sem; más elhatározásokat hoznak és viselik annak következményeit. Miért ne válnának bankrablóvá, ha más univerzumokban büntetlenül sétálhatnak? Végül ez vezetett az öngyilkosságok és bűnözések okainak felderítéséhez.

Szerencsének nyomát sem lehetett találni. Minden döntés kétirányú volt. Minden értelmes választást vérző szívvel el kellett vetni, akárcsak az összes többit is, és ez így ment az egész történeten keresztül.

Trimble eljutott egy lélekbemarkoló felismeréshez: egy olyan univerzumban, ahol minden megtörténhet, semmi sem kelt erkölcsi érzetet. Kétségbeesett, ráébredve arra, hogy végső soron nem tartjuk ellenőrzés alatt a saját sorsunkat, mindegy, milyen döntést hozunk, a végeredménynek nincsen jelentősége.

Végül elhatározta, hogy szorosan követi Harmon tetteit. Előhúzott egy fegyvert és a fejére célzott. Ám, ha a ravaszt meg is húzza, akkor is végtelen számú világ létezik, amelyben a fegyver csütörtököt mond, a golyó a mennyezetbe fúródik, vagy éppen a detektívet öli majd meg stb. Trimble végső döntése az volt, hogy végigmegy a végtelen számú univerzum végtelen sok lehetőségén.

Amikor egy kvantumuniverzumot képzelünk el, akkor - akárcsak a történetbeli Trimble nyomozó - azzal a lehetőséggel szembesülünk, hogy bár egy másik kvantumuniverzumban pontosan ugyanazzal a genetikai kóddal élhet egy tökéletesen pontos másunk ugyanazzal az élettel, ami nekünk itt van, az élet kulcsfontosságú pillanataiban mégis a lehetőségeink, a támogatóink és az álmaink olyan fordulatot vehetnek, hogy teljesen eltérő sorsunk lesz egy adott ponttól kezdve és más élettörténetet befutva más lesz a végzetünk. Valójában ezeknek a dilemmáknak egy bizonyos formája itt lebeg felettünk. Csak idő kérdése, talán csak pár évtized, és az emberek genetikai másolata, klónja itt fog járni-kelni közöttünk és az emberklónok az élet megszokott részeivé válnak. Noha az emberek klónozása különösen nehéz feladat (valójában még főemlőst sem klónozott senki teljes mértékben, nemhogy embert), és a vonatkozó etikai kérdések rettenetesen zavarbaejtőek, mégis elkerülhetetlen, hogy egy napon meg fog történni. És amikor ez majd bekövetkezik, felbukkan a kérdés: van-e a klónunknak lelke? Felelősek vagyunk-e a klónunk tetteiért? Egy kvantumuniverzumban végtelen sok kvantumklónunk lehet. Mivel néhány klónunk az ördög módjára cselekszik és él, kérdés: felelősek vagyunk-e az ő tetteik következményeiért? Megsínyli-e a mi lelkünk a kvantumklónunk bűneit?

Ennek a kvantumlétezési krízisnek van egy megoldása. Ha végigpillantunk a végtelen sok világ multiverzumán, az egyes sorsok szédítő

véletlenszerűsége lenyűgözhet minket, de minden egyes világon belül a józan észnek megfelelő oksági elv marad a fő szabály. A fizikusok által javasolt multiverzum-hipotézisben minden egyes világot makroszkopikus szinten a saját, a newtonira emlékeztető törvényei irányítanak, így a saját életünket kényelmesen élhetjük annak tudatában, hogy döntéseinknek és tetteinknek pontosan kiszámítható következményei lesznek. Minden egyes univerzumon belül az okság törvénye - átlagosan - szigorúan érvényesül. Minden egyes univerzumban, ha bűncselekményt követünk el, akkor nagy valószínűséggel eljárás alá vonnak minket. Ügyeinket a velünk együtt létező összes párhuzamos valóság ismerete nélkül intézhetjük.

Eszembe jut egy történet, amelyet fizikusok mesélnek néha. Egy nap egy orosz fizikus Las Vegasba érkezett. A bűnös város kínálta kapitalista bőségtől és dorbézolástól egészen megszédült. Azonnal a játékasztalokhoz ment, és egyből feltette az összes pénzét. Amikor figyelmeztették, hogy ez ostoba játékstratégia, hogy stratégiája szemben áll a matematika és a valószínűségszámítás törvényeivel, akkor ezt felelte: „Igen! Ez mind igaz! De az egyik kvantumuniverzumban gazdag leszek!" Ennek az orosz fizikusnak talán kissé ki kellett volna javítania magát, és azt mondania: egy másik párhuzamos világban a képzeletét felülmúló gazdagságot élvezhet. Ebben a bizonyos Univerzumban viszont minden pénzét elveszítette és kifosztotta önmagát. És viselnie kell a következményeket.

Amit a fizikusok gondolnak az univerzum céljáról

Az élet értelméről szóló vitát Steven Weinberg Az első három perc című könyvében megjelent provokatív mondatok még inkább felkorbácsolták. „Minél inkább megérthetőbbnek tűnik az Univerzum, annál inkább céltalannak látszik... Az Univerzum megértésére fordított erőfeszítések azon nagyon kevés dolgok egyike, ami az emberi fajt kissé a komikum szintje fölé helyezi és némi tragédiát visz bele." Weinberg úgy találta, hogy az összes mondat közül, amit valaha is leírt, ezek a mondatok váltották ki a leghevesebb reagálásokat. Később újabb vitát keltett, amikor mindehhez hozzáfűzte: „Vallással vagy anélkül, a jó emberek képesek jól viselkedni, a rossz emberek ördögként cselekszenek: de hogy jó emberek ördögökké legyenek: ez jelenti a vallást."

Weinberg látszólag ördögi élvezettel keverte meg a bilit, élcelődve azokon, akik önhitten állítottak valami éleselméjűnek hangzót az Univerzum kozmikus céljáról. „A filozófiai dolgokban évek óta egy jókedvű nyárspolgár vagyok" - vallotta be. Shakespeare-hez hasonlóan, aki szerint az egész világ csak színház, ő is úgy vélte, hogy „a tragédia nem a szövegkönyvben van; a tragédia az, hogy nincs szövegkönyv."

Weinberg a tiszteletreméltó oxfordi tudós, a Richard Dawkins biológus szavait visszhangozza, aki azt hirdeti: „A vak fizikai erők birodalmában... néhányan megsérülnek, néhányan szerencsések lesznek, és ebben semmi mélyebb okot vagy igazságosságot nem lehet találni. Az általunk észlelt Univerzumnak pontosan olyan tulajdonságai vannak, amiket mi elvárnánk, ha a mélyén nem lenne sem tervező, sem cél, sem ördög, semmi jóság, csak a vak és könyörtelen közömbösség."

Weinberg lényegében felhagyott e kihívással. Ha az emberek azt gondolják, hogy az Univerzumnak van valami célja, akkor mi az? Amikor a csillagászok a kozmosz mérhetetlenül nagy mélységeibe pillantanak, ahol a mi Napunknál sokkal nagyobb óriás csillagok születnek és halnak egy olyan Univerzumban, ami milliárd évek óta robbanásszerűen tágul, nehéz azt látni, hogy ezt az egészet úgy rendezték el, hogy értelmet adjon egy feledhető csillag körül keringő aprónyi bolygón tartózkodó emberiségnek. Noha az ő kijelentései nagy vihart kavartak, csak nagyon kevés tudós mondott ellent neki nyilvánosan. Amikor azonban Alan Lightman és Roberta Brawer számos kiemelkedő kozmológust kérdezett arról, hogy vajon egyetértenek-e Weinberggel, akkor érdekes módon csak maroknyian fogadták el Weinberg sötét értékelését az Univerzumról. Az egyik erősen Weinberg pártján lévő tudós, a Lick Observatoryban és a Santa Cruzban lévő University of Californián dolgozó Sandra Faber azt mondta, hogy „Nem hiszem, hogy a Földet az embereknek teremtették. Természetes úton jött létre, és további természetes folyamatok révén megjelent itt az élet és az értelem. Úgy gondolom, hogy az Univerzum pontosan ugyanilyen módon, valamilyen hasonló természetes úton jött létre, és megjelenésünk benne a fizikai törvények teljesen természetes következménye. Azt hiszem, a kérdésbe mindig beleveszik azt a motiváló tényezőt, hogy az emberi léten túl van valami értelme az egésznek. Ebben nem hiszek. Végső soron arra tippelek, hogy - egyetértve Weinberggel - emberi nézőpontból tekintve az egész teljesen céltalan."

A kozmológusok sokkal nagyobb tábora úgy gondolja, hogy Weinberg hibás alapokon áll, és az Univerzumnak akkor is van célja, ha az nem egészen világos.

A Harvard egyik professzora, Margaret Geller azt mondta, hogy „Az életről alkotott saját nézetem annyi, hogy mindenki éli a saját rövid életét.

A lényeg, hogy mindenki olyan gazdag tapasztalatokat gyűjtsön össze, amennyit csak tud. Ezt próbálom megtenni. Próbálok valami kreatívat csinálni. Próbálom az embereket tanítani."

