Stephen W. Hawking

A MINDENSÉG ELMÉLETE

A világegyetem eredete és sorsa

KOSSUTH KIADÓ

BUDAPEST

A KIADÁS ALAPJA

STEPHEN W. HAWKING: THE THEORY OF EVERYTHING.

THE ORIGIN AND FATE OF THE UNIVERSE. BEVERLY HILLS,

NEW MILLENNIUM PRESS 2003.

FORDÍTOTTA

BAKÓ DOROTTYA ÉS PAPP GÁBOR

AZ ELSŐ KIADÁS

VÁLTOZATLAN UTÁNNYOMÁSA

MINDEN JOG FENNTARTVA

ISBN 978-963-09-4601-8

© NEW MILLENNIUM PRESS 2002

FIRST PUBLISHED UNDER THE TITLE

THE CAMBRIDGE LECTURES: LIFE WORKS

© DOVE AUDIO, INC. 1996

© KOSSUTH KIADÓ 2005

© HUNGARIAN TRANSLATION BAKÓ DOROTTYA,

PAPP GÁBOR 2005

FELELŐS KIADÓ KOCSIS ANDRÁS SÁNDOR

A KOSSUTH KIADÓ ZRT. ELNÖK-VEZÉRIGAZGATÓJA

A KIADÓ AZ 1795-BEN ALAPÍTOTT MAGYAR KÖNYVKIADÓK

ÉS KÖNYVTERJESZTŐK EGYESÜLÉSÉNEK A TAGJA

A KÖTETET HITSEKER MÁRIA SZERKESZTETTE

MŰSZAKI VEZETŐ BADICS ILONA

WWW.KOSSUTH.HU / E-MAIL: KIADO@KOSSUTH.HU

NYOMTA ÉS KÖTÖTTE A SZEKSZÁRDI NYOMDA KFT.

FELELŐS VEZETŐ VADÁSZ JÓZSEF IGAZGATÓ

TARTALOM

Bevezetés 7

Első előadás. Gondolatok a világegyetemről 11

A világegyetem kezdete 19

Második előadás. A táguló világegyetem 23

A Fridman-modell 30

A Nagy Bumm 38

Harmadik előadás. A fekete lyukak 45

Negyedik előadás. A fekete lyukak nem is

olyan feketék 67

A termodinamika második főtétele 71

A fekete lyuk sugárzása 74

A fekete lyuk robbanása 78

Az ősi fekete lyukak keresése 80

Az általános relativitáselmélet és a kvantummechanika 84

Ötödik előadás. A világegyetem eredete és sorsa 87

A forró Nagy Bumm-modell 89

Nyitott kérdések 94

Az inflációs modell 96

Az infláció vége 100

Kvantumgravitáció 103

Határtalan feltétel 106

Hatodik előadás. Az idő iránya 113

C, P, T 115

Az idő nyilai 116

A világegyetem határfeltétele 120

Megfordulhat-e az idő iránya? 124

Hetedik előadás. A Mindenség elmélete 127

Név-és tárgymutató 145

BEVEZETÉS

E

bben az előadássorozatban az kísérlem meg felvázolni, hogy mit gondolunk a világegyetem történetéről a Nagy Bummtól a fekete lyukakig. Az első előadásban felelevenítem a világegyetemről alkotott eddigi képeket, valamint azt, hogy miként jutottunk el a mai elképzelésekig. Talán a világegyetem történetének is nevezhetnénk ezt a részt. A második előadásban arra világítok rá, hogyan vezet a tömegvonzás akár newtoni, akár einsteini elmélete arra a következtetésre, hogy a világegyetem nem lehet statikus. Ebből viszont az következik, hogy olyan tíz-húszmilliárd éve[1] a világegyetem sűrűsége végtelen nagy volt. Ezt hívjuk Nagy Bummnak (Big Bang), és ez lehetett a világegyetem születése.

A harmadik előadásban a fekete lyukakról beszélek. Ezek az objektumok akkor keletkeznek, amikor egy hatalmas csillag – vagy egy még nagyobb égitest – összeroppan saját gravitációs vonzása következtében. Einstein általános relativitáselmélete szerint aki olyan bolond, hogy beleesik egy fekete lyukba, az mindörökre elveszett, mert sohasem lesz képes kijutni belőle. Számára a történelem véget ér. Az általános relativitáselmélet azonban klasszikus elmélet – azaz nem veszi figyelembe a kvantummechanikai határozatlansági elvet.

A negyedik előadásban azt vázolom fel, hogyan képes a kvantummechanika kiszöktetni az energiát a fekete lyukból. A fekete lyukak nem is olyan sötétek, mint ahogyan leírják őket.

Az ötödik előadásban bemutatom a kvantummechanikai elvek alkalmazását a Nagy Bummra és a világegyetem keletkezésére. A következmény az lesz, hogy a téridő úgy lehet véges kiterjedésű, hogy közben nincsen határa, hasonlatosan ahhoz, ahogy a Föld felszínének sincsen határa – pusztán kettővel több dimenzióban.

A hatodik előadásban azt próbálom megmutatni: annak ellenére, hogy noha a fizika törvényei szimmetrikusak az idő irányára nézve, az előbbi határfeltétel következtében miért különbözik a múlt annyira a jövőtől.

Végül a hetedik előadásban arról szólok, hogyan próbáljuk megtalálni azt az egyesített elméletet, mely tartalmazza a kvantummechanikát, a gravitációt és a fizika minden más kölcsönhatását. Ha ez a próbálkozás sikerrel jár, akkor valóban megértjük a világegyetemet és benne a helyünket.

Első előadás

GONDOLATOK A VILÁGEGYETEMRŐL

A

risztotelész De Caelo (Az égbolt) című könyvében már időszámításunk előtt 340-ben felsorolt két érvet is annak alátámasztására, hogy a Föld nem egy lapos síkhoz, hanem inkább egy kerek labdához hasonlít. Először is észrevette: a holdfogyatkozásokat az okozza, hogy a Föld a Nap és a Hold közé kerül. A Föld árnyéka a Holdon mindig kerek volt, ami arra utalt, hogy a Föld gömb alakú. Ha a Föld lapos korong lenne, az árnyéka elnyújtott ellipszis alakot formázna, hacsak a fogyatkozás nem mindig akkor következik be, amikor a Nap pontosan a Föld síkja fölött helyezkedik el.

Másodszor, a régi görögök utazásaik során már megtapasztalták, hogy a Sarkcsillag délebbről nézve mindig alacsonyabban látszik az égbolton, mint északabbról. A Sarkcsillag Egyiptomban, illetve Görögországban látott szögének különbségéből a görögök megbecsülték a Föld kerületét, és Arisztotelész fenti művében meg is adja az így kapott négyszázezer stadionnyi méretet. Pontosan nem tudjuk mekkora volt egy stadion, de körülbelül kettőszáz méterre tehetjük, amivel ez az érték a ma elfogadott kerület kétszeresét adja.

A görögöknek ezenkívül volt még egy érvük arra, hogy miért gömb alakú a Föld: a látóhatáron először a hajók árboca tűnik fel, a hajók teste pedig csak később. Arisztotelész azt gondolta, hogy a Föld mozdulatlan – a Nap, a Hold, a bolygók és a csillagok körpályán keringenek körülötte –, mivel mitikus okokból a Földet tartotta a világegyetem középpontjának, a körpályát pedig a legtökéletesebb mértani alakzatnak.

Ezt az ötletet munkálta ki Ptolemaiosz egy teljes kozmológiai modellé az első évszázadban. A középpontban a Föld áll, melyet nyolc szféra vesz körül a Holddal, a Nappal, a csillagokkal és az öt akkor ismert bolygóval: a Merkúrral, a Vénusszal, a Marssal, a Jupiterrel és a Szaturnusszal. Maguk a bolygók a szféráik körüli kisebb körökön mozognak – így a modell szemléltetni tudta a valóságban megfigyelt, bonyolult mozgásokat. A legkülső szféra tartalmazta az úgynevezett állócsillagokat, melyek egymáshoz képest nem mozdulnak el, csak az egész égbolttal együtt forognak a Föld körül. Hogy mi van ezen a szférán túl, az sohasem derült ki, de azt nyilvánvalóan nem tekintették a megfigyelhető világegyetem részének.

Ptolemaiosz modellje elegendően pontos volt az égitestek helyzetének meghatározásához. Ám a Hold esetében például ennek a pontosságnak az volt az ára, hogy a Holdat olyan pályán kellett elhelyezni, melyen az időnként fele olyan messze volt a Földtől, mint máskor. Ennek következtében a modellben ilyenkor a Hold kétszer olyan nagynak látszik, mint amikor a legtávolabb van a Földtől – ami persze a valóságban nem igaz. Ptolemaiosz tisztában volt ezzel a hibával, ennek ellenére modelljét általánosan (ha nem is mindenütt) elfogadták. A keresztény egyház is magáévá tette, mint a világegyetem olyan modelljét, mely összhangban van az Írásokkal. A modell nagy előnyének tartották, hogy az állócsillagok szféráján túl bőségesen volt hely a menny és a pokol elhelyezésére.

1514-ben azonban Nikolausz Kopernikusz lengyel szerzetes előállt egy egyszerűbb elképzeléssel. Az eretnekség vádjától való félelmében a modelljét – melyben a Nap van a középpontban és a Föld meg a bolygók keringenek körülötte – névtelenül publikálta. De egy évszázadba is beletelt, mire elképzelését komolyan vették, és két csillagász – a német Johannes Kepler és az olasz Galileo Galilei – elkezdte nyíltan támogatni. Tették ezt annak ellenére, hogy az égitesteknek a modell alapján számolt pályája nem teljesen egyezett a megfigyelt értékekkel. Az Arisztotelész-Ptolemaiosz-féle elmélet alkonyát 1609-re tehetjük, amikor Galilei az akkoriban feltalált távcsővel megkezdte az éjszakai égbolt megfigyelését.

Amikor Galilei a Jupiter felé fordította távcsövét, megfigyelte, hogy azt számos kis kísérő hold veszi körül. Ez azt jelentette, hogy Arisztotelész, illetve Ptolemaiosz elképzeléseivel szemben nem minden égitest kering kizárólag a Föld körül. Természetesen ezeket a holdakat is be lehetett illeszteni a ptolemaioszi világképbe, csak a modell nagyon bonyolulttá vált. Ezzel szemben a kopernikuszi elmélet jóval egyszerűbb leírást adott.