Végül a kozmológusok egy maroknyi csoportja úgy véli, hogy az Univerzum Isten kezemunkája. A University of Albertán dolgozó Don Page, aki Stephen Hawking tanítványa volt, azt mondta: „Nos igen, én azt mondanám, hogy határozottan van egy cél. Nem tudom, mik ezek a célok, de úgy gondolom, hogy Isten egyik célja az ember megteremtése volt, hogy az Istennel barátságos viszonyba kerüljön. Egy nagyobb cél az lehetett, hogy Isten teremtése dicsőítse Istent." Isten alkotását látja a kvantummechanika elvont törvényeiben: „Bizonyos értelemben, a fizikai törvények az Isten által használt nyelv nyelvtanával hozhatók párhuzamba."

A University of Marylandén dolgozó Charles Misner, aki az egyik tudós Einstein általános relativitáselméletének első tanulmányozói közül, Pagedzsel közös állásponton van: „Az az érzésem, hogy a vallásban nagyon komoly dolgok vannak, mint Isten létezésének állítása és az emberek testvérisége, amik olyan nagyon komoly igazságok, hogy talán majd egy nap megtanulunk egy más skálán egy másik nyelvet értékelni... Úgy gondolom, hogy valódi igazságok vannak benne, és Univerzum őfensége bizonyos értelemben értelmes, és tiszteletet kell adnunk Alkotójának."

A Teremtő kérdése felvet egy kérdést a tudomány számára: mondhat-e bármit a tudomány Isten létezéséről? A teológus Paul Tillich egyszer azt mondta, hogy a fizikusok az egyedüli olyan tudósok, akik arcpirulás nélkül mondhatják ki az „Isten" szót. Valójában a fizikusok magukra maradtak-e, hogy egyedüliként megbirkózzanak az emberiség egyik legnagyobb kérdésével: volt-e, van-e nagy tervezés? És ha igen, akkor volt-e, van-e egy tervező? Vajon mi az igaz út az igazsághoz, az okfejtés vagy a kinyilatkoztatás?

A húrelmélet lehetővé teszi, hogy a szubatomi részecskéket egy rezgő húron létrejövő hangokként szemléljük; a kémia olyan melódia lenne, amit ezeken a húrokon játszanak; a fizika törvényei a húrok viselkedését szabályozó harmónia törvényeinek felelnek meg; az Univerzum a húrok szimfóniája; és Isten gondolata pedig a hipertérben lévő kozmikus vibrációknak feleltethetők meg. Ha ez az analógia érvényes, akkor a következő kérdésnek annak kell lennie, hogy vajon van-e karmester vagy zeneszerző? Megtervezte-e valaki a húrelméletben az Univerzumok sokaságát lehetővé tevő elméletet? Ha az Univerzum finomhangolt óramű, akkor van-e órásmester?

Bizonyos értelemben a húrelmélet fényt vet arra a kérdésre is, hogy vajon volt-e Istennek választása? Miközben Einstein kozmikus elméleteit alkotta, mindig megkérdezhette volna, vajon hogyan terveztem volna meg az Univerzumot? Ő afelé hajlott, hogy ez ügyben Istennek nem volt választása.

A húrelmélet - úgy tűnik - igazolja ezt a gondolatot. Amikor a relativitáselméletet és a kvantumelméletet összekombináljuk, akkor rejtett, de fatális események történnek: végtelenbe növő divergenciák és az elmélet szimmetriáit leromboló anomáliák. Csak nagyon erős szimmetriák beépítésével lehet ezeket a divergenciákat és anomáliákat megszüntetni, és az Melméletben megvannak a legerősebb szimmetriák. Ezért aztán lehetséges, hogy létezik egy egyedi, egyszerű elmélet, ami meghatározza az összes posztulátumot, amit elvárunk egy megfelelő elmélettől. Einsteint, aki gyakran és hosszan írt az „Ősi Egy"-ről, megkérdezték Isten létezéséről. Számára Isten két típusa létezett. Az első isten a személyes isten, akihez imádkozunk, Ábrahám, Izsák és Mózes Istene, aki kettéválasztotta a Vörös-tengert és aki csodákat tesz. De ez nem az az isten, akiben sok tudós szükségszerűen hisz.

Einstein egyszer azt írta, hogy ő hisz „Spinoza Istenében, aki saját maga létezését csodálatos harmóniában tárja fel, de nem hisz abban az Istenben, aki magát az emberi sorsok és tettek alakítójának képzeli". Spinoza és Einstein Istene a harmónia istene, az érvelés és a logika istene. Einstein azt írja, hogy „Nem tudok elképzelni olyan Istent, aki teremtésének tárgyait jutalmazza és bünteti... Abban sem tudok hinni, hogy az egyének túlélik saját testük pusztulását."

(Dante Poklában a pokol bejáratához közel eső Első Kör olyan jóakaratú és szenvedélyes emberekkel van tele, akik nem lehettek Jézus Krisztus hívei. Dante az Első Körbe helyezte Platónt, Arisztotelészt, és más kiváló gondolkodókat. Amint a fizikus Wilczek megjegyzi: „Úgy gyanítjuk, hogy sok, talán a legtöbb mai modern tudós az Első Körben fogja megtalálni végzetét." Mark Twain talán szintén az illusztris Első Körbe került. Twain egy ízben saját hitét úgy határozta meg, hogy az olyan átkozott bolondság, ami talán nincs is.)

A személyes véleményem tisztán tudományos nézőpontból az, hogy Einstein és Spinoza Istene mellett szóló legerősebb érv éppen a teológiából érkezik. Ha a húrelméletet kísérletileg be tudják bizonyítani, és a „minden elmélete" lesz, és ha - amint én és sok más fizikus véli - a valóság végső törvényei egy talán nem hosszabb, mint két centiméternyi egyenlettel leírhatók, akkor majd az lesz a kérdés, hogy honnan ered ez az egyenlet? Amint Martin Gardner mondta: „Miért esik le az alma? A gravitáció törvénye miatt. Miért van gravitációs törvény? Bizonyos, az általános relativitáselméletet alkotó egyenletek miatt. Ha majd a fizikusok képesek lesznek egy nap olyan végső egyenletet leírni, amiből az összes többi fizikai törvény leszármaztatható, akkor majd jön valaki és megkérdezi: Honnan van ez az egyenlet?"

Ha az egyesített térelmélet valóban teljesen egyedi lesz - ahogy azt Einstein hitte -, akkor fel kell tennünk a kérdést, hogy az egyedisége honnan ered? Azok a fizikusok, akik ebben az Istenben hisznek, úgy gondolják, hogy egy ennyire szép és egyszerű Univerzum legalapvetőbb, végső törvényei nem születhettek a véletlenből. Ellenkező esetben az Univerzum teljesen véletlenszerű lenne - vagy élettelen elektronokból és neutrínókból állna -, és alkalmatlan lenne arra, hogy élet, méghozzá intelligens élet legyen benne.

Saját értelmünk megteremtése

Én magam nagyon erősen hiszek abban, hogy van egy egyszerű egyenlet, ami az egész Univerzumot egy olyan rendezett, harmonikus formában írja le, ami kiált egyfajta tervezőért. Azt nem hiszem, hogy ez a tervező az emberiségnek adott volna egy pontosan rászabott célt. Mindegy, hogy a fizika végső megszövegezése mennyire lesz elegáns vagy mennyire kápráztat el minket, nem fogja az emberek milliárdjainak lelkét felemelni, és semmilyen érzelmi megelégedettséget nem fog nekik adni. A kozmológia vagy a fizika semmilyen mágikus formulája nem fogja lenyűgözni a tömegeket, és nem fogja lelküket gazdagítani.

Számomra az élet valódi értelme az, hogy megteremtsük saját értelmünket, célunkat. A végzetünk, hogy saját jövőnket megalkossuk, és nem az, hogy valamilyen magasabb hatalom kezébe tegyük. Einstein egyszer bevallotta, hogy nem volt elég ereje ahhoz, hogy megfelelő választ adjon annak a többszáz jó szándékú embernek, akik azt kérték tőle, hogy fedje fel előttük az élet értelmét. Amint Alan Guth írta: „Valóban, egyszerű feltenni ezeket a kérdéseket, de senki nem várhat bölcs választ egy fizikustól. Az én érzésem az, hogy az életnek van célja - arra gondolok, a célja az, hogy az életnek mi adjunk célt, tehát a cél nem valamilyen kozmikus tervezőtől érkezik."

Úgy vélem, hogy Sigmund Freud - a tudatalatti homályos oldaláról való összes spekulációjával együtt - jutott legközelebb az igazsághoz, amikor azt állította, hogy ami az elménknek értelmet és stabilitást ad, az a munka és a szerelem. A munka abban segít, hogy felelősséget és célt kapjunk, ezáltal határozottan és konkrétan összpontosíthatunk a dolgainkra és az álmainkra. A munka nemcsak szerkezetet és rendezettséget ad életünknek, hanem biztosítja nekünk azt, hogy büszkék lehessünk magunkra, lássuk az eredményeinket és megkapjuk a beteljesülés érzetét. A szerelem pedig egy lényeges összetevő, ami belesző minket a társadalom hálójába. Szerelem nélkül elveszettek, gyökértelenek és üresek vagyunk. Szerelem nélkül a saját földünkön sodródunk, és senkihez sem tartozunk.

A munkán és a szerelmen túl ehhez én még két összetevőt adnék, ami értelmet ad az életünknek. Az egyik, hogy ki kell teljesítenünk azt a tehetséget, amit születésünkkor kaptunk. Noha különböző képességekkel és szorgalommal vagyunk megáldva, a legteljesebb módon ki kell bontakoztatnunk ezeket, nem szabad hagyni őket elsüllyedni és elsorvadni. Mindannyian ismerünk olyanokat, akik nem váltották valóra azokat az elképzeléseket, amiket gyerekkorukban ígértek. Sokukat kísért az a kép, amivé válhattak volna.

Ám a sors hibáztatása helyett el kellene fogadnunk azt, amik vagyunk és álmainkat a lehetőségeinkhez szabottan megpróbálni valóra váltani. A másik cél, hogy jobb állapotban kellene a világot magunk után hagyni, mint amilyenben akkor volt, amikor megérkeztünk bele. Mint egyének, megpróbálhatjuk jobbá tenni, legyen az a Természet titkainak kutatása, a környezet tisztábbá tétele, a békéért és a szociális igazságosságért való ténykedés, valamint mentorként és vezetőként a fiatalok érdeklődésének, kíváncsiságának, fogékony lelkének ápolása.

Átmenet az I. típusú civilizációba

Csehov Három nővérének második felvonásában Versinyin ezredes mondja, hogy egy vagy két évszázad múlva, vagy talán egy évezred múlva, az emberek jobban, boldogabban fognak élni. Mi nem leszünk ott, hogy lássuk

- de ezért dolgozunk, ezért élünk. Ezért szenvedünk. Mi teremtjük meg. Ez létezésünk célja. Az egyetlen általunk ismert boldogság az, hogy e cél érdekében dolgozunk.

Ahelyett, hogy az Univerzum roppant nagysága nyomasztana, engem izgat a közelünkben előforduló, teljesen más világok sokaságának gondolata. Olyan korban élünk, amikor űrszondák, űrtávcsövek, egyenletek és új elméletek segítségével a kozmosz igazi felfedezésének kezdetén élhetünk. Kiváltságos helyzetben lévőnek érzem magam, hogy olyankor élhetek, amikor világunk a hőskorban van. Az emberi történelem talán legnagyobb átmeneti korszakának élő tanúi vagyunk, az I. típusú civilizációba való átmeneté, ami az emberi történelemnek nemcsak a legnagyobb lépése, de legveszélyesebbje is.

Őseink a múltban durva és nem megbocsátó világban éltek. Az emberi történelem legnagyobb részében elődeink rövid, műveletlen életet éltek, amikor az átlagos élettartam húsz év körül volt. A betegségek állandó fenyegetésének árnyékában éltek, kiszolgáltatva a sorsnak. Őseink csontjainak vizsgálata azt mutatja, hogy agyonhajszoltak voltak, nem bírták a rájuk nehezedő nyomást és a kemény fizikai munkát; szörnyű balesetek és betegségek árulkodó jelei maradtak rajtuk. Még a legutóbbi évszázadban is, nagyapáink a modern egészségügy, az antibiotikumok, a sugárhajtású repülőgépek, a számítógépek és más elektronikai csodák nélküli korban éltek.

Unokáink azonban a Föld első planetáris civilizációjának hajnalán fognak élni. Ha nem engedjük meg, hogy brutális önpusztító ösztöneinknek engedve megsemmisítsük magunkat, akkor unokáink olyan korban élhetnek majd, amiben nem a szükség, az éhezés és a betegség határozza meg sorsukat. Az emberi történelem folyamán először birtokoljuk mindazokat a javakat, amelyek a Földet vagy paradicsommá változtathatják, vagy a teljes földi életet elpusztíthatják.

Gyerekként gyakran azt kívántam, hogy a távoli jövőben élhessek. Manapság, azt hiszem, ha választhatnék, hogy az emberiség mely korszakában éljek, akkor a mostanit választanám. Az emberi történelem legizgalmasabb időszakában vagyunk, minden idők legnagyobb technológiai fejlődésének és legnagyobb kozmikus felfedezéseinek fordulópontjában.

Azt a történelmi átmenetet készítjük elő, ami a természet játékának passzív szemlélőiből a természet játékának aktív koreográfusává tesz minket, az élet, az anyag és az értelem manipulálóivá. Ezzel a félelmetes erővel azonban hatalmas felelősség is társul, hogy munkánk gyümölcsét valóban bölcsen használjuk fel, és az egész emberiség javára fordítsuk.

A most élő generáció talán a legfontosabb mind közül, amelyek valaha is jártak vagy járni fognak a Föld felszínén. A megelőző generációkkal ellentétben, mi a fajunk jövőjét tartjuk a kezünkben, akár I. típusú civilizációként felemelkedünk, akár káoszban, szennyben és háborúban elbukunk.

Az általunk meghozott döntés (ha sikerül megmaradnunk) évszázadokig visszhangozni fog. Hogyan kerüljük el a globális háborút, a nukleáris fegyverek bevetését, a szektariánus és etnikai konfliktusokat, amelyek bármelyike lerombolhatja az I. típusú civilizáció megalapítását. A jelenlegi generációnak talán az a célja és értelme, hogy a lehető legsimább átmenetet biztosítsa az I. típusú civilizációba.

A választás joga a mienk. A most élő generációnak ez lesz a hagyatéka. Ez a végzetünk.

Jegyzetek

1. fejezet

22 „a kozmológiát spekulációkból szabatos tudománnyá..." vmw.space.com, 2003. február 11.

26 „Minden, amit hallani fognak, hibás." Croswell, 181

26 „Ez csak egy csomó süketség! Ez háború - ez háború!" Croswell, 173

27 „egy valószerűtlen, őrült univerzumban élünk..." R. Britt, www.space.com, 2003. február 11.

27 „Őszintén és nyíltan megmondom..." www.space.com, 2002. január 15.

28 „Lefektettük az Univerzum egységes..." New York Times, 2003. február 12. A34

29 „Ehhez foghatóan szép elmélet..." Lemonick, 53

30 „az infláció többé-kevésbé ránk kényszeríti..." New York Times, 2002. október 29. D4

30 „Amit konvencionálisan Univerzumnak hívunk..." Reesl, 3

33 „az Univerzum ahhoz a sofőrhöz hasonló..." New York Times, 2003. február 18. FI

35 „Ha valaki azt hiszi, miként én..." T. Rothman, Discover Magazine, 1987. július. 87

35 „A féreglyukak, ha csakugyan léteznek..." Hawking, 88

2. fejezet

38 „Honnan tudja?" Bell, 105

39 „Az Univerzumnak egyik irányban sincs vége." Silk, 9

40 „Folyamatos csoda szükséges..." Croswell, 8

41 „Milyen szerencsés dolog is..." Croswell, 6

42 Ha a csillagok sora végtelen volna... Smoot, 28

42 „Amikor először olvastam Poe szavait..." Croswell, 10

43 „...láthatjuk a kezdet végét." New York Times, 2004. március 10.

43 „A Hubble kőhajításnyira helyezett minket..." New York Times, 2004. március 10.

44 „Szegény szüleim szerencsétlenségére, akiknek oly'sok éven át..." Pais, 41

45 „Ilyen alapvető eredményt hozott az a paradoxon..." Schilpp, 53

46 „Einstein észrevette, hogy ha az idő függ a sebességtől. .." A közel fénysebességgel mozgó tárgyak hosszkontrakcióját valójában nem sokkal Einstein előtt Hendrik Lorentz és Geroge Francis Fitzgerald fedezte fel, de nem értették meg a jelenséget. Teljességgel a newtoni mechanika keretei között próbálták értelmezni az effektust, feltételezve, hogy az „éterszél" okozza az atomok közti távolság elektromechanikus megrövidülését. Einstein ötletének ereje nemcsak abban állt, hogy a speciális relativitáselmélet egyetlen alapelvből (a fénysebesség állandóságából) le tudta vezetni, hanem abban is, hogy ezt a newtoni fizikának ellentmondó, általános érvényű fizikai alapelvként interpretálta. Ebből viszont azonnal következik a téridő ilyen belső tulajdonsága, és nem kell az anyag elektromechanikus torzulásait feltételezni. A nagy francia matematikus, Henri Poincaré jutott talán a legközelebb ahhoz, hogy ugyanazokat az egyenleteket vezesse le, mint Einstein. De csak Einstein közölte a teljes egyenletrendszert és adta meg a probléma mély fizikai magyarázatát.

47 „Mint egy idősebb barátnak..." Pais2, 239

52 „Az emberi gondolkodás történetének..." Folsing, 444

52 „Ugyan már!" Parker, 126

52 „Úgy érzem..." Brian, 102

54 Ez a működési elve... Amikor a gáz kitágul, lehűl. Az ön hűtőgépében például a belső részt a kültérrel egy cső köti össze. Ahogy a gáz belép a hűtőgépbe, kitágul és emiatt a cső és az étel lehűl. Amint elhagyja a hűtő belsejét, a cső összeszűkül és így a gáz melegebbé válik. Minden hűtőgépben van egy mechanikus pumpaszerkezet, ami a csőben a gázt áramoltatja. Ezért melegszik fel a hűtő hátulja miközben a belseje lehűl. A csillagok éppen fordított módon működnek. Amikor gravitációjuk a gázt összepréseli csillagok gyomrába, akkor a csillag felmelegszik addig, amíg a magfúzióhoz szükséges hőmérséklet előáll.