Kepler pedig módosította a kopernikuszi elméletet, amikor megfigyelései alapján azt állította, hogy a bolygók nem kör, hanem ellipszis alakú pályán mozognak. Ez az elmélet már végre jól adta meg a bolygók várható pozícióját. Ami Keplert illeti, az elliptikus pálya számára pusztán csak egy nem túl rokonszenves feltevés volt, mivel az ellipszis nem olyan tökéletes, mint a kör. Miután csaknem véletlenül rájött, hogy az ellipszispálya jól egyezik a megfigyelésekkel, ezt a felfedezést nem tudta összeegyeztetni azzal az elképzelésével, hogy a bolygókat a mágneses erő tartja a Nap körül.

A magyarázatra egész 1687-ig kellett várni, amikor Newton közétette Principia Mathematica Naturalis Causae című művét. Valószínűleg ez volt a legjelentősebb munka, amit valaha a fizikában közzétettek. Newton nemcsak megadta a testek térbeli és időbeli mozgásának elméletét, hanem kifejlesztette a mozgásuk vizsgálatához szükséges matematikai formalizmust is, és megfogalmazta a tömegvonzás univerzalitásának elvét. Ez kimondta, hogy a világegyetemben minden test minden más test felé vonzódik, mégpedig olyan erővel, mely nagyobb tömeg és kisebb távolság esetén növekszik. Ez ugyanaz az erő, melynek következtében a testek a Földön leesnek. Az a közismert történet, hogy Newtonnak fejére esett egy alma, és ettől világosodott meg, majdnem biztosan nem igaz. Maga Newton erről azt mondta, hogy a tömegvonzás ötlete akkor jutott az eszébe, amikor elmélkedése közben észrevette, hogy egy alma leesik a fáról.

Newton azt is kimutatta, hogy az elmélete szerinti erő hatására a Hold ellipszis alakú pályán mozog a Föld körül, és hasonlóképpen mozognak a bolygók a Nap körül. A kopernikuszi modell megszabadult a ptolemaioszi égi szféráktól, és ezzel együtt attól az elképzeléstől is, hogy a világegyetemnek határa van. Az állócsillagok láthatóan nem mozdultak el, amíg a Föld megfordult a Nap körül. Ebből arra következtettek, hogy az állócsillagok a Naphoz hasonló égitestek, csak nagyon messze vannak. Ez mindjárt felvetett egy problémát, amit Newton azonnal észrevett: a gravitáció elméletéből az következik, hogy az összes csillag vonzza egymást, azaz egyikük sem maradhat mozdulatlan. Vajon nem fognak a csillagok valamikor egyszer csak egy pontba összeroskadni?

1691-ben Richard Bentleyhez, a kor másik nagy gondolkodójához írt levelében Newton megjegyzi, hogy a fenti gondolatmenet akkor igaz, ha véges sok csillag van. Amennyiben végtelen sok csillag lenne egyenletesen szétszórva a világegyetemben, az összeroskadás nem következik be, mivel nincsen kitüntetett középpont. Ez az érvelés is mutatja, hogy milyen veszélyekkel jár, ha egyszer csak végtelenekről beszélünk.

Egy végtelen világegyetemben minden pontot középpontnak tekinthetünk, mivel minden pont végtelen számú csillagot lát minden irányban. Az előbbi, félrevezető érvelés helyett – mint azt jóval később felismerték – másikat kell alkalmaznunk: képzeljünk el egy véges rendszert, ahol a csillagok egymás felé esnek. Ezek után megnézzük, hogyan változik a helyzet, ha a vizsgált rendszer külsejéhez egyenletesen hozzáadunk újabb csillagokat. Newton törvényének megfelelően az új csillagoknak nem lesz hatásuk a meglevőkre[2], azaz azok ugyanúgy egymás felé hullanak, mint a véges rendszerben. Akárhány csillagot hozzáadhatunk kívülről, az összeroskadást ez nem befolyásolja. Ma már tudjuk, hogy nem lehetséges végtelen, statikus világegyetem-modellt alkotni, amelyben a gravitáció mindig vonzó.

Érdemes azon is elgondolkodni, hogy egészen a huszadik századig sohasem fogalmazódtak meg olyan gondolatok, amelyek szerint a világegyetem tágul vagy összehúzódik. Általánosan elfogadott nézet volt, hogy a világegyetem vagy öröktől fogva létezik változatlanul, vagy a múltban véges idő alatt keletkezett nagyjából olyan formában, amilyenben most látjuk. Ennek valószínűleg részben az a magyarázata, hogy az emberek szeretnek hinni az örök igazságokban, részben ragaszkodnak ahhoz a megnyugtató tudathoz, hogy bár mi megöregedünk és meghalunk, a világegyetem nem változik.

Még azok sem gondoltak arra, hogy a világegyetem esetleg tágul, akik felismerték, hogy Newton gravitációs elmélete alapján az nem lehet statikus. Ehelyett az elméletet próbálták módosítani úgy, hogy a gravitációs erőket nagy távolságokon taszítónak gondolták. Egy ilyen változtatás nem befolyásolja még jelentősen a bolygók mozgását, viszont lehetővé teszi, hogy végtelen sok csillagot helyezzünk el egyensúlyban úgy, hogy a közeli csillagok vonzzák, a távoliak pedig taszítják egymást.

Ma azonban úgy gondoljuk, hogy egy ilyen egyensúly instabil, azaz ha egy tartományban a csillagok csak egy picit közelebb kerülnének egymáshoz, a köztük levő vonzás erősebb lenne, és ellensúlyozná a taszítást. Ezáltal a csillagok még közelebb kerülnének egymáshoz, és egymás felé esnének. Ha viszont a csillagok kicsit távolabb kerülnének az egyensúlyi helyzetüknél, a taszító erők lennének az erősebbek, és a csillagok szépen eltávolodnának egymástól.

A végtelen statikus világegyetem-modell ellen felhozott másik érvet Heinrich Olbers német filozófusnak tulajdonítják. Valójában már Newton számos kortársa kifejtette fenntartását, és Olbers 1823-as cikke sem az első volt, mely nyomós érveket sorakoztatott fel az ügyben; de ez volt az első cikk, mely széles körben ismertté vált. A probléma az, hogy egy végtelen statikus világegyetemben gyakorlatilag minden vonal egy csillag felületén ér véget. Ezért az ember azt gondolná, hogy az égbolt ugyanolyan fényes lesz, mint a Nap, és még éjszaka is nappali világosság van. Olbers a problémát úgy próbálta megoldani, hogy a távoli csillagokból származó fény elnyelődik a közbenső csillagközi anyagon. Ha viszont ez valóban így lenne, akkor meg a csillagközi anyag melegedne fel annyira, hogy már maga is ugyanolyan fényesen világítana, mint a csillagok.

Az egyetlen lehetőség annak elkerülésére, hogy az éjszakai égbolt ugyanolyan fényes legyen, mint a Nap, annak feltételezése, hogy a csillagok nem ragyognak örökké, hanem valamikor a múltban, véges időben gyulladtak ki. Ebben az esetben a csillagközi anyag még nem melegedett fel annyira, hogy sugározzon, illetve a távoli csillagok fénye még nem ért el minket. Ez persze azonnal felveti azt a kérdést, hogy mitől gyulladnak fel a csillagok.

A világegyetem kezdete

A világegyetem kezdete természetesen már régóta foglalkoztatja az embereket. A zsidó, a keresztény, illetve a mohamedán irányultságú korai kozmológiai elméletek szerint a világegyetem a nem is olyan régmúltban keletkezett. Egy ilyen teremtés természetes következménye annak az igénynek, hogy legyen egy elsődleges ok, mely megmagyarázza a világegyetem létezését.

Egy másik érvelés Szent Ágostonnak a De civitate Dei (Az Isten városáról) című könyvében jelent meg. Ágoston rámutatott, hogy a civilizáció fejlődik, és emlékezünk azokra, akik végrehajtottak valamilyen nagy tettet vagy kifejlesztettek egy új technikát. Ezért az ember – és ugyanúgy a világegyetem – sem létezhet olyan régóta, mert különben már sokkal fejlettebbek lennénk.

Ágoston a Teremtés könyve alapján a világegyetem teremtését körülbelül Kr. e. 5000-re teszi. Érdekes, hogy ez az időpont nincsen olyan messze az utolsó jégkorszak végétől, körülbelül Kr. e. 10 000-től, amikor a civilizáció valójában elkezdődött. Ezzel szemben Arisztotelész és a legtöbb görög filozófus nem volt a teremtés híve, mivel számukra az túl sok isteni beavatkozással járt volna. Ezért azt tartották, hogy az emberi faj és a környező világ öröktől fogva létezik, és örökké fennmarad. Megvitatták a fejlődéssel kapcsolatos előbbi problémát is, de úgy gondolták, hogy az ismétlődően fellépő áradások vagy más csapások sorozatosan a civilizáció kezdetére vetik vissza az emberiséget.

Amikor a legtöbb ember hisz a lényegében statikus és változatlan világegyetemben, az a kérdés, hogy volt-e neki kezdete, valójában a metafizika vagy a teológia kérdéskörébe tartozik. A megfigyelhető világot mindkét lehetőség le tudja írni: a világegyetem vagy öröktől fogva létezik, vagy valamikor a múltban állították üzembe olyan módon, mintha öröktől fogva létezne. 1929-ben azonban Edwin Hubble alapvető megfigyelést tett: bármerre nézünk, a távoli csillagok gyorsan távolodnak tőlünk. Ez azt jelenti, hogy ezelőtt az égitestek közelebb voltak egymáshoz, és történetesen olyan tíz-húszmilliárd éve egy pontban tömörültek.

Ez a felfedezés a világegyetem keletkezésének problémáját végre a tudomány világába emelte. Hubble megfigyelése azt sugallta, hogy volt egy olyan időpont, amikor a Nagy Bummnak nevezett esemény történt, és a világegyetem végtelenül kicsi és végtelenül sűrű volt. Ha történt is valami a Nagy Bumm előtt, annak semmiféle hatása nem lehet a mai eseményekre, ezért elfeledkezhetünk róla, mivel megfigyelhető következménye nincsen.

Azt mondhatjuk, hogy az idő a Nagy Bumm-mal kezdődik, csupán azért, mivel annál korábbi időket nem tudunk meghatározni. Nyomatékosítani szeretném, hogy ez az „idők kezdete” egészen más, mint amiről eddig beszéltünk. Egy változatlan világegyetemben az idők kezdetét egy külső, a világegyetemtől független létezőnek kell meghatároznia, nincsen fizikai kényszer a kezdet bevezetésére. Elképzelhetjük, hogy az Isten teremtette a világot tetszőleges múltbeli időpontban. Elképzelhetjük ugyanígy, hogy a Nagy Bumm idején teremtette a világot, vagy egy tetszőleges későbbi időpontban oly módon, hogy az úgy nézzen ki, mintha a Nagy Bumm idején keletkezett volna. De értelmetlen lenne azt feltételeznünk, hogy Isten a Nagy Bumm előtt teremtette a világot. A táguló világegyetem nem zárja ki a Teremtőt, de behatárolja az időt, amikor munkáját befejezte.