3. fejezet

62 ,A világ fejlődése egy csak nemrég befejezett tűzijáték-bemutatóhoz hasonlítható." Lemonick, 26

62 „mint tudós, egyszerűen nem hiszem el..." Croswell, 37

63 „Gamow elméleteinek kilencven százaléka helytelen volt" Smooth, 61

63 „a tanítás gyakran szünetelt, amikor valamelyik ellenséges hadihajó éppen Ogyesszát lőtte..." Gamowl, 14

63 „Ez a kísérlet telt engem tudóssá." Croswell, 39

64 „Egy fickó az egyetemről..." Gamow2, 100

66 „Rá jellemző módon" Croswell, 40

66 „Minden alkalommal, amikor egy léggömböt veszel..." New York Times, 2003. április

29., 3

67 ,Az Univerzum korai napjaiból a mára extrapolálva azt találjuk..." Gamow, 142

68 „Rengeteg energiát fordítottunk a munkákról szóló beszámolók megtartására." Croswell, 41

69 „Arra jutottam, hogy sajnálatos módon olyan világba születtem..." Croswell, 42

69 „Az arcátlan szemtelenség miatt..." Croswell, 42

70 „Néhány hónappal korábban..." Croswell, 43

71 „Szó sincs róla, hogy lekicsinylőnek szántam volna az elnevezést. " Croswell, 45-46

72 „Amikor tizenöt éves voltam, Fred Hoyle előadásait hallgattam...” Hoyle ötödik és egyben utolsó előadása volt a legvitatottabb mind közül, mert ebben a vallást kritizálta. (Hoyle egyszer jellegzetes nyersességével azt találta mondani, hogy az északír problémára minden egyházi személy egyszerű bebörtönzése lenne. „Minden általam ismert vallási vita egyike sem ért annyit, mint egy gyermek halála."

73 „számolás izgalmában..." Gamow, 63

78 „akár mert a kocsi volt túlságosan komfortos..." Croswell, 63

79 „Széles körben hiszik, hogy a mikrohullámú háttérsugárzás létezése..." Croswell,

63-64

80 „Füstölgött, amikor mellőzték..." Noha Zwicky halála napjáig hirdette keserűségét, mivel tudományos felfedezéseit figyelmen kívül hagyták, addig Gamow nem panaszolta nyilvánosan, hogy nem érdemesítették Nobel-díjra, de magánleveleiben kifejezte csalódottságát. Gamow figyelemreméltó tudományos tehetsége és kreativitása a DNS-kutatás felé fordult, és végül részt vett a természet titkai egyikének feltárásában: hogyan állít elő a természet aminosavakat DNS-ből. A Nobeldíjas James Watson ezért önéletrajzában köszönetet mondott ezért Gamownak.

81 „Ez elcsépelt szólássá vált a családunkban. " Croswell, 91

83 „Amikor a kőzetekben ősmaradványokat találunk..." Scientific American, 1992. július, 17

4. fejezet

91 „Hogyan tudnál 500 000 fontnyi vizet..." Colé, 43

93 „Az egyszarvúhoz hasonlóan a monopólus is izgatja az emberi elmét." Guth, 30

95 „Kicsit aggódtam amiatt, hogy az elmélet egyes következményei látványosan tévesek lehetnek. " Guth, 186-67

96 „Steve-nek valami ellenvetése van?" Guth, 191

96 „Ingatag volt a helyzetem a munkaerőpiacon." Guth, 18

97 „Az inflációs elképzelés őrültségnek hangzik. " Kirschner, 188

97 „divat, amivel a nagyenergiás fizikusok fertőzték meg a kozmológusokat... " Reesl, 171

98 „Én csak azt éreztem, lehetetlen, hogy Isten ne használt volna ki egy ilyen nagy lehetőséget." Croswell, 124

101 „Noha ezt az egyensúlyt mi bizonyosnak vesszük..." Rees, 100

101 „Ez alól, úgy tűnik, csak egyetlen kivétel van." A tudósok az Univerzumban mindenfelé keresték az antianyagot és csak csekély mennyiségűt találtak (a Tejútrendszer centrumából azonban tekintélyes mennyiségű antianyagsugár távozik e l ) . Mivel az anyag és az antianyag látszólag megkülönböztethetetlen, mert a fizika és a kémia ugyanazon törvényeinek engedelmeskednek, nagyon nehéz őket külön-külön észlelni. De az egyik lehetséges mód antianyag jelenlétének kimutatására az 1,02 millió elektronvoltos gammasugárzás keresése. Ez az antianyag ujjlenyomata, ugyanis ez annak a minimális energiafelszabadulásnak az értéke, ami egy elektron és egy antielektron ütközésekor keletkezik. Az Univerzum átfésülése során ennek a sugárzásnak csak kevés nyomát találták, amiből arra következtetünk, hogy az antianyag nagyon ritka az Univerzumban.

103 „A természet titka a szimmetria." Colé, 190

104 „Minden, ami a világunkban a gravitáció kivételével történik..." Scientific American,

2003. június, 70

106 „A kozmikus háttérsugárzás eláraszt minket." New York Times, 2002. július 23., 7.

107 „Ha egy fehér törpe tömege meghaladja az 1,4 Naptömeget..." A Chandrasekhar-tömeg a következő okoskodással határozható meg. Egyrészről a gravitáció hihetetlen nagy sűrűségűre nyomja össze a fehér törpét. Másrészről azonban tekintetbe kell venni a Pauli-féle kizárási elvet, ami azt mondja, hogy két elektron nem lehet pontosan ugyanabban a kvantumállapotban. Ez utóbbi azt jelenti, hogy két elektron nem foglalhatja

el pontosan ugyanazt a helyet ugyanazokkal a tulajdonságokkal, tehát létezik egyfajta taszítóerő, ami az elektronokat kissé szétlöki egymástól (ez a hatás a köztük lévő elektromos taszításhoz járul). Emiatt egy kifelé ható nyomás lép fel, ami megakadályozza, hogy az elektronok egymásba préselődjenek. Ebből lehet kiszámítani azt a tömeget, aminél ez a két hatás - a gravitáció befelé húzó hatása és a taszítás - pontosan kiegyenlíti egymást. Ez a tömeghatár a Chandrasekhar-határ és 1,4 Naptömeggel egyenlő.

Egy neutroncsillagra a gravitáció egy neutronlabdában hat, és ezért egy neutroncsillagra más Chandrasekhar-határ érvényes, mégpedig egy három Naptömeg körüli. De mert egy neutroncsillag egy fehér törpénél nagyobb tömegű lehet, fekete lyukká tud összeomlani.

108 „A lambda-ügyet mindig vad elképzelésnek vélték." Croswell, 204

108 „Megdöbbentett, de hát mindent ellenőriztünk..." Croswell, 222

108 „amióta a fizikában vagyok, ez volt a legkülönösebb kísérleti felfedezés." New York Times, 2002. július 23.

5. fejezet

119 „Ez végzetes katasztrófa lenne az elmélet számára;..." Parker, 151

120 „E vizsgálódás lényeges eredménye annak világos megértése, hogy a Schwarzschild-féle szingularitás nem létezik a fizikai valóságban." Thorne, 136

120 „egy természeti törvénynek, ami megóvja a csillagokat attól, hogy ilyen abszurd módon viselkedjenek." Thorne, 162

123 „Keresztülhaladsz ezen a mágikus gyűrűn és - hoppá!..." Reesl, 84

124 „Ha tíz évvel ezelőtt találtál valamit..." Astronomy Magaziné, 1998. július, 44

127 „Ez a csillag addig nyúlt, mígnem szétszakadt." Reesl, 88

131 „A dolgok ilyen állása abszurdumokat szül." Nahin, 81

131 „Véleményem szerint Kurt Gödel esszéje..." Nahin, 81

134 Amint azt Jacob Bekenstein és Stephen Hawking megmutatta... Ok ketten az elsők között voltak, akik a kvantummechanikát a fekete lyukakra alkalmazták. A kvantumelmélet szerint van véges valószínűsége annak, hogy egy részecske a fekete lyuk

gravitációs erőterét alagúteffektus révén elhagyja, és így a lyuk csekélyke sugárzást bocsásson ki.

136 „Minden, ami nem tiltott, az kötelező". Thorne, 137

139 „nincsen egy árva bizonyíték sem arra nézve..." Nahin, 521

139 „nem az időutazás kedvelőinek győzelme..." Nahin, 522

141 „amikor megtaláltam ezt a megoldást, akkor nagyon izgatott lettem." Gott, 104

141 „Ahhoz, hogy a múltba elutazzunk..." Gott, 104

141 „Egy akkora összeomló kozmikus húrnak, ami elég nagy lenne ahhoz..." Gott, 110

142 A származási paradoxon. A származási paradoxon egyik jól ismert példáját az Analysis c. magazinban Jonathan Harrison brit filozófus tette közzé 1979-ben.

Az újság olvasóit felszólította a történet értelmezésére.

A történet Jocasta Jones fiatal hölggyel kezdődik, aki egy nap egy mély, hideg fagyasztóban találja magát. A hűtőben egy fiatal, jóképű, életben lévő, de megfagyott

férfit talál. Miután kiolvasztja, megtudja, hogy a férfi neve Dum. Dum elmeséli neki, hogy van egy könyve, amiben leírták, hogyan kell egy olyan nagy fagyasztót építeni, ami épségben megőrzi az emberi testet, és azt is megtalálta a könyvben, hogyan kell időgépet építeni. Szerelembe esnek, összeházasodnak, és születik egy fiúgyerekük, akit Dee-nek neveznek el.

Évekkel később, amikorra Dee fiatalemberré cseperedik, követi apja nyomdokait és elhatározza, hogy épít egy időgépet. Dee és Dum együtt tesz egy utat a múltba, magukkal vivén a könyvet. De az utazás tragikusan végződik, és hajótörött időutazóként a régmúltban találják magukat, miközben élelmük kifogyóban van. Felismerik, hogy közel a vég és Dee az életben maradás egyetlen esélyének azt látja, ha megöli és megeszi apját. Dee ezután elhatározza, hogy követi a könyv instrukcióit és megépít egy nagy fagyasztót. Maga megmentése érdekében belép és lefagyasztja magát, hogy felfügessze életfunkcióit.

Sok-sok évvel később Jocasta Jones megtalálja a fagyasztót és elhatározza, hogy kiolvasztja Dee-t. Dee, hogy palástolja kilétét, Dumnak nevezi magát. Szerelembe esnek és születik egy gyerekük, akit Dee-nek neveznek el... és a történet vég nélkül folytatódik.

Harrison történetére számtalan reakció érkezett. Egy olvasó azt állította, hogy a „történet rendkívül extravagáns, és reductio ad absurdum-nak kell tekinteni, mivel olyan kétséges és vitatott feltevésen nyugszik, miszerint az időutazás lehetséges." Megjegyzendő, ebben a történetben a nagymamaparadoxon nem merül fel, mivel Dee visszamegy a múltba, hogy anyjával találkozzon. Semmi sem történik Dee-vel a múltban,

ami a jelent lehetetlenné tenné. (Az információs paradoxon azonban fellép, mert a könyv tartalmazza az életfunkciók felfüggesztésének titkát, ami az időutazással együtt a semmiből kerül elő. Maga a könyv persze nem lényeges eleme a történetnek.) Egy másik olvasó egy furcsa biológiai paradoxonra mutatott rá. Mivel egy ember DNS-ének fele az anyjától, fele az apjától származik, ez azt jelenti, hogy Dee DNS-kódjának a fele származik Ms Jonestól és fele az apjától, Dumtól. Dee viszont valójában Dum. Ezért Dee és Dum DNS-e azonos, minthogy a két személy egy és ugyanaz. Ez viszont lehetetlen, mert a genetika törvényei szerint fele génjük Ms Jonestól származik. Más szavakkal, azokban az időutazás-történetekben, amelyekben egy személy

visszamegy a múltba és találkozik a saját anyjával és a saját maga apjává válik, sérti a genetika törvényeit.

Lehet azon gondolkodni, hogy a származási paradoxon alól van kibúvó. Ha valaki képes egyszerre a saját anyjává és apjává is válni, akkor mindenki DNS-e egyetlen személytől származik. Robert Heinlein „Mindannyian zombik vagytok" c. meséjében egy fiatal lány nemet változtató műtéten esik át, és kétszer is visszamegy az időben, hogy saját anyjává, apjává, fiává és lányává váljon. Ebben a különös történetben is a genetika törvényeinek világos megsértése történik.

A „Mindannyian zombik vagytok"-ban a Jane-nek nevezett fiatal lány egy árvaházban nő fel. Egy nap találkozik egy ismeretlennel és szerelembe esnek. Életet ad egy kislánynak, akit rejtélyes módon elrabolnak. Jane-nél komplikációk léptek fel a szülés során és az orvosok rákényszerítették Jane-t a férfivá való átoperálásra. Évekkel később férfiként időutazó lesz és visszamegy a múltba, ahol találkozik a fiatal lány Janenel. Egymásba szeretnek és Jane állapotos lesz. Ezután a férfi-Jane elrabolja Jane lánygyerekét, aki a saját maga gyereke is és még tovább megy vissza a gyerekkel együtt a múltba, és a gyerekkorú Jane-t otthagyja az árvaházban. Ezután ez a Jane felnő és találkozik egy jóképű ismeretlennel... Ez a történet majdnem elkerüli a származási paradoxon felléptét. A gének fele a fiatal lány Jane-é, a másik fele pedig azé a Jane-é, aki fiatal ismeretlen férfiként tűnik fel. De egy nemet változtató operáció nem változtatja meg az X-kromoszómát Y-kromoszómává, és ezért a történetben mégiscsak fellép a származási paradoxon.

143 „Nem küldhetünk vissza egy időutazót az Eden kertjébe..." Hawking, 84-85 143 „Például az akaratom lehet az, hogy a mennyezeten sétáljak." Hawking, 84-85 144 Ez kiküszöböli a Hawking által talált végtelen divergenciákat... Végső soron e rendkívül bonyolult matematikai kérdések megoldásához a fizika új típusát kellene megtalálni. Sok fizikus, mint például Stephen Hawking és Kip Thorne a szemi-klasszikus megközelítésnek nevezett eljárást használja: ez olyan, mint egy hibrid elmélet. Feltételezik, hogy a szubatomi részecskék a kvantumelméletnek engedelmeskednek, de a gravitáció sima és nemkvantumos (azaz nem használják a gravitonokat az elméleteikben). Mivel minden divergencia és anomália a gravitonoktól származik, a szemi-klasszikus megközelítésben ilyen végtelenek nem lépnek fel. Matematikailag megmutatható, hogy a szemi-klasszikus elmélet ellentmondásos - azaz végső soron rossz válaszokat ad, ezért az ilyen számolásokból adódó eredményekben nem lehet megbízni, különösen nem a legérdekesebb kutatási területeken, mint például a fekete lyukak centruma, az időgépekbe való belépések és az Ősrobbanás pillanata. Megjegyzendő, hogy a legtöbb olyan „bizonyíték", ami arra utal, hogy az időutazás lehetetlen vagy a fekete lyukba belépés nem lehetséges, éppen ilyen szemi-klasszikus megközelítésen alapul, és ezért nem tudjuk, ezek a negatív válaszok megbízhatók-e? Ezért kell elmennünk a gravitáció olyan kvantumelméletei felé, mint a húrelmélet és az Melmélet.

6. fejezet

148 Wheeler volt az is, aki megalkotta a fekete lyuk kifejezést. Bartusiak, 62

149 „A fizika nagy részének és a kémia egészének..." Colé, 68

152 „Egy ilyen elme számára semmi sem lenne bizonytalan." Colé, 68

152 „determinista vagyok..." Brian, 185

154 „Első bíró: Azt mondom, amit látok." Bernstein, 96

154 „Az őrültség az a képesség..." Weinberg2, 103

154 „Az egész filozófia nem olyan, mintha mézzel írták volna?" Pais2, 318

154 ,A fizikusok ugyancsak szeretik mesélni azt a kétes hitelességű történetet..." Barrow,

155 „Volt egyszer egy kor..." Barrow3, 143

155 „a józan ész nézőpontjából a természetet abszurdként írja le." Greenel, III

155 „Beismerem a kényelmetlen helyzetet..." Weinberg, 85

155 „A tudomány nem oldhatja meg a Természet végső titkát." Barrow3, 378

156 „Számomra csodálatos volt ott lenni a Bohr és E. közötti vitákon." Folsing, 589

156 „Bohr számára ez kemény csapás volt." Folsing, 591, Brian, 199

157 „Meg vagyok győződve róla, hogy ez az elmélet kétségkívül tartalmazza az igazság

elemeit." Folsing, 591

157 „természetesen manapság minden csirkefogó azt hiszi..." Kowalski, 156

158 „Az atomhasítással történő energiatermelés nagyon gyenge gondolat." New York Herald Tribun, 1933. szeptember 12.

159 „Mivel az elsöprő náci lendületet nem állították meg, csak az lenne logikus, ha Bohr a náciknak dolgozna." New York Times, 2002. február 7.

162 „Az átlagos kvantummechanikus nem filozofál többet..." Reesl, 244

162 „teljesen konzisztens módon a kvantummechanika törvényeit lehetetlen volt megalkotni. " Crease, 67

162 „Soha semmi sem válik valósággá" Barrow, 458

162 „Én, mint ember..." Discover Magaziné, 2002. június, 48

165 „Van egy univerzum, amelyben Elvis él." BBC, Párhuzamos univerzumok, 2002

165 „kísért minket az a tudat..." Wilczek, 128-29

165 akárhányszor egy teremtmény több cselekvési lehetőséggel került szembe..." Reesl, 246

167 „Ahol füst van, ott füst van." Bernstein, 131

167 „Megőrülök ettől a kérdéstől." Bernstein, 132

172 „akik olyan jól ismerik egymást..." National Geographic News,

www.nationalgeographic.com. 2003. január 29.

7. fejezet

177 „Egy új elvet találtam..." Nahin 147

178 „Akármennyi háromdimenziós..."Wells2, 20

180 „Jól szórakozhat, amint meghallja..." Pais2, 179

180 „Hiszem, hogy igazam van." Moore, 432

181 „Mi itt hátul meg vagyunk győződve arról..." Kaku2, 432

182 „A huszadik századbeli fizikusok..." Davies2, 102

185 „egy körülbelül három centiméter hosszú egyenletben..." A mi húrtérelméleti modellünk elviekben minden egyes húrelméletet összegez. De a mi elméletünk nem lehet a végleges, mert nem Lorentz-invariáns. A későbbiekben Witten volt az, akinek sikerült a nyitott bozonikus húrelméletet elegáns matematikai formába önteni, ami ezen felül még Lorentz-invariáns is volt. Még később az MIT-csoport, a Kyotóban lévő csoport és én a zárt bozonikus húrelméletet (ami sajnos nem polinomokból áll és ezért nagyon nehéz vele dolgozni) is kovariáns alakra hoztuk. Manapság az Melmélet felé tolódott el az érdeklődés, de az nem világos, hogy a membránok szép térelmélete megalkotható-e.