Második előadás

A TÁGULÓ VILÁGEGYETEM

N

apunk és a környező csillagok mind részei a Tejútrendszernek nevezett galaxisnak. Az emberek ezt a galaxist igen sokáig a teljes Univerzummal azonosítottak, amíg 1924-ben Edwin Hubble amerikai csillagász be nem bizonyította, hogy más galaxisok is léteznek. Valójában igen sok galaxis létezik, melyeket irdatlan nagy üres tér választ el egymástól. A közeli csillagok távolságát meghatározhatjuk abból, hogy miképp változik látszólagos szögük, amint a Föld megkerüli a Napot. Azonban a galaxisok olyan messze vannak tőlünk, hogy velük kapcsolatban ez a módszer nem működik. A galaxisok valóban mozdulatlannak látszanak, ezért távolságuk meghatározására Hubble-nak más, közvetett eljárást kellett használnia.

Egy csillag látszólagos fényessége két tényezőtől függ – egyfelől attól, hogy milyen messze van a csillag, másfelől pedig, hogy mennyi fényt bocsát ki (luminozitás). A közeli csillagoknak meg tudjuk mérni mind a látszólagos fényességét, mind a távolságát, és ebből ki tudjuk számolni luminozitásukat. Fordítsuk meg a gondolatmenetet: ha ismerjük a csillag luminozitását egy másik galaxisban, akkor a látszólagos fényességének mérésével meg tudjuk állapítani a távolságát. Hubble a közeli, a mi galaxisunkban levő csillagok tanulmányozása során felismerte, hogy bizonyos fajta csillagoknak mindig ugyanakkora a luminozitása, és így feltehetjük, hogy ez más galaxisokban is így van. Ezáltal ha megfelelő típusú csillagot találunk egy másik galaxisban, annak látszólagos fényességét megmérve ki lehet számolni a csillag és így a galaxis távolságát is. Amennyiben ezt az adott galaxishoz tartozó több csillagra megismételjük, és a kapott távolságok egyeznek, megnyugodhatunk becslésünk pontosságában. Ezzel a módszerrel Hubble kilenc különböző galaxis távolságát mérte meg.

Ma már tudjuk, hogy a Tejútrendszer csak egyike a modern távcsövekkel megfigyelhető több milliárd galaxisnak. A galaxisok maguk is néhány milliárd csillagból állnak. A Tejútrendszer hozzávetőleg százezer fényév átmérőjű, és lassan forog: a spirális karokban levő csillagok százmillió év alatt kerülik meg a középpontot. Napunk egy közönséges, átlagos méretű sárga csillag, az egyik spirálkar szélén. Ennek felismerésével nagy utat tettünk meg Arisztotelész és Ptolemaiosz Föld központú világegyetem-képzetétől.

A csillagok olyan messze vannak tőlünk, hogy számunkra csak tűhegynyi fényforrásnak tűnnek. Nem tudjuk meghatározni méretüket vagy alakjukat. Akkor hogyan tudjuk megkülönböztetni a különféle típusú csillagokat? A csillagok zöménél csak egy jól meghatározható tulajdonságukat figyeljük meg, a színüket. Newton észrevette, hogy ha a napfényt prizmán ereszti keresztül, akkor az a szivárványhoz hasonlóan színekre bomlik[3]. Ezt hívjuk színképnek. A távcsövet egy csillagra vagy galaxisra irányítva ugyanez ismételhető meg a csillagból, illetve a galaxisból jövő fénnyel is: meghatározható annak színképe.

A különböző csillagoknak különböző a színképük, de a különböző színek egymáshoz viszonyított fényessége mindig megfeleltethető egy adott hőmérsékletű, izzó test által kibocsátott fény színképének[4]. Ennek segítségével a csillag színképéből meg lehet állapítani annak hőmérsékletét. Az izzó test színképével való összevetésből az is kiderül, hogy bizonyos színek hiányoznak a csillag színképéből, és az, hogy pontosan melyik hiányzik, csillagról csillagra változik. Tudjuk, hogy mindegyik kémiai elem elnyeli a színek egy bizonyos sorozatát, így a hiányzó színek utalnak arra, hogy milyen elemek vannak a csillag légkörében.

1920-ban, amikor a csillagászok elkezdték más galaxisokban levő csillagok színképének elemzését, valami nagyon figyelemreméltót találtak. A színképben ugyanúgy hiányoztak színek, mint a Tejútrendszer csillagai esetében, azonban a mintázat máshol helyezkedett el – minden hiányzó vonal ugyanannyival tolódott el a színkép vörös vége felé. Az egyetlen értelmes magyarázat erre az volt, hogy a galaxisok távolodnak tőlünk, miközben a belőlük jövő fény frekvenciája a Doppler-effektus révén csökken, azaz vöröseltolódást szenved. A jelenség hasonlít az előttünk elhaladó kocsi motorjának hangjához: amikor az autó közeledik, a motor hangját magasabbnak halljuk, amikor távolodik, akkor mélyebbnek. Közeledéskor a hanghullámoknak magasabb, távolodáskor alacsonyabb a frekvenciája. A fényhullámok és a hanghullámok is hasonlóan viselkednek a Doppler-effektus révén. Ennek a rendőrség is nagy hasznát veszi a gépjárművek sebességének mérésekor, ugyanis mérni tudja a kocsiról visszaverődő hanghullámok frekvenciáját (radar).

Évekkel azután, hogy felfedezték más galaxisok létezését, Hubble katalogizálta a galaxisokat, megmérte távolságukat és színképüket. Ekkortájt a legtöbben arra számítottak, hogy a galaxisok véletlenszerűen mozognak, és ezért körülbelül ugyanannyi galaxisról várták, hogy színképük a kék felé tolódik, mint amennyi a vörös felé. Éppen ezért nagy meglepetést okozott, amikor kiderült, hogy az összes galaxis színképe a vörös felé tolódott, azaz minden egyes galaxis távolodik tőlünk. Ezt még tetézte Hubble 1929-ben publikált eredménye, amely szerint a galaxisok vöröseltolódása sem véletlenszerű, hanem egyenesen arányos a tőlünk mért távolságukkal. Azaz minél távolabbi a galaxis, annál gyorsabban távolodik tőlünk. Ebből viszont az következik, hogy a világegyetem nem statikus – mint azt korábban gondolták –, hanem valójában tágul. A galaxisok közötti távolság az idő haladtával növekszik. A világegyetem tágulásának felfedezése a huszadik század egyik legnagyobb szellemi teljesítménye volt. Így visszatekintve nehéz megérteni, hogy erre miért nem gondoltak korábban az emberek. Newtonnak és kortársainak már rá kellett volna jönniük, hogy a statikus világegyetem a gravitáció hatására hamar összeroskad. De ha feltételezzük, hogy a világegyetem nem statikus, hanem tágul, akkor két lehetőség is adódik: lassú tágulás esetén a gravitáció a tágulást lassítva egy idő után leállítja azt, és ezután a világegyetem összehúzódik; gyors tágulás esetén azonban a gravitáció nem elég erős ahhoz, hogy leállítsa a tágulást, így az örökké folytatódik. A kettő között található az a kritikus tágulási sebesség, amely a két lehetőséget elválasztja egymástól. Az egész folyamat hasonlít egy rakéta kilövéséhez: ha túl kicsi a kezdősebessége, akkor a gravitáció leállítja a rakéta emelkedését, és az visszahull a Földre, ha azonban kezdősebessége meghalad egy kritikus értéket (körülbelül 11 km/s a Földön), akkor a gravitáció nem tudja leállítani a rakétát, és az örökre eltávolodik a Földtől.

A világegyetemnek ez a viselkedése – Newton elmélete alapján – már kikövetkeztethető lett volna a tizenkilencedik vagy tizennyolcadik században, sőt akár a tizenhetedik század végén is. Azonban a statikus világegyetemben való hit annyira erős volt, hogy egészen a huszadik századig tartotta magát. Még 1915-ben is, amikor Einstein megfogalmazta az általános relativitás elméletét, annyira hitt abban, hogy a világegyetem statikus, hogy egyenletében bevezetett egy új tagot, a kozmológiai állandót. Ez lehetővé tette az egyenletnek olyan megoldását, mely a statikus világegyetemnek felel meg. Ez a tag egy „antigravitációs” erőnek felel meg, és más erőkkel szemben nincsen anyagi forrása, hanem a téridő szerkezetéhez kapcsolódik. Einstein kozmológiai állandója a téridőt olyan tulajdonsággal ruházta fel, hogy az táguljon, és ennek nagyságát Einstein pont akkorára állította be, hogy ellensúlyozza a világegyetem összes anyagának vonzását.[5]

Úgy tűnik, csak egy ember vette komolyan az általános relativitás elméletének eredeti alakját, mégpedig Alekszandr Fridman orosz fizikus. Míg Einstein és a többiek lázasan dolgoztak azon, hogy elkerüljék a táguló világegyetemnek az általános relativitáselmélet által felvázolt képét, Fridman megpróbálta azt megmagyarázni.

A Fridman-modell

A világegyetem időbeli fejlődését leíró általános relativitáselmélet egyenletei túl bonyolultak ahhoz, hogy általánosan meg lehessen őket oldani. Ehelyett Fridman két lényeges egyszerűsítést vezetett be a világegyetem szerkezetével kapcsolatban: (1) a világegyetem ugyanúgy néz ki, bármilyen irányban vizsgáljuk, (2) az előbbi megállapítás igaz akkor is, ha egy tetszőleges, más pontból tanulmányozzuk a világegyetemet. E két feltevés és az általános relativitáselmélet segítségével Fridman belátta: nem várhatjuk el, hogy a világegyetem statikus legyen. 1922-ben – hét évvel Hubble előtt – Fridman már előre látta Hubble eredményeit.

Az a feltevés, hogy a világegyetem ugyanúgy néz ki minden irányban, nyilvánvalóan nem igaz. Elég, ha feltekintünk a galaxisunk csillagai által az éjszakai égbolton formázott fényes sávra, a Tejútra, mely nyilvánvalóan kitüntet egy irányt. De ha a távoli galaxisokat nézzük, számuk a különböző irányokban körülbelül ugyanakkorának tűnik. Azaz a világegyetem durván ugyanolyannak látszik minden irányban, feltéve, ha a galaxisok közti irdatlan távolsághoz illő nagyobb távolságskálán vizsgáljuk[6].