185 „Ehhez hasonlóan, Neveu, Schwarz és Rámond szuperhúrmodellje csak tíz dimenzióban létezhet." Tényleg nem egy oka van annak, hogy a húrelmélet és az Melmélet miért éppen csak a tíz és a tizenegy dimenziót tünteti ki. Először is, ha egyre magasabb dimenziókban nézzük a Lorentz-csoportok különféle reprezentációit, azt találjuk, hogy a fermionok száma a dimenziók számával exponenciális arányban nő, míg a bozonok száma csak lineárisan. Ezért aztán csak kisebb dimenziószámok esetén kapunk szuperszimmetrikus elméleteket, ahol a bozonok és a fermionok száma megegyezik. Ha a csoportelméletet gondosan megvizsgáljuk, akkor úgy találjuk, hogy tíz vagy tizenegy dimenzió esetén lesz a fermionok és a bozonok között pontos számbeli egyezés (feltéve, hogy egy részecske spinje legfeljebb kettő lehet, nem pedig három vagy több), így tisztán csoportelméleti alapokon igazolható, hogy a tíz vagy tizenegy dimenzió a kitüntetett.

Vannak más módszerek is, amelyekkel a tízes és tizenegyes számok „mágikussága" bizonyítható. Például megmutatható, hogy ezekben a dimenziókban nem lépnek fel „szellemrészecskék", amelyek más dimenziókban matematikailag ugyan létezhetnének, de a fizika szokásos törvényeinek nem engedelmeskednének.

Összegezve: meg lehet mutatni, hogy az ilyen „mágikus számú" dimenziókban a szuperszimmetria, a perturbációelmélet végessége, a perturbációs sorok unitaritása, Lorentz-invarianciája és az anomáliák eltűnése biztosított.

186 „Nos, John, hány dimenzióban élsz ma?" Személyes beszélgetés

187 „Ehhez hasonló divergenciákkal..." Amikor a fizikusok egy komplex elmélet egyenleteit próbálják megoldani, gyakran használják az úgynevezett „perturbációelméletet", ami azt jelenti, hogy először oldjunk meg egy hasonló, de kissé egyszerűbb elméletet, majd nézzük meg az ettől az elmélettől való kis eltéréseket, amelyek az eredeti elmélet felé vezetnek. Ezek a kis eltérések valójában ehhez az egyszerűbb, idealizált elmélethez végtelen sok apró korrekciót adnak, amelyek végső soron visszaadják az eredeti elméletet. Minden egyes ilyen kis korrekciót rendszerint egy Feynman-diagram tartozik, és ezen a grafikusan ábrázolható diagramon az összes lehetséges útvonal fel van tüntetve, amelyeken a részecskék átalakulhatnak egymásba.

Történetileg tekintve a dolgokat, a fizikusokat aggasztotta, hogy a perturbációs elméletben a tagok végtelen is lehet, ami az egész programot haszontalanná teszi. Feynman

és kollégái megmutatták, hogy különféle elmés trükkökkel és matematikai manipulációkkal ezeket a végteleneket a szőnyeg alá söpörhetik (ezért nyerte el 1965-ben a Nobel-díjat). A probléma a gravitáció kvantumelméletével viszont az, hogy ezeknek a kvantumkorrekcióknak nemcsak a száma végtelen - mindegyik korrekciós faktor a végtelennel

egyenlő még akkor is, ha Feynman és kollégái trükkjeit alkalmazzuk. Ezt úgy mondják, hogy a kvantumgravitáció nem „renormálható".

A húrelméletben a perturbációs sorfejtés véges - ez az az alapvető ok, ami miatt a húrelmélet tanulmányozása az első helyre került a kutatásokban. (A dolgok technikai részleteit tekintve, ennek nem létezik szigorú bizonyítása, de az ilyen diagramok végtelen sok osztályáról be lehet bizonyítani, hogy mégis végesnek kell lenniük, és többé-kevésbé szigorú matematikai érveléssel meg lehet mutatni, hogy az elmélet minden

rendjében véges marad.) Ezek a perturbációs sorfejtések azonban nem reprezentálhatják az általunk ismert Univerzumot, mert a perturbációs sorfejtés megőrzi a szuperszimmetriát, amit viszont nem láttunk a természetben. Az Univerzumban a szuperszimmetria letört (például kísérletileg sem látjuk a szuperrészecskéket). Ezért akarják a fizikusok a „nemperturbatív" húrelméleti leírást végre a kezükben tartani, de ezt megalkotni extrém módon nehéz. Például ha az elméletben a kölcsönhatások erősségét meg szeretnénk növelni, akkor az azt jelenti, hogy minden egyes perturbációs tag egyre nagyobb lesz és így persze a perturbációs elmélet értelmetlenné válik. Például az 1 + 2 + 3 + 4 + . . . összeg nem értelmezhető, mert végtelen lesz az eredmény: minden egyes további tag nagyobb és nagyobb. Az Melmélet előnye, hogy első ízben sikerült a dualitásokon keresztül nemperturbatív leírást adni. Ezáltal az egyik húrelmélet nemperturbatív határesete egy másik húrelmélettel lehet ekvivalens.

188 Fokozatosan felismerték, hogy... A húrelmélet és az Melmélet az általános relativitáselmélet

radikálisan új megközelítése. Míg Einstein az elméletet a görbült téridő-hipotézisből építette fel, a húrelmélet és az Melmélet egy objektum, a húr vagy a membrán koncepciója köré épül, ami a hipertérben mozog. Végső soron ez a két kép végül talán összekapcsolható, de jelenleg ez nem egy megértett és elfogadott dolog. 188 „A legnagyobb húrelméleti fejek azt mondják..." Discover Magazine, 1991. augusztus, 56 190 ,A zene a káoszból rendet teremt..." Barrow2, 305

190 „A zene a lélek aritmetikai gyakorlata;" Barrow2, 205

191 „Valaha a tudományt és a zenét egymással olyan mély kapcsolatban lévőnek találták..." Barrow2, 205

195 „Az a szuperhúr szimmetriáját..." Az 1960-as évek végén, amikor a fizikusok először álltak neki szimmetriákat keresni a természetben, a gravitációt ezekbe a kutatásokba nem foglalták bele. A szimmetriáknak két osztálya van. Az egyik a részecskefizikában jelentkezik, ahol a részecskék egymásba átalakulnak. A másik típus a teret időbe és viszont viszi át, és ezek a téridő-szimmetriák kapcsolódnak a gravitációhoz. A gravitációt viszont nem pontrészecskék kicserélődésének szimmetriáival írjuk le, hanem a négy dimenzió elforgatással szembeni szimmetriáival: ezek az ún. Lorentz-csoportok (O(3,1)) .

Sidney Coleman és Jeffrey Mandula egy híres tételükben bebizonyították, hogy nem lehet a téridő-szimmetriákat a részecskéket leíró szimmetriákkal összeházasítani. Ez aztán hideg zuhanyként hatott mindazokra, akik az Univerzum „mesterszimmetriáit" keresték. Például bárki, aki a GUT-ban előforduló SU(5) szimmetriát akarta volna az általános relativitáselmélet 0(3,1) szimmetriájával összeházasítani, katasztrófához jutott volna. A részecskék tömege folytonossá vált volna, noha tudjuk, hogy azok diszkrétek. Ez csalódást okozott, mivel naivan sokan azt gondolták, hogy a gravitációt a magasabb szimmetriák és dimenziók használatával egyszerűen beillesztik a többi erő közé. Úgy tűnt, hogy egy egyesített térelméletet valószínűleg lehetetlen megalkotni.

A húrelmélet azonban az összes ilyen kellemetlen matematikai problémát egy csapásra megoldja, mivel a részecskefizikában előforduló összes szimmetriák közül a legerőteljesebb szimmetriával bír: a szuperszimmetriával. Jelenlegi ismereteink szerint

csak a szuperszimmetria az, ami elkerüli, hogy szembenézzen a Coleman-Mandula-tétel kihívásaival. (A szuperszimmetria egy aprónyi, de kulcsfontosságú kibúvót szolgáltat e tétellel szemben. Ismert módon, ha van két valós számunk, mondjuk a és b, akkor szorzásnál azt találjuk, hogy a x b = b x a, vagyis a tagok felcserélhetők. Ezt a Coleman-Mandula-tétel fel is használta. De a szuperszimmetriában a x b = -b x a. így a szuperszámok speciális tulajdonságúak. Például ha a x a = 0, akkor a akár nemnulla elem is lehet, ami a valós számok körében abszurditásnak hangzik. Ha a Coleman-Mandula-tételbe a szuperszámokat helyettesítjük, a tétel érvényét veszti.) 197 „A szuperszimmetria egy sor olyan technikai problémát is megold,..." Először is megoldja a hierarchiaproblémát, ami a GUTelméletben fellép. Amikor egy egyesített térelméletet megalkotunk, akkor két, igencsak különböző méretskálán dolgozunk. Néhány

részecske, mint például a proton, a mindennapokban is megtalálható tömegértékeket vesz fel. Más részecskék azonban hihetetlen nagy tömegűek és nagy energiájúak, olyan nagyok, amelyek csak az Ősrobbanást követő pillanatokban fordultak elő. Ez a két tömegskála elkülönül egymástól. Ám amikor a kvantumelméletben dolgozunk ezekkel a részecskékkel, problémák lépnek fel. A kvantumfluktuációk miatt ez a két tömegskála elkeveredik egymással, és véges valószínűsége van annak, hogy a könnyű

részecskék nehezekké transzformálódnak és fordítva. Emiatt azt várjuk, hogy részecskék folytonosan léteznek azokban a tömegtartományokban, amelyek ezeket a mindennapi részecskéket elválasztják ezektől a nagyon nagy tömegűektől. De nem találjuk ezeket a részecskéket a természetben. Ekkor jön a képbe a szuperszimmetria. Megmutatható, hogy ezek az energiatartományok a szuperszimmetria-elméletben nem keverednek egymással. Van egy nagyon szép semlegesítő mechanizmus, ami miatt ez a két energiatartomány soha nem lép kölcsönhatásba egymással. A fermiontagokat a bozontagok kiejtik, és így az eredmények végesek maradnak. Legjobb tudomásunk szerint a szuperszimmetria adja az egyetlen megoldást a hierarchiaproblémára, és megoldja az 1960-as években talált Coleman-Mandula-tétel keltette problémákat is. 208 „A maga módján a matematika logikus gondolatokból álló költemény." Colé, 174 208 „[Az Univerzum] nem olvasható el mindaddig..." Wilzcek, 138

208 „Az eltérés nem kicsi:..." www.edge.org. 2003. február 10.

210 „Nagy izgalom..." www.edge.org. 2003. február 10.

213 „esetleg az Univerzum tágulásának a felgyorsulása egy ilyen ütközés előjele." Seife, 197

214 „A tökéletességből indult el..." Astronomy Magazine, 2002. május, 34 214 „Sík + sík egyenlő síkkal." Astronomy Magazine, 2002. május, 34

214 „Nem gondolom, hogy Paul és Neil közelebb kerültek volna az elgondolásuk bebizonyításához..."

Discover Magazine, 2004. február, 41

214 „Sokáig úgy gondoltam, elkerülhetetlen..." Astronomy Magazine, 2002. május, 39 215 „Úgy gondolom, butaság ekörül nagy felhajtást csapni..." Discover Magazine, 2004. február, 41

218 „A legtöbb fizikus hinni akar abban..." Greenel, 343

221 „Maldacena megmutatta, hogy ezen ötdimenziós univerzum és a saját „határa" között dualitás van."

223 „A térelmélet a végtelenjeivel nem lehet a végső elmélet." Scientific American, 2003. augusztus, 65

224 „a végső elméletnek..." Ibid

227 „A fizikusok ma olyan helyzetben vannak..." Greenel, 376

8. fejezet

230 „A Hold nélkül nem lenne se holdfény..." Brownlee és Ward, 222

232 „Végtelen számú és méretű világ létezik." Barrowl, 37

232 „A csillagot és nagyméretű bolygóját mint egymás körül forgó táncpartnereket lehet elképzelni." www.sciencedailv.com. 2003. július 4.

233 „Ebben a Jupiternél kétszer nagyobb méretű bolygóban..." www.sciencedailv.com.

2003. július 4.

233 „Azon dolgozunk, hogy a 150 fényéven belüli..." www.sciencedailv.com.

2003. július 4.

235 „A fizikus Don Page az eltelt évek alatt..." Don Page, The Importance of the Anthropic Principle Pennsilvaniai Egyetem, 1987

235 „a fizikai világ tudományos megértése olyan tökéletes rendet mutat..." Margenau, 52

235 „Nemcsak »valami régi világ«..." Rees2, 166

236 „Az emberek számára szinte ellenállhatatlan, hogy higgyenek abban..." New York Times, 2002. október 29., 4

236 „Nehezen hihető, hogy bárki is használná az antropikus elvet." Lightman, 479

237 „A látszólagos finomhangolás, amelytől a mi létezésünk függ, véletlen egybeesés lehet" Reesl, 3

237 „Rees utal arra, hogy már Fred Hoyle észrevette..." Rees2, 56

238 „Egy másodperccel az Ősrobbanás után..." Rees2, 99

238 „hatalmas anyagcsomók óriási fekete lyukakká kondenzálódnának" Discover Magazine, 2000. november, 68

240 „Ha létezik egy óriási ruhalerakat, akkor..." Discover Magazine, 2000. november, 66

9. fejezet

242 „A más univerzumok megrészegítenek..." Croswell, 128

243 „Az a lehetőség, hogy az autók belsejében elhelyezett, számítógépen tárolt térkép alapján mérföldeket utazhatunk..." Bartusiak, 55

243 „Minden alkalommal, amikor egy új módszerrel vizsgáljuk az égboltot..." Newsday,

2002. szeptember 17., 46

243 „E hihetetlen pontosság biztosításához..." Ez a hullámhossz-eltolódás két forrásból táplálkozik.

Mivel a Föld körül ezek a műholdak mintegy 18 ezer mérföld/óra sebességgel száguldoznak, a speciális relativitáselméleti effektusok már mérhető nagyságúak lesznek, mivel az idő a műholdon kissé lelassul, azaz a műhold órái lassabban járnak, mint a földi órák. De mert a műhold a világűrben gyengébb gravitációs erőt érez, mint mi itt a Földön, az általános relativitáselmélet szerint az idő a műholdon gyorsabban telik, mint nekünk itt a Földön. így - a műhold Földtől mért távolságának

függvényében - a műhold órája egyfelől lassabban jár (a speciális relativitáselmélet miatt), másfelől meg gyorsabban (az általános relativitáselmélet miatt). A Földtől mért, egy bizonyos távolságban a két hatás semlegesíti egymást, és a műholdon lévő órák pont abban a ritmusban mutatják az időt, mint a Földön levők.

244 Munkájukért 1993-ban elnyerték a Nobel-díjat. Newsday, 2002. szeptember 17., 47

245 „Ha a Föld ilyen sima lenne..." Bartusiak, 152

246 „A legtöbb rendszerellenőrző mérnök letorkoll minkéi..." Bartusiak, 158-59

246 „Olyan, mint egy morajlás" Bartusiak, 154

246 „Mindegyik érzékeny optikai berendezésnek megvan a maga szeizmikus izolációs rendszere;..." Bartusiak, 158

246 „Minden egybevetve, a LIGO 292 millió dollárba kerül..." Bartusiak, 150

247 „Eljuthatunk a tízévenkénti egyetlen esemény észlelésétől addig..." Bartusiak, 149

247 „Az embernek öröme telük abban, hogy ezeket a technikai kihívásokat megoldja." Bartusiak, 170

247 „A LIGO II-vel sokkal nagyobb az esély arra..." Bartusiak, 171

248 „Ha minden a tervek szerint..." A WMAP műhold által mért kozmikus háttérsugárzás az Ősrobbanás utáni 379 000. évből származik, mivel ekkor történt, hogy a kezdeti robbanás után az atomok kialakultak. De a gravitációs hullámok - amelyeket a LISA esetleg észlelni lesz képes - ahhoz az eseményhez kapcsolódnak, amikor a gravitáció levált a többi erőről, ami viszont az Ősrobbanás pillanatához nagyonnagyon közel történt. Ezért reméli azt néhány fizikus, hogy a LISA képes lesz igazolni vagy megcáfolni a manapság javasolt új elméletek közül többet (beleértve a húrelméletet is).

248 „A Nap newtoni vonzástere ennek az elhajlásnak a felét produkálja..." Scientific American, 2001. november, 66

249 „nincs sok remény e jelenség közvetlen észlelésére." Petters, 7

249 „Negyven évvel később - 1979-ben - a lencsehatás első fontos bizonyítékát..." Scientific American, 2001. november, 68

249 „Mára az Einstein-gyűrűk az asztrofizikusok fegyvertárának lényeges eszközévé váltak." Scientific American, 2001. november, 68

250 Azóta galaxisívek százait fedezték fel... Scientific American, 2001. november, 70

251 Ezzel a módszerrel a kozmológiai állandó első durva becslését a Harvard Smithonian Center for Astrophysics csillagászai 1998-ban tették közzé... Scientific American, 2001. november, 69

251 A fizikusok úgy becsülik, hogy világunk minden másodpercében négyzetméterenként a sötét anyag milliárdnyi részecskéje repül át... Scientific American, 2003. március, 54

252 Eddig az ilyen jellegű kísérletekkel nem tapasztaltak még egyetlen ilyen eseményt sem... Scientific American, 2003. március, 55

252 „Ha a detektorok regisztrálnak és megerősítenek egy jelet..." Scientific American,

2003. március, 59

259 „Eddig Newton állja a sarat" www.space.com. 2003. február 27.

260 „A fizikusok biztosak abban, hogy a természetnek vannak még olyan titkai..." Scientific American, 2000. július, 71

261 A Higgs-bozont illető becslések szerint tömege valahol 115 és 200 milliárd elektronvolt között van... Scientific American, 2003. június, 75

263 a Szovjetunió szétesése... Az SSC-ról szóló meghallgatások végnapjaiban egy kongresszusi tag megkérdezte, hogy mit találunk majd ezzel a berendezéssel? Sajnálatos

módon a válasz a Higgsbozon volt. Mindenki hallhatta, hogy micsoda pofára esés volt ez: 11 milliárd dollár mindössze egyetlen részecskéért? Az utolsó kérdések egyikét az illinoisi Harris W. Fawell republikánus képviselő tette fel: „Lehetővé teszi nekünk ez a masina, hogy megtaláljuk Istent?" A Pennsylvaniából érkezett másik republikánus képviselő, Don Ritter ehhez hozzátette: „Ha ez a masina ezt megcsinálja, akkor átgondolom a kérdést és támogatásomat adom." Sajnos a fizikusoknak nem volt meggyőző, hathatós válaszuk.