Sokáig ezt már elegendő bizonyítéknak tekintették Fridman feltevésére, és elfogadták, hogy a világegyetem, legalábbis nagy léptékben, azonosan néz ki minden irányban. Ám egy újabb szerencsés véletlen feltárta, hogy Fridman feltevése a világegyetem igen pontos leírása. 1965-ben a New Jersey-i Bell Laboratórium két amerikai fizikusa, Arno Penzias és Robert Wilson műholdas távközlésre fejlesztett egy igen érzékeny mikrohullámú vevőberendezést. Nagyon bosszantotta őket, hogy berendezésükkel a vétel során több zajt fogtak, mint amire számítottak, és a zajforrásnak nem volt kitüntetett iránya. Először megvizsgálták a vevőn levő madárpiszkot, és még számos más esetleges hibaforrást, de mindegyiket – mint a zaj esetleges okát – ki kellett zárniuk. Tudták, hogy a légkörből származó összes zajforrás gyengébb, ha függőlegesen felfelé mérnek, mintha más szögben mérnének, mert arra vastagabb a légkör, így nagyobb térfogatból jöhet zaj.

A zajtöbblet azonban teljesen egyforma volt minden irányban, ezért csakis a légkörön túlról érkezhetett. Ugyancsak egyforma volt nappal és éjszaka, az év minden napján, a Föld forgása és keringése ellenére. Ez arra utalt, hogy a sugárzásnak a Naprendszeren, sőt a galaxisunkon is túlról kell érkeznie, különben a zaj változna, ahogy a detektor a Föld forgásával együtt más irányba fordul.

Valójában tudjuk, hogy a sugárzásnak át kellett haladnia a megfigyelhető világegyetem nagy részén. Mivel a sugárzás minden irányban egyforma, ezért a világegyetemnek egyformának kell lennie minden irányban, legalábbis – átlagolva nézve – elég nagy léptékben. A különböző irányokból érkező zaj változása kisebb, mint nagyságának egy tízezred része.[7] Penzias és Wilson tudtukon kívül belebotlottak Fridman első feltevésének rendkívül pontos bizonyításába.

Nagyjából ugyanebben az időben két amerikai fizikus – Bob Dicke és Jim Peebles – a közeli Princeton egyetemen szintén a mikrohullámú sugárzással foglalkozott. George Gamownak Alekszandr Fridman egykori diákjának ötlete izgatta őket, amely szerint a korai világegyetem forró és sűrű volt, és fehéren izzott. Dicke és Peebles azt gondolta, hogy ennek az izzásnak a mai napig nyoma kell hogy legyen, mivel a fény a világegyetem igen távoli részeiről csak mostanában ért el hozzánk. Ugyanakkor a világegyetem tágulása miatt ennek a fénynek igen erős vöröseltolódást kell szenvednie, és ezért ma a mikrohullámú tartományban kell lennie. Dicke és Peebles ezt a sugárzást kereste, amikor Penzias és Wilson tudomást szerzett kutatásukról. Ekkor döbbentek rá, hogy az általuk talált zaj a keresett mikrohullámú háttérsugárzás. Penzias és Wilson ezért a felismerésért 1978-ban Nobel-díjat kapott – ami viszont kicsit igazságtalan Dicke-kal és Peeblesszel szemben.

Na már most, első látásra az a tény, hogy a világegyetem – bármerre nézzünk – minden irányban egyforma, azt sugallhatja, hogy valami különleges helyünk van benne: ha minden galaxis távolodik tőlünk, akkor bizonyára mi vagyunk a középpontban. Erre azonban van egy másik magyarázat is: ha feltételezzük, hogy a világegyetem minden más pontból is azonosnak tűnik minden irányban. Ez pedig éppen Fridman második feltevése.

Ennek a feltevésnek a megerősítésére vagy cáfolatára nincsen tudományos bizonyítékunk. Pusztán szerénységből hiszünk benne. Fölöttébb figyelemreméltó lenne, ha a világegyetem csak tőlünk nézve lenne egyforma a különböző irányokban, de máshonnan nem. A Fridman-modellben minden galaxis egymástól távolodik. A helyzet hasonlít ahhoz, amikor egy felfújódó lufin tanulmányozzuk a ráfestett pontok helyzetét: ahogy a lufi tágul, bármelyik két pont közti távolság növekszik, azonban egyik pontról sem állíthatjuk, hogy ő lenne a középpontban. Továbbá, minél messzebb van két pont, annál gyorsabban távolodik egymástól. A Fridman-modellben ugyanúgy bármely két galaxis távolodásának sebessége arányos a köztük levő távolsággal, azaz a galaxisok vöröseltolódása egyenesen arányos távolságukkal, ahogy azt Hubble kimérte.

Modelljének sikere – és a Hubble-törvény előrejelzése – ellenére Fridman munkája nem volt túlzottan ismert Nyugaton. Csak akkor terjedt el, amikor 1935-ben Howard Robertson amerikai fizikus és Arthur Walker angol matematikus – Hubble mérései alapján – hasonló modellel állt elő.

Fridman saját feltevései alapján a világegyetem időbeli fejlődését leíró Einstein-egyenletnek csak az egyik megoldását írta fel, holott az összesen három különböző típusú megoldást enged meg. A Fridman által megtalált megoldás (nevezzük ezt első típusúnak) szerint a világegyetem kellően lassan tágul ahhoz, hogy a gravitációs vonzás lassítsa, majd egy idő után megállítsa a tágulást. Ezek után a galaxisok közeledni kezdenek egymáshoz, és végül a világegyetem összehúzódik. Bármely két galaxis távolsága nulláról indul (Nagy Bumm), elér egy maximumot, majd újra nullává válik (Nagy Reccs).

A második fajta megoldásban a világegyetem olyan gyorsan tágul, hogy a gravitációs vonzás ugyan kissé lelassítja, de sohasem állítja le azt. Két galaxis távolsága nulláról indul, és végül a galaxisok egyenletes sebességgel távolodnak egymástól.

Végül a harmadik típusú megoldásban a világegyetem éppen olyan gyorsan tágul, hogy megakadályozza a végső összeomlást. Itt is két galaxis távolsága nulláról indul, és a végtelenségig növekszik. Ugyanakkor a távolodás sebessége egyre csökken, és az idő múlásával közelít a nullához.

Az első típusú Fridman-megoldásban igen figyelemreméltó, hogy a világegyetem nem végtelen térbeli kiterjedésű, ugyanakkor nincsen határa. A gravitáció olyan erős, hogy a tér feltekeredik önmagára, és a Föld felületéhez lesz hasonlatos. Ha valaki egy irányban utazik a Föld felszínén, sohasem jut el leküzdhetetlen akadályig, vagy esik le a Föld sarkán, hanem visszatér oda, ahonnan elindult. A Fridman-féle első megoldásban a tér pontosan így viselkedik, csak a Föld felszínének két dimenziójával szemben három dimenzióban. Az idő – a negyedik dimenzió[8] – szintén véges kiterjedésű, de – mint egy szakasznak – van vége és kezdete, azaz határa. Mint később látni fogjuk, ha az általános relativitáselméletet összeegyeztetjük a kvantummechanika határozatlansági elvével, akkor mind a tér, mind az idő képes úgy véges kiterjedésű lenni, hogy egyiknek sincs határa. Ha most valaki azt gondolja, hogy körbe tud menni a világegyetemben úgy, hogy visszaérjen a kiindulópontba, az talált egy jó ötletet egy tudományos-fantasztikus történethez. Egy ilyen körbemenetelnek azonban nincs gyakorlati jelentősége, mivel meg lehet mutatni, hogy a világegyetem – még mielőtt körbeérnénk – összeroskad egy pontba. Ahhoz, hogy a világegyetem ne roskadjon össze, amíg visszaérünk a kiindulópontba, a fénynél gyorsabban kell utaznunk – és ez nem lehetséges.

Felvetődik a kérdés, hogy a háromból melyik megoldás írja le a világegyetemet? Vajon örökké tart a tágulás, vagy valamikor majd megáll, és elkezdődik az összeroskadás? A kérdés megválaszolására ismernünk kell a tágulás jelenlegi ütemét, és a jelenlegi átlagos anyagsűrűséget. Ha a sűrűség kisebb egy bizonyos, a tágulási ütem által meghatározott kritikus értéknél, akkor a gravitációs vonzás túl gyenge ahhoz, hogy megállítsa a tágulást, ha viszont nagyobb a kritikus értéknél, akkor valamikor megállítja a tágulást, és elindítja a világegyetem összeesését.

A tágulás jelenlegi ütemét a Doppler-effektus segítségével, a távoli galaxisok távolodási sebességének mérésével nagy pontossággal tudjuk meghatározni. Azonban a távoli galaxis távolságát már nem ismerjük ennyire precízen, mivel csak közvetett módon tudjuk mérni. Csak annyit jelenthetünk ki, hogy a világegyetem öt és tíz százalék közötti értékkel bővül minden milliárd évben.[9] De a világegyetem jelenlegi anyagsűrűségét még kevésbé ismerjük.[10]

Ha összeadjuk minden csillag tömegét, melyet a Tejútrendszerben és más galaxisokban látunk, akkor a tágulás megállításához szükséges kritikus sűrűségnek csupán csak az egy százalékát kapjuk. Ám tudjuk, hogy a Tejútrendszer és a többi galaxis is nagy mennyiségű sötét anyagot tartalmaz, melyet közvetlenül nem figyelünk meg, azonban jelenlétére a csillagok és a galaxisok pályamozgása – mely jelentős gravitációs hatást mutat – utal. Továbbá, a legtöbb galaxis csoportosan fordul elő, és a csoport összetartásához szintén egy nagy adag anyagra van szükség, melyet nem látunk (nem bocsát ki fényt). Ha összeadjuk mindezt a sötét anyagot, melynek jelenlétére közvetetten következtetünk, még mindig csak a kritikus sűrűség tizedét kapjuk. De még mindig elképzelhető valami más anyagforma, melyet még nem észleltünk, és amely a világegyetem anyagsűrűségét feltornázza a kritikus értékre.

A jelenlegi tapasztalat ezért azt sugallja, hogy a világegyetem valószínűleg mindörökké fog tágulni – de azért ne fogadjunk erre. Az egyetlen biztos ismeret az, hogy ha a világegyetem készül is az összeroskadásra, azt nem teszi meg a következő tízmilliárd évnél hamarabb, mivel legalább ennyi ideig még tágul. Hacsak nem népesítjük be a Naprendszeren túli térséget – bár ez bennünket már úgysem fog izgatni, mivel addigra az emberiség rég kihal a Nap pusztulásával.

A Nagy Bumm

Az Einstein-egyenletnek a Fridman-feltevésekből levezethető mindhárom megoldása közös abban, hogy valamikor a múltban, olyan tíz-és húszmilliárd éve, a szomszédos galaxisok távolsága nulla volt. Ebben az időben – a Nagy Bumm idején – a világegyetem sűrűsége és így a téridő görbülete is végtelen nagy volt. Az általános relativitáselmélet – ezen alapszik a Fridman-modell is – ezért azt mondja, hogy a világegyetemben volt egy szinguláris pont[11].

Minden tudományos elméletünk annak feltételezésével van megfogalmazva, hogy a téridő sima és közel lapos[12], azaz nem fog működni a Nagy Bumm közelében, amikor a téridő görbülete nagyon nagy. Bármi is történt a Nagy Bumm előtt, az nem használható fel annak előrejelzésére, hogy mi fog következni, mert a Nagy Bummnál a kiszámíthatóság megszűnik. Megfordítva, ha csak azt tudjuk, ami a Nagy Bumm óta következett be, nem tudjuk megmondani, mi volt előtte. Ami minket illet, mivel a Nagy Bumm előtti eseményeknek nincsen hatása ránk, ezért nem képezhetik a világegyetem tudományos modelljének részét. Modellünkből ezért elhagyjuk azokat, és kijelentjük, hogy az idő a Nagy Bumm-mal indul.

Sok ember nem szereti, hogy az időnek kezdete van, mert valószínűleg úgy érzik, hogy ez isteni beavatkozásra utal (a katolikus egyház például 1951-ben magáévá tette a Nagy Bumm elméletét, és kijelentette, hogy az összhangban áll a Bibliával). Számos próbálkozás volt a Nagy Bumm elkerülésére. A legnagyobb támogatást az állandó állapotú világegyetem elmélete kapta, melyet a fasiszta megszállás elől elmenekült két osztrák tudós, Hermann Bondi és Thomas Gold javasolt az amerikai Briton Fred Hoyle-lal közösen 1948-ban (a radar fejlesztésén dolgoztak együtt a második világháború idején). Az elmélet lényege az, hogy amint a galaxisok távolodnak egymástól, a köztük kialakuló hézagban a semmiből folyamatosan anyag keletkezik, és az új galaxisokba rendeződik. Így a világegyetem minden időpillanatban és tetszőleges helyről nézve durván azonos.

Az állandó állapotú világegyetem elmélete az általános relativitáselmélet módosítását követelte meg az új anyag folyamatos keltésével (és így az energiamegmaradás sértésével). A keltési ráta roppant alacsonynak adódott: körülbelül egy részecske köbkilométerenként és évente – és ez nem állt ellentmondásban a megfigyelésekkel. Az elmélet jó tudományos elmélet volt abban az értelemben, hogy egyszerű volt, és tényleges előrejelzést tartalmazott, amit kísérletileg meg lehetett vizsgálni. Az elmélet egyik ilyen következménye az volt, hogy a galaxisok vagy hasonló objektumok száma térfogategységenként azonos, bárhova és bármikor is nézünk a világegyetemben.

Az 1950-es évek végén és az 1960-as évek elején Martin Ryle vezetésével cambridge-i csillagászok egy csoportja feltérképezte a világűrből származó rádióhullámok forrásait. A csoport eredményei azt mutatták, hogy a források zöme a Tejútrendszeren kívül esik, továbbá sokkal több gyenge adó van, mint erős. A gyenge forrásokat a távoliakkal azonosították, az erősebbeket a közeliekkel. Ezek után azonban azt találták, hogy térfogategységenként kevesebb közeli adó van, mint távoli.

Ez jelenthette azt is, hogy mi a világegyetem egy olyan nagy tartományának a közepén vagyunk, ahol a rádióforrások száma kisebb, mint másutt. Jelenthette azonban azt is, hogy a múltban több adó üzemelt, mint jelenleg, mivel a távoli forrásokból a rádióhullámoknak időre van szükségük, hogy elérjenek minket, így azok egy múltbeli eseményről tájékoztatnak. De mindkét lehetséges magyarázat ellentmond az állandó állapotú világegyetem elméletének. Továbbá a Penzias és Wilson által 1965-ben felfedezett mikrohullámú háttérsugárzás szintén arra utalt, hogy a világegyetem a múltban sokkal sűrűbb volt. Az állandó állapotú világegyetem elméletét így sajnálkozva elvetették.

1963-ban újabb próbálkozás történt a Nagy Bumm és az idő kezdetének elkerülésére. Két orosz tudós – Jevgenyij Lifsic és Iszak Kalatnikov – azt elemezte, hogy a Nagy Bumm talán csak a Fridman-modell egy furcsa sajátossága, és nem is létezett világegyetemünk történetében. Lehet, hogy a világegyetemet közelítőleg leíró összes modell közül csak a Fridman-féle tartalmazza a Nagy Bumm szingularitását. A Fridman-modellben minden galaxis távolodik egymástól, ezért nem meglepő, hogy valamikor a múltban egy pontban kellett lenniük. A valódi világegyetemben azonban a galaxisok nemcsak távolodnak egymástól, hanem van egy kis oldalirányú sebességük is. Azaz a valóságban sohasem lesz az összes galaxis egy helyen a múltban, csupán csak elég közel egymáshoz. Ekkor viszont azt is feltehetjük, hogy a jelenlegi táguló világegyetem nem a Nagy Bummban keletkezett, hanem egy előző összehúzódási szakasz után, amikor nem az összes részecske ütközött egymással, hanem szépen elhaladtak egymás mellett, majd továbbhaladva a mai táguló világegyetemet formázzák. Hogyan tudnánk ez esetben eldönteni, hogy világegyetemünk a Nagy Bummból indult valójában?

Lifsic és Kalatnikov a Fridman-feltevéseken alapuló modelleket vizsgálták, de figyelembe vették a megfigyelt világegyetemben található szabálytalanságokat és a galaxisok véletlenszerű sebességeit. Megmutatták, hogy az ilyen modellek kezdődhetnek a Nagy Bumm-mal, még ha a galaxisok nem is pontosan egymásnak háttal távolodnak. De állításuk szerint ez csak olyan különleges helyzetekben lehetséges, amikor minden galaxis speciális módon mozog, az általános esetekben azonban – amikor a galaxisok kezdeti sebességei tetszőlegesek lehetnek – nincsen Nagy Bumm. Mivel az általános esetből jóval több (végtelenszer több) van, mint a speciális megoldásokból, ezért azt kell feltételeznünk, hogy a Nagy Bumm nagyon valószínűtlen. Később azonban Lifsic és Kalatnikov észrevette, hogy van a Fridman-feltevésen alapuló modelleknek egy még általánosabb osztálya, amely szingularitáshoz vezet anélkül, hogy a galaxisok kezdeti mozgásának speciális követelményeket kellene teljesítenie – ezért 1970-ben visszavonták állításukat.

Lifsic és Kalatnikov munkája nagyon értékes volt, mivel megmutatta, hogy a világegyetem születhetett a Nagy Bummból, amennyiben az általános relativitáselmélet igaz. De nem adott választ a fontos kérdésre, nevezetesen arra, hogy az általános relativitáselméletből következik-e, hogy volt-e a múltban Nagy Bumm, és van-e az időnek kezdete. A válasz erre 1965-ben Roger Penrose brit fizikustól érkezett, egy teljesen más megközelítésből. Kihasználva a fénykúpok[13] viselkedését az általános relativitáselméletben, valamint azt, hogy a gravitáció mindig vonzó, megmutatta, hogy a saját gravitációja alatt összeroppanó csillag olyan tartományba szorul be, melynek nagysága a nulláig csökken. Azaz a csillag teljes anyaga nulla térfogatba zsúfolódik össze, míg a sűrűség és a téridő görbülete végtelen nagy lesz. Más szóval, van egy szingularitásunk a fekete lyukként ismert téridő-tartományban.

Első látásra Penrose eredményének semmi köze ahhoz, hogy volt-e a múltban Nagy Bumm. Ám abban az időben, amikor Penrose megalkotta elméletét, én még doktorandusz voltam, és lázasan kerestem egy problémát, melynek megoldásával megírhatom doktori értekezésemet. Észrevettem, hogy ha Penrose elméletében úgy fordítom meg az idő irányát, hogy az összeroskadás helyett tágulás legyen, akkor elméletének eredeti feltevései továbbra is igazak maradnak, amennyiben a világegyetemben nagy skálákon a Fridman-feltevések fennállnak. Penrose elmélete megmutatta, hogy minden összeomló csillag szingularitásban fejezi be pályafutását. Én pedig az időtükrözés segítségével megmutattam, hogy bármely, a Fridman-feltevésekkel összhangban levő táguló világegyetemnek szingularitásból kellett indulnia. Technikai okokból Penrose elmélete megkövetelte, hogy a világegyetem végtelen térbeli kiterjedésű legyen. Ezt használtam ki, amikor bebizonyítottam, hogy csak akkor lehet szingularitás, ha a világegyetem elég gyorsan tágul ahhoz, hogy ne omoljon újra össze, mivel csak ez a Fridman-modell végtelen térbeli kiterjedésű.

A következő évek során új matematikai eljárásokat fejlesztettem ki, hogy az olyan elméletekből, amelyek bizonyították, hogy a szingularitásoknak létezniük kell, kiszűrjem az előbb említett és egyéb más feltevéseket. A végső eredményt 1970-ben írtuk le Penrose-zal közösen egy cikkben. Igazoltuk, hogy a világegyetemnek a Nagy Bummban kellett születnie, feltéve, hogy az általános relativitáselmélet igaz, és annyi anyagot tartalmaz, amennyit megfigyelünk.

Munkánkat többen is bírálták, többek között Oroszországból azok, akik folytatták Lifsic és Kalatnikov kutatási vonalát, másrészt azok, aki a szingularitások létét tartották visszataszítónak, mivel elrontják Einstein elméletének szépségét. Matematikai állításokkal szemben azonban nem igazán lehet érvelni, és ezért manapság általánosan elfogadott, hogy a világegyetemnek volt kezdete.

Harmadik előadás

A FEKETE LYUKAK

A

fekete lyuk elnevezés egészen új keletű, 1969-ben alkotta meg John Wheeler amerikai tudós, egy két évszázaddal korábbi elképzelés szemléletes magyarázataként. Akkoriban a fény mibenlétére két elmélet létezett, az egyik szerint a fény részecskék özöne, a másik szerint a fény hullámokból áll. Manapság tudjuk, hogy mindkét elmélet helyes, a kvantummechanika hullám-részecske kettőssége miatt a fényt részecskének is, hullámnak is tekinthetjük. A hullámképben azonban nem volt világos, hogy mit művel a fény a gravitáció hatására, míg a részecskeképben azt várjuk, hogy a fény ugyanúgy viselkedik, mint egy ágyúgolyó, rakéta vagy bolygó.