Ennek és más PR-hibáknak köszönhetően az SSC-t levették a napirendről. Az Egyesült Államok Kongresszusa milliárd dollárt költött arra, hogy a gyorsító alapjait kiássák. Ezt követően azonban a Kongresszus elvetette a tervet, és másodszor is adott egymilliárd dollárt, ezúttal arra, hogy betemessék a lyukat. A Kongresszus, a maga bölcsességével, kétmilliárd dollárt költött el arra, hogy kiássanak, majd betömjenek egy jó nagy lyukat, ami így a történelem legdrágább lyukjává lett.

(Személy szerint azt gondolom, hogy azoknak a szegény, szerencsétlen fizikusoknak, akiknek erre az Istent érintő kérdésre választ kellett adniuk, azt kellett volna mondaniuk: „Tisztelt Uram, akár megtaláljuk Istent, akár nem, a mi gépezetünk annyira közel hozza Istent, amennyire az emberileg csak lehetséges, akármilyen néven is nevezze a Kongresszus. Az Ő legnagyszerűbb alkotásának, magának az Univerzumnak a titkait leplezheti le a gyorsító.")

265 „Noha kissé hóbortosnak hangzik, ez az én kedvencem a húrelmélet bizonyítékaként." Greenel, 224

265 Brian Greene öt olyan, kísérleti adatokon nyugvó példát sorol fel... Greenel, 225

266 „meg vagyok győződve arról..." Kaku3, 699

10. fejezet

271 A termodinamika első főtétele azt mondja, hogy... Valójában ez a törvény azt is jelenti, hogy örökmozgók - amelyek a semmiből örökké nyernének energiát - nem létezhetnek a fizika ismert törvényei szerint.

271 „A szabály, miszerint az entrópia mindig nő..." Barrowl, 658

272 „Az Univerzum összeomlása: eszkatológiai tanulmány." Reesl, 194

273 „Sajnálatos módon arra a következtetésre kellett jutnom... " Rees, 198 276 A Santa Cruzban lévő University of Californian elvégzett számítógépes szimulációk azt mutatták... www.sciencedailv.com. 2003. május 28., Scientific American, 2003. augusztus, 84

277 „Amennyiben az emberek gyorsabban válnak okosabbá, mint ahogy a Nap fényesedik..." Croswell, 231

277 „A Nap vörös óriássá való felfúvódását megelőző néhány milliárd évben utódainknak egy..." Croswell, 232

277 Mivel ez a törpecsillag már csak 0,55 naptömegű lesz... Astronomy Magaziné, 2001. november, 40

277 „A Természetanyát nem arra tervezték..." www.abcnews.com. 2003. január 24. 278 Egy proton méretű mini fekete lyuk... Reesl, 181

279 „És végül 10"7 év múlva..." Discover Magazine, 1987. július, 90

281 „Milliárd évekkel ezelőtt az Univerzum túl forró volt az élet számára." Scientific American, 1999. november, 60-63

282 „Az örökkévalóság inkább börtön..." Scientific American, 1999. november, 60-63

11. fejezet

286 „A féreglyukak, extra dimenziók és kvantumszámítógépek..." Rees, 182

288 Az I. típusú civilizáció teljes népessége... Ez ugyancsak érvényes egy I. típusú kultúrára.

Nagyon sok harmadik világbeli országban az elit kétnyelvű: beszéli a helyi nyelvet és az angolt is, és ez utóbbi által a nyugati kultúrát is folyamatosan közvetíti azokba az országokba. Egy I. típusú civilizáció ezért nemcsak kétnyelvű, de kétkultúrájú is, így a planetáris kultúra keresztülöleli az egész bolygót, együtt él a helyi szokásokkal és a helyi kultúrával. A planetáris kultúra létezése nem jelenti tehát szükségszerűen azt, hogy megsemmisítené a helyi kultúrákat.

293 Jun Jugaku (Japán Civilizációs Kutatóintézet) és kollégái a Nap körüli 80 fényév távolságig átvizsgálták az égboltot... Scientific American, 2000. július, 40

294 „feltételezve, hogy a kolóniák átlagosan 10 fényévre vannak egymástól..." Scientific American, 2000. július, 41.

294 Ez persze nem zárja ki, hogy léteznek civilizációk éppen csak előttünk járó technológiával...

Scientific American, 2000. július, 40

295 Az ilyen Carroll-univerzumokra való széthullás megelőzése érdekében... Dyson, 163

295 Amikor emlékeztettem őt arra, hogy csak bolygók, csillagok és galaxisok vannak... Valóban elképzelhető, hogy léteznek civilizációk a III . típusún is túl, amelyek az Univerzum teljes anyagés energiatartalmának 73%-át kitevő sötét energiát hasznosítják. A Star Trek tévésorozatban egy ilyen civilizáció Q fokozatú lenne, mivel Q energiája túlnő a Galaxison.

299 „Nagyon is hihető, hogy bár mostanság az élet még csak a Földön létezik, végül majd elterjed az egész Galaxisban..." Lightman, 169

299 „Ha kinyiffantjuk magunkat, akkor óriási kozmikus lehetőségeket puskázunk el." Lightman, 169

305 „Jelenti-e ez azt, hogy a fizika törvényei valóban engedélyezik számunkra, hogy saját akaratunkból egy új univerzumot teremtsünk?" Guth, 255

313 „Egy jövőbeni szupercivilizáció a csillagok közötti utazásokhoz..." Gott, 126

316 „Úgy látszik... a kvantummechanika megengedi mikroszkopikusan az időutazást." Hawking, 104

316 Az agyban előforduló összes eddigi kapcsolatot egy megfelelő tranzisztorral helyettesít...

Elviekben ez a csere egy tudatos emberben is végrehajtható lenne. Ha a neuronokban tárolt biteket az agyból eltávolítanák, majd áttöltenék egy tranzisztorhálózatba, akkor ezt a hálózatot máris bele lehetne helyezni egy robot koponyájába. Mivel a tranzisztorok ugyanazokat a funkciókat látják el, mint az ágybéli neuronok, az áttöltés alatt a tudat mindvégig megmaradna. Miután az operáció véget ér, az ember önmagát egy műanyagból és fémből álló robotban találná.

12. fejezet

319 „Az emberiség számára minden kérdések kérdése..." Kaku2, 334

319 „Azt akarom tudni, hogyan teremtette Isten a világot." Calaprice, 202

320 „A tudomány a teológia nélkül sánta. De a vallás tudomány nélkül vak." Calaprice, 213

320 „ennek az óriási és csodálatos Univerzum megértésének nagyon nehéz, vagy inkább lehetetlen" Kowalski, 97

320 „A teológiám egyszerűen csak egy zűrzavar." Ibid

320 „így Isten kiválósága növekszik..." Croswell, 7

322 „E végtelen térségek örök hallgatása rettegéssel tölt el." Smooth, 24

323 Egy ember azt mondta az Univerzumnak... Barrow, 106

323 „Ha az Ősrobbanás után egy másodperccel a tágulás üteme..." Kowalski, 49

324 Egyszer egy ember így szólt: „Isten... Polkinghorne, 66

325 „Ötven évvel ezelőtt az Univerzumot egy nagy gépnek tekintették..." Kowalski, 196

325 „Nemcsak mi fogadjuk be az Univerzumot." Kowalski, 50

325 „Egy fizikusok nélküli Univerzumban atomnak lenni igencsak hátul kullogó dolog lenne." Kowalski, 71

325 „Azt lehet mondani, hogy az Univerzum azért létezik..." Kowalski, 71

327 Végül elhatározta, hogy szorosan követi Hármon tetteit. Chown, 30

328 „Minél inkább megérthetőbbnek tűnik az Univerzum..." Weinberg, 144

328 „Vallással vagy anélkül, a jó emberek képesek jól viselkedni, a rossz emberek ördögként cselekszenek:..." Weinberg3, 231

328 „A filozófiai dolgokban évek óta egy jókedvű nyárspolgár vagyok." Weinberg2, 43

328 „a tragédia nem a szövegkönyvben van; a tragédia az, hogy nincs szövegkönyv." Weinberg2, 43

329 „A vak fizikai erők birodalmában..." Kowalski, 60

329 „Nem hiszem, hogy a Földet az embereknek teremtették." Lightman, 340

329 „Az életről alkotott saját nézetem annyi, hogy mindenki éli a saját rövid életét." Lightman, 377

330 „Nos igen, én azt mondanám, hogy határozottan van egy cél." Lightman, 409

330 „Bizonyos értelemben, a fizikai törvények az Isten által használt nyelv nyelvtanával hozhatók párhuzamba." Lightman, 409

330 „Az az érzésem, hogy a vallásban nagyon komoly dolgok vannak..." Lightman, 248

330 A teológus Paul Tillich egyszer azt mondta, hogy a fizikusok az egyedüli olyan tudósok, akik... Weinberg, 242

331 „...Spinoza Istenében, aki saját maga létezését csodálatos harmóniában tárja fel..." Weinberg, 245

331 „Nem Indok elképzelni olyan Istent, aki teremtésének tárgyait jutalmazza és bünteti..." Kowalski, 24

331 „Úgy gyanítjuk, hogy sok, talán a legtöbb mai modern tudós az Első Körben fogja megtalálni végzetét." Wilczek, 100

331 Twain egy ízben... Kowalski, 168

331 „Miért esik le az alma?" Kowalski, 148

332 „Valóban egyszerű feltenni ezeket a kérdéseket..." Croswell, 127

Table of Contents

Hawking, 104

Weinberg2, 43

Lightman, 377