Ebből a feltételezésből kiindulva 1783-ban John Mitchell cambridge-i tanár megjelentetett egy cikket a Philosophical Transactions of the Royal Society of London című folyóiratban. Ebben a következőket taglalta: egy kellőképpen nagy tömegű és kis méretű csillagnak olyan erős gravitációs tere lehet, hogy abból a fény nem tud kiszökni. A csillag felületéről induló fényt a csillag gravitációs tere visszatéríti, még mielőtt túl messzire jutna. Mitchell azt is felvetette, hogy számos ilyen csillag létezhet. Ezeket természetesen nem láthatjuk, mivel fényük nem jut el hozzánk, de érezzük gravitációs vonzásukat. Ezeket az objektumokat nevezzük ma fekete lyuknak, mivel fekete hiányként jelennek meg a térben.

Néhány évvel később – Mitchelltől függetlenül – hasonló következtetésre jutott Pierre Simon Laplace márki, francia tudós is. Meglepő módon azonban az Exposition du Système du Monde (A világ rendszere) című könyvének csak első és második kiadásában hagyta benne ezt a feltevést; a későbbi kiadásokból már kihagyta, valószínűleg túl őrült gondolatnak tartotta. Tulajdonképpen ellentmondanánk a logikának ha a fényről úgy beszélnénk, mint az ágyúgolyókról a tömegvonzás newtoni elméletében, mivel a fény sebessége rögzített. A Föld felszínéről fellőtt golyó a gravitáció hatására lelassul, majd megáll és visszahullik. A foton (a fény részecskéje) azonban állandó sebességgel halad fölfelé. Hogyan tudja akkor a tömegvonzás newtoni elmélete befolyásolni a fényt? A fény és a gravitáció kölcsönhatásának konzisztens elméletét csak 1915-ben adja meg Einstein az általános relativitáselmélettel, de még ettől kezdve is sokáig tart, amíg az elmélet következményét a nagy tömegű csillagokra kidolgozzák.

A fekete lyukak kialakulásának megértéséhez először tekintsük át a csillagok életciklusát. Csillag akkor születik, amikor nagy mennyiségű gáz – főleg hidrogén – saját gravitációs vonzása következtében elkezd összeesni. Az összeesés következtében a gáz atomjai egyre gyakrabban és egyre nagyobb sebességgel ütköznek egymással, és ettől a gáz felmelegszik. Egy idő után aztán olyan meleg lesz, hogy a hidrogén atommagok az ütközés során már nem pattannak vissza egymásról, hanem összetapadnak, és hélium atommagot alkotnak. A folyamat úgy működik, mint egy szabályozott hidrogénbomba, és a felszabaduló hő miatt fénylik fel a csillag. Ezenkívül ez a többlethő még a gáz nyomását is megnöveli egészen addig, amíg az ellensúlyozza a gravitációs vonzást, és megállítja a gáz összehúzódását – hasonlóan ahhoz, ahogy a léggömb gumijában levő feszültség egyensúlyban tartja a léggömbben levő levegő nyomását.

A csillagok ezek után sokáig stabilan megmaradnak ebben az állapotban, egészen addig, amíg a magreakcióból származó hő egyensúlyt tart a gravitációs vonzással. Egy idő után azonban a csillagban elfogy a hidrogén és a többi nukleáris fűtőanyag, mégpedig meglepő módon: minél több állt rendelkezésre a folyamat elején, annál gyorsabban fogy el. A nagy tömegű csillag esetében ugyanis csak a magasabb hőmérséklet tud egyensúlyt tartani a gravitációs vonzással, a magasabb hőmérsékleten viszont gyorsabb az égés. Napunkban még elegendő üzemanyag áll rendelkezésre a következő ötmilliárd évre, a nagyobb csillagok viszont felélhetik készletüket akár százmillió év alatt is, ami nagyon kis idő a világegyetem korához képest. Az üzemanyag kifogyása után a csillag lehűl, és elkezd összehúzódni. Ami ezek után történhet vele, azt először az 1920-as évek végén értették meg.

1928-ban Subrahmanyan Chandrasekhar indiai doktorandusz elhajózott Angliába, hogy Cambridge-ben Sir Arthur Eddingtonnál, az általános relativitáselmélet szakértőjénél tanuljon. Azt beszélik, hogy az 1920-as évek elején egy újságíró azt mondta Eddingtonnak, hogy tudomása szerint csak három ember van a világon, aki érti az általános relativitáselméletet. Eddington erre ezt a választ adta: „megpróbálok rájönni, hogy ki lehet a harmadik”.

Az Indiából Angliáig tartó hosszú úton Chandrasekhar kiszámolta, hogy milyen nagy lehet a csillag, mely – miután elégette teljes üzemanyagkészletét – még ellen tud állni a gravitációnak. Az ötlet a következő volt: amikor a csillag kicsire összehúzódik, a benne levő részecskék nagyon közel kerülnek egymáshoz. De a Pauli-féle kizárási elv szerint két anyagi részecske nem lehet azonos helyen, azonos sebességgel[14]. Ezért köztük igen erős taszítás lép fel, mely sebességeiket úgy próbálja beállítani, hogy a részecskék távolodjanak egymástól, és összességében a csillag tágulását eredményezzék. Ebből a kizárási elvből adódó tágulási hajlam ellensúlyozza most a gravitációs vonzást a fúzió során keletkezett hő helyett, és biztosítja a csillag stabilitását adott méreten.

Chandrashekhar azonban észrevette, hogy a kizárási elv nem tud tetszőleges nagy ellennyomást biztosítani, mivel az általános relativitáselmélet szerint a két részecske nem tud a fény sebességénél gyorsabban távolodni egymástól. Ezért ha a gravitációs vonzás elég sűrűre tudja préselni a csillagot, a kizárási elv már nem tudja ellensúlyozni az összeesést. Chandrasekhar kiszámolta, hogy a Nap tömegénél másfélszer nagyobb tömegű hideg csillag már nem tudja saját gravitációját ellensúlyozni. Ma ezt a tömeget Chandrasekhar-határnak nevezzük.

A következmények egy nagy csillag számára igen súlyosak. Ha a csillag tömege[15] nem haladja meg a Chandrasekhar-határt, az összeesés megáll, és a csillag a fehér törpének nevezett végállapotba kerülhet – néhány ezer kilométeres sugárral és köbméterenként néhány tízmillió tonna sűrűséggel[16]. A fehér törpét a benne levő elektronoknak a kizárási elvből következő taszítása tartja fenn. Ilyen fehér törpéből igen sokat figyeltünk meg, az egyik legelőször azonosított ilyen objektum az éjszakai égbolt legfényesebb csillagának, a Szinusznak a kísérője.

Van azonban a csillagoknak egy másik lehetséges végállapota, melynek a határtömege szintén az egy-két naptömeg körül van, azonban ezek a csillagok jóval kisebbek, mint a fehér törpék. Ezeket a csillagokat nem az elektronok, hanem a neutronok és protonok kizárási elvből következő taszítása tartja fenn a gravitációval szemben, és neutroncsillagoknak nevezzük őket. Sugaruk csak tíz-húsz kilométer, sűrűségük azonban milliószorosa a fehér törpékének. Abban az időben, amikor elméletileg prognosztizálták a neutroncsillagok létét, nem volt olyan módszer, melynek segítségével megfigyelhették volna őket, és jó pár év telt el addig, amíg kimutatták jelenlétüket.

A Chandrasekhar-határ fölötti tömeggel rendelkező csillagok azonban igencsak bajban vannak, miután elfogyott az üzemanyaguk. Néha felrobbanhatnak vagy más módon szabadulhatnak meg elegendő anyagtól ahhoz, hogy tömegtik a Chandrasekhar-határ alá csökkenjen – de nehéz elhinni, hogy ez mindig bekövetkezik. Honnan tudhatná a csillag, hogy anyagot kell veszítenie? És még ha kellő tömegtől meg is szabadulna, mi történik egy fehér törpével vagy neutroncsillaggal, ha befog egy újabb anyagmennyiséget? Vajon összeomlik egy végtelen sűrűségű ponttá?

Eddingtont megdöbbentette ennek lehetősége, és nem fogadta el Chandrasekhar eredményét. A legtöbb tudóshoz hasonlóan nem hitte, hogy egy csillag képes arra, hogy egy pontba összeroskadjon. Maga Einstein is kifejtette egy cikkében, hogy szerinte a csillagok nem zsugorodhatnak egy pontba. A többi tudósnak – és legfőképp tanárának és a csillagszerkezet vezető szaktekintélyének, Eddingtonnak – az eredménye iránti ellenszenve arra késztette Chandrasekhart, hogy felhagyjon ez irányú kutatásaival és az asztrofizika más problémáit vizsgálja. De 1983-ban, amikor megkapta a Nobel-díjat, az részben ennek a korai munkásságának, a hideg csillagok határtömege megállapításának szólt.

Chandrasekhar bebizonyította, hogy a kizárási elv nem tudja megakadályozni a Chandrasekhar-határnál nagyobb tömegű csillag összeomlását. De hogy pontosan mi is történik egy ilyen csillaggal az általános relativitáselmélet[17] törvényeinek következtében, arra csak 1939-ben adott magyarázatot egy fiatal amerikai fizikus, Robert Oppenheimer. Számolásai azonban azt is feltárták, hogy az összeomlásnak nem lesznek az akkori távcsövekkel mérhető következményei. Ezek után jött a második világháború, és Oppenheimer az atombomba-programmal volt elfoglalva. A háború után a gravitációs összeomlás témája feledésbe merült, és a legtöbb tudós az atommal és az atommaggal, azaz a nagyon kis skálájú részek fizikájával foglalkozott. 1960-ban azonban a korszerű technológia alkalmazásának eredményeképpen elszaporodtak a csillagászati megfigyelések, s ezek újra az asztrofizika és kozmológia nagy léptékű problémái felé terelték az érdeklődést; Oppenheimer eredményeit számos kutató újra felfedezte és továbbfejlesztette.

Oppenheimer munkájából a következő kép tárul elénk: a csillag gravitációs tere megváltoztatja a fénysugarak útját a téridőben ahhoz képest, mintha a csillag ott sem lenne. A fénysugarak útja enyhén a csillag felszíne felé hajlik meg, és a távoli csillagok fényének ezt az elhajlását napfogyatkozáskor meg is figyelhetjük. Ahogy a csillag összehúzódik, felszínén a gravitációs mező fokozatosan erősödik, és a fény egyre jobban elhajlik. Ez növekvő mértékben megnehezíti a fény számára, hogy elhagyja a csillagot. A csillagból jövő fény egyre halványabb lesz, és frekvenciája egyre jobban tolódik a vörös tartományba (azaz a kisebb frekvenciák felé).

Végül pedig, amikor a csillag az összehúzódás következtében egy kritikus sugárnál kisebb lesz, felszínén a gravitációs mező annyira felerősödik, hogy a fény nem tudja többé elhagyni a csillagot. A relativitáselmélet szerint azonban semmi nem mozoghat gyorsabban, mint a fény, azaz ha a fény nem tud kiszökni a csillagból, akkor semmi más sem szökhet ki. A gravitációs mező mindent visszaránt. A téridőnek van egy olyan tartománya, ahonnan nem lehet eltávolodni, az abban levő eseményekről a távoli megfigyelő nem szerezhet tudomást. Ezt a tartományt hívjuk ma fekete lyuknak, a határát pedig eseményhorizontnak. Ez utóbbi pontosan egybeesik azoknak a fénysugaraknak a pályájával, melyek éppen nem képesek megszökni a csillagból.

Ha meg akarjuk érteni, hogy mit is láthatunk akkor, amikor a csillag fekete lyukká esik össze, figyelembe kell vennünk, hogy az általános relativitáselmélet szerint nincsen abszolút idő. Minden megfigyelőnek megvan a saját időmértéke. Az idő a csillagon tartózkodó megfigyelő számára – a csillag gravitációs mezője miatt – másképp telik, mint annak, aki távolról figyeli az eseményeket. Ezt a jelenséget a Földön ki is mérték egy kísérletben – egy víztorony alján és tetején elhelyezkedő óra segítségével. Gondoljuk el, hogy egy merész űrhajós az összeroskadó fekete lyuk felszínéről saját órájára nézve másodpercenként küld egy jelet a csillag körül keringő űrhajóra. Mondjuk, hogy a csillag sugara – az űrhajós órája szerint – tizenegy órakor válik kisebbé a kritikus sugárnál, ahol a gravitációs mező már annyira erős, hogy a jelek nem érik el az űrhajót.

Ahogy közelítünk a tizenegy órához, az űrhajóban várakozó legénység – az űrhajó órája alapján – azt észleli, hogy társuk jelei egyre ritkulnak. Az eltérés azonban 10:59:59 előtt még annyira kicsi – alig több mint egy másodperc –, hogy csak egy igen picit kell várni, amíg a fekete lyuk felszínén tartózkodó űrhajós által 10:59:58 és 10:59:59 között elküldött jelek megérkeznek. De a következő, a tizenegy órakor elküldött jelre már végtelen sok ideig kell várni (mivel az nem jut ki a csillagból). Az űrhajós által 10:59:59 és tizenegy óra között a csillag felszínéről elküldött fényhullámok a legénység órája szerint egy végtelen időintervallumra húzódnak szét.

Az egymást követő fényhullámok közötti időkülönbség az űrhajóra való megérkezés alapján egyre nagyobb és nagyobb, a csillagról érkező fény pedig egyre vörösebb és halványabb lesz. Végül a csillag fénye annyira elhalványul, hogy már nem látszik az űrhajóról; a helyén a térben egy fekete lyuk helyezkedik el. A csillag azonban továbbra is ugyanazt a gravitációs erőt fejti ki az űrhajóra, mivel – elvileg – a csillag még továbbra is megfigyelhető az űrhajóról. Csupáncsak a felszínről jövő fény szenvedett olyan mértékű vöröseltolódást, hogy már nem észlelhető. A vöröseltolódás azonban nem befolyásolja a csillag gravitációs mezejét, és az űrhajó továbbra is a csillag körül kering.

1965 és 1970 között Roger Penrose-zal folytatott kutatómunkám megmutatta, hogy az általános relativitáselmélet alapján a fekete lyuk belsejében egy végtelen sűrűségű szingularitásnak kell lennie. Ez olyan, mint a Nagy Bumm az idő kezdetén, de a jelen esetben az összeroskadó csillag és az űrhajós számára ez az idő vége. A szingularitásban a tudomány törvényei és az a képességünk, hogy előre megmondjuk a jövőt, nem működnek. De minden olyan megfigyelő, aki a fekete lyukon kívül maradt, nem észleli ezt a problémát, mivel a szingularitásból sem fény, sem bármilyen más jel nem érkezik.

Ez a figyelemre méltó tény vezette Roger Penrose-t a kozmikus cenzúra feltevésére, amely szerint „Isten irtózik a csupasz szingularitástól”. Másképp fogalmazva: a gravitációs összeomlás által keltett szingularitások csak olyan helyeken keletkeznek, mint a fekete lyukak, ahol kívülről az eseményhorizont diszkréten elrejti a szingularitásokat. Szigorúan véve ezt a gyenge kozmikus cenzúra feltevésének nevezzük. Kíméld meg a fekete lyukon kívül rekedt megfigyelőt attól, hogy észrevegye: a szingularitásnál elveszítette előrelátási képességét. Ez persze nem segít a szerencsétlen űrhajóson, aki beleesik a lyukba. Nem kellene az Istennek megmentenie az ő egyszerű világlátását is?

Az általános relativitáselmélet egyenleteinek van néhány olyan megoldása, melyekben űrhajósunk megláthatja a csupasz szingularitást. El tudja kerülni magát a szingularitást, és helyette – egy „féreglyukba” esve – a világegyetem egy más részén találja magát. Ez remek lehetőség a tér-és időutazásokra, de sajnos úgy tűnik, hogy ezek a megoldások erősen instabilak. A legkisebb zavar, például az űrhajós jelenléte, megzavarhatja ezt a folyamatot, és az űrhajós nem veszi észre a szingularitást egészen addig, míg bele nem szalad, és az idő számára véget ér. Más szóval a szingularitás mindig a jövőjében van, és sohasem a múltjában.

A kozmikus cenzúra-feltevés erős változata azt mondja ki, hogy a valós megoldásokban a szingularitások mindig vagy teljes egészükben a jövőben vannak, mint a gravitációs összeomlás esetén, vagy teljes egészükben a múltban, mint a Nagy Bumm esetében. Nagyon reméljük, hogy a cenzúra valamilyen formája működik, mivel ellenkező esetben a csupasz szingularitás környékén képesek lennénk a múltba utazni. Míg ennek a tudományos-fantasztikus irodalom művelői roppant módon örülnek, ez azt is jelentené, hogy senkinek az élete nincsen biztonságban. Bárki visszamehet a múltba, és megölheti valamelyik szülőjét még a fogantatás előtt.

A fekete lyuk keletkezéséhez vezető gravitációs összeomlás során a mozgást a gravitációs hullámok kibocsátása korlátozza. Ezért azt várjuk, hogy a fekete lyuk viszonylag hamar egyensúlyi helyzetbe kerül. Az általános vélekedés az volt, hogy ez a végső állapot függ annak a testnek a tulajdonságaitól, mely végül fekete lyukká zsugorodott. A fekete lyuknak tetszőleges lehet az alakja és mérete, sőt lehet, hogy a mérete változik, ahogy a fekete lyuk lüktető mozgást végez.

1967-ben azonban történt valami, ami forradalmasította a fekete lyukak tanulmányozását, történetesen Werner Israel Dublinban írt cikke. Israel megmutatta, hogy mindegyik fekete lyuk, amelyik nem forog, törvényszerűen tökéletes gömb alakú, és mérete pusztán a tömegétől függ. Valójában az Einstein-egyenletek egy olyan speciális megoldása írja le őket, melyet Karl Schwarzschild talált meg 1917-ben, nem sokkal az általános relativitáselmélet megalkotása után. Israel eredményét sok kutató – beleértve magát Israelt is – először úgy értelmezte, hogy a fekete lyukak csak tökéletesen gömb alakú testek összeomlásából származhatnak. Mivel egy valóságos test sohasem tökéletes gömb, ezért a gravitációs összeomlás általános csupasz szingularitásokhoz vezet. De Israel eredményének van egy másik értelmezése is – melyet többek között Roger Penrose és John Wheeler javasoltak –, amely szerint a fekete lyuk úgy viselkedik, mint egy vízgömb. Ezáltal, bár az eredeti test nem gömbszimmetrikus alakú, az összeomlás során gravitációs hullámok kibocsátásával gömbszimmetrikussá válik. A további számolások alátámasztották ezt a feltételezést, mely ma már általánosan elfogadottá vált.

Israel azonban csak olyan fekete lyukakra dolgozta ki felfedezését, melyek nem forognak. A vízgömbbel való hasonlat alapján azt várjuk, hogy forgó testek összeomlásából keletkező fekete lyukak már nem lesznek gömb alakúak, hanem a forgás következtében az egyenlítő mentén kicsit kidudorodnak. Ilyen dudort látunk a Napunkon is, mely a huszonöt napos ciklusú forgásának következménye. 1963-ban Roy Kerr Új-Zélandban megtalálta az általános relativitáselméletnek a Schwarzschild-alaknál általánosabb megoldásait. Ezek a „Kerr” típusú fekete lyukak állandó sebességgel forognak, alakjuk és méretük csak tömegüknek és a forgás sebességének függvénye. Ha a forgás végtelen lassú, a fekete lyuk tökéletesen gömb alakú lesz, és a Schwarzschild-megoldást kapjuk. Nem nulla forgás esetén azonban a fekete lyuk alakja az egyenlítője mentén kidudorodást mutat. Innen már természetesen adódott az a feltevés, hogy egy forgó, összeomló csillag Kerr típusú fekete lyukká válik.

1970-ben egyik kutatódiákom, Brandon Carter hozzáfogott a fenti feltevés bizonyításához. Megmutatta, hogy amennyiben egy stacionárius[18] forgó fekete lyuknak van szimmetriatengelye, mint egy búgócsigának, akkor mérete és alakja pusztán a tömegétől és forgási sebességétől függ. 1971-ben pedig bebizonyítottam, hogy minden stacionárius forgó fekete lyuknak van szimmetriatengelye. Végül 1973-ben David Robinson, a londoni Kings College kutatója – Carter és az én eredményeimet felhasználva – megmutatta, hogy a feltevés valóban helyes volt: a forgó test összeomlásából keletkező fekete lyuk Kerr típusú.

Ezzel bebizonyosodott, hogy a gravitációs összeomlás után a fekete lyuk olyan állapotba kerül, melyben foroghat, de nem pulzálhat, továbbá mérete és alakja pusztán tömegétől és forgási sebességétől függ, és nem az eredeti test – melyből keletkezett – tulajdonságaitól. Ez az eredmény röviden „a fekete lyuknak nincsen szőre” mondással vált ismertté. Ez azt jelenti, hogy az összeomló testtel kapcsolatos rengeteg információ a fekete lyuk keletkezésekor elveszik, mivel utána már csak legfeljebb a tömegét és forgási sebességét állapíthatjuk meg. Ennek jelentőségét majd a következő előadásban látjuk. A szőrmentes elv gyakorlati szempontból azért is fontos, mert igen jelentős mértékben korlátozza a lehetséges fekete lyukak fajtáinak számát. Ezáltal lehetőséget ad arra, hogy fekete lyukakat tartalmazó részletes modelleket alkossunk, és összevessük az azokból kiszámolható mennyiségeket a megfigyelésekkel.

A fekete lyuk egyike a tudománytörténet azon meglehetősen ritka eseteinek, amikor az elmélet elég alapos részletességgel megalkotott egy matematikai modellt – még mielőtt a megfigyelések bármilyen bizonyítékot is szolgáltattak volna annak helyességéről. Igazából a fekete lyuk létének ellenzői ezt használták fel ellene. Hogyan is hihetne bárki olyan objektumok létében, melyek létére az egyetlen bizonyíték az általános relativitáselmélet gyanús elméletén alapuló számolás volt?

1963-ban azonban Maarten Schmidt, a kaliforniai Palomar-hegyi Obszervatórium csillagásza egy gyenge, csillagszerű objektumot talált a 3C273 jelű – azaz a harmadik cambridge-i katalógus 273. sorszámú objektuma – rádióforrás irányában. Amikor megmérte ennek vöröseltolódását, úgy találta, hogy az túlságosan nagy ahhoz, hogy gravitációs mező okozza. Ha a vöröseltolódás oka a gravitáció lett volna, akkor az azt okozó objektumnak olyan nagynak és közelinek kellett volna lennie, hogy kihatott volna a bolygópályákra. A másik lehetséges magyarázat, hogy a vöröseltolódást a világegyetem tágulása okozta, azaz a megfigyelt csillagszerű objektum nagyon távoli. Az, hogy még megfigyelhető ilyen nagy távolságról, azt jelentette, hogy nagyon fényes, és rengeteg energiát sugároz ki.

Az egyetlen elképzelhető folyamat, mely ekkora mennyiségű energiát szabadít fel, az nem is egy csillag, hanem egy egész galaxis központi részének gravitációs összeomlása. Később számos ilyen „csillagszerű objektumot” (angolul QUASi-stellAR object, melynek rövidítése a kvazár) figyeltek meg, mindegyiket nagy vöröseltolódással. Ezek azonban túl messze vannak, és túl bonyolult olyan megfigyeléseket végezni, melyek döntő bizonyítékot adhatnának a fekete lyukak jelenlétére.

A fekete lyukak elméletét támogató következő felfedezést 1967-ben tette Jocelyn Bell, egy cambridge-i kutatódiák, amikor az égen szabályos rádióhullámú impulzusokat kibocsátó objektumokat talált. Jocelyn – és témavezetője, Anthony Hewish – először azt hitték hogy sikerült a galaxisunkban egy idegen civilizációval kapcsolatot létesíteni. Emlékszem rá, hogy a szemináriumukban, ahol bejelentették a felfedezést, az első négy felfedezett forrást LGM 1-4-nek nevezték ahol az LGM a „kis zöld ember” (Little Green Man) angol rövidítése.

Végül azonban ők is – a többiekhez hasonlóan – egy kevésbé regényes következtetést vontak le, amely szerint ezek a ma pulzároknak nevezett objektumok valójában gyorsan forgó neutroncsillagok. A rádióhullámú impulzusok kibocsátásának oka az, hogy a csillag mágneses mezője a forgás során áthalad egy környező anyagcsomón. Ez rossz hír volt az űrwesternek íróinak, de nagyon biztató volt néhányunknak, akik már akkoriban is hittünk a fekete lyukak létében. Ez volt az első bizonyíték arra, hogy a neutroncsillagok léteznek. Egy neutroncsillagnak tíz-húsz kilométeres sugara van, mely csupán néhányszor nagyobb a kritikus sugárnál, mely alatt a csillag fekete lyukká válik. Ha a csillag össze tud húzódni ilyen kis méretűre, akkor nem elképzelhetetlen, hogy más csillagok még kisebb sugarúvá húzódnak össze, és végül fekete lyukak lesznek.

Hogyan reménykedhetünk abban, hogy meg tudunk figyelni egy fekete lyukat, amikor annak alapvető tulajdonsága, hogy nem jön ki belőle fény? A helyzet hasonló ahhoz, amikor egy fekete macskát hajkurászunk egy szenespincében. Szerencsére mégis van rá mód, melyre John Mitchell már 1783-ban felfigyelt. Úttörő munkájában arra világított rá, hogy a fekete lyuk gravitációs hatást fejt ki a közeli objektumokra. A csillagászok rengeteg kettős csillagot találtak, melyekben a csillagok egymás körül keringenek gravitációs vonzásuk következtében.[19] Találtak olyan rendszereket is, ahol csak egy csillagot láttak keringeni egy láthatatlan másik körül.

Természetesen nem következtethetünk azonnal arra, hogy a másik csillag fekete lyuk. Lehet egyszerűen egy olyan halvány csillag is, melyet nem tudunk megfigyelni. De néhány ilyen rendszer, például a Cygnus X-1 igen erős röntgensugárzást is kibocsát. A legjobb magyarázat erre a jelenségre az, hogy a röntgensugárzást a látható csillag felszínéről a láthatatlan kísérő által elszippantott anyag okozza. Ahogy ez az anyag a láthatatlan kísérő felé hull spirálvonalban – hasonlóan ahhoz, ahogy a víz is kifolyik a fürdőkádból –, felforrósodik, és a röntgentartományban sugároz. Hogy mindez megvalósuljon, a kísérő csillagnak nagyon kicsinek lennie, mint egy fehér törpének, neutroncsillagnak vagy fekete lyuknak[20].

A látható csillag mozgásából megállapítható a láthatatlan objektum legkisebb lehetséges tömege. A Cygnus X-1 esetében ez a Nap tömegének körülbelül a hatszorosa. Chandrasekhar számolásai alapján ez túlságosan sok ahhoz, hogy az objektum fehér törpe vagy neutroncsillag legyen. Lehetséges, hogy fekete lyukkal van dolgunk.

Vannak más, fekete lyuk nélküli elképzelések is a Cygnus X-1 mibenlétéről, azonban ezek felettébb erőltetettek. Úgy tűnik, hogy a fekete lyuk adja a megfigyelés egyetlen természetes leírását. Ennek ellenére arra fogadtam Kip Thorne-nal, a California Institute of Technology munkatársával, hogy a Cygnus X-1 valójában nem tartalmaz fekete lyukat. Ez egyfajta biztosítás a számomra. Rengeteget dolgoztam a fekete lyukak témakörében, és mindez hiábavalónak bizonyulhat, ha kiderül, hogy a fekete lyukak mégsem léteznek. Viszont ebben az esetben vigasztalásul megnyerem a fogadást, és ezzel egy négyéves előfizetést a Private Eye című viccmagazinra. Ellenkező esetben – ha a fekete lyukak léteznek – Kip nyer egy egyéves előfizetést a Penthouse-ra, mivel 1975-ben, amikor a fogadást kötöttük, nyolcvan százalékban voltunk biztosak abban, hogy a Cygnusban fekete lyuk van. Jelenleg azt mondanám, hogy kilencvenöt százalékban vagyunk biztosak, de a fogadás még nincs eldöntve.

A fekete lyukakra vannak bizonyítékaink galaxisunk számos más rendszeréből, és sokkal nagyobb fekete lyukakra más galaxisok középpontjából és a kvazárokból. Elképzelhetjük azonban, hogy Napunk tömegénél sokkal kisebb fekete lyukak legyenek. Az ilyen fekete lyukakat nem okozhatta gravitációs összeomlás, mert tömegük a Chandrasekhar-határ alatt van. Ilyen kis tömegű csillagok fenn tudják magukat tartani a gravitációs nyomással szemben akkor is, ha elfogyott az üzemanyaguk. Ezért alacsony tömegű fekete lyukak csak akkor keletkezhetnek, ha az anyagot valamely külső nyomás hihetetlen mértékben összenyomta. Ilyen feltételek adódhatnak egy nagyon nagy hidrogénbombában. John Wheeler fizikus egyszer kiszámolta, hogy amennyiben a Föld óceánjaiból kinyerjük az összes nehézvizet, és ebből hidrogénbombát építünk, az a bomba felrobbantásakor a középpontjában levő anyagot annyira összenyomja, hogy ott fekete lyuk keletkezik. De sajnálatos módon senki nem maradna életben, aki ezt megfigyelhetné.

Gyakorlati szempontból járhatóbb út, ha feltételezzük, hogy az alacsony tömegű fekete lyukak a világegyetem kezdetének magas hőmérsékletén és nyomásán keletkeztek. Ez lehetséges, ha a korai világegyetem nem volt tökéletesen sima és egyenletes, mivel egy, a környezeténél sűrűbb tartomány ilyen módon össze tud nyomódni, és fekete lyuk keletkezhet belőle. Márpedig azt tudjuk, hogy bizonyára voltak szabálytalanságok az anyageloszlásban, ellenkező esetben ugyanis napjainkig egy tökéletesen egyenletes eloszlású világegyetem létezne a csillagoknak és galaxisoknak nevezett csomók helyett.

Az már a korai világegyetem részleteitől függ, hogy ezeknek a csillagoknak és galaxisoknak a keletkezéséért felelős szabálytalanságok vezettek-e egyben jelentős számú ilyen ősi fekete lyuk létrejöttéhez. Ha tehát meg tudnánk állapítani, hogy mennyi ősi fekete lyuk van ma, sokat megtudnánk a világegyetem korai korszakáról. Egymilliárd tonna – egy nagy hegy tömegének megfelelő – nagyságú ősi fekete lyukat csak úgy észlelhetnénk, ha mérhetnénk a látható anyagra gyakorolt vagy – sok ilyen fekete lyuk esetén – a világegyetem tágulására kifejtett gravitációs hatását. Ám mint azt a következő előadásban látni fogjuk, a fekete lyukak nem is olyan feketék: egy forró testhez hasonlóan izzanak, és minél kisebbek, annál jobban fénylenek. Ezért meglepő módon a kis fekete lyukakat valószínűleg könnyebb megtalálni, mint a nagyokat.

Negyedik előadás

A FEKETE LYUKAK NEM IS OLYAN FEKETÉK

K

utatásaim 1970 előtt az általános relativitáselmélettel kapcsolatosan főleg a köré csoportosultak, hogy létezett-e a Nagy Bumm-szingularitás. De röviddel Lucy lányom születése után, november egyik estéjén lefekvés közben a fekete lyukakról kezdtem gondolkodni. Betegségem miatt a lefekvés nálam nagyon lassú folyamat, így sok időm volt. Ez idő tájt nem volt pontos meghatározás arra nézve, hogy a téridő mely pontjai vannak fekete lyukon belül és melyek kívül.

Előzőleg már megvitattam Roger Penrose-zal azt a meghatározást, hogy a fekete lyuk azon téridő-pontok halmaza, melyekből nem lehet egy messzi pontba elszökni. Ez nem az általánosan elfogadott elmélet. Ez azt mondja, hogy a fekete lyuk határát – az eseményhorizontot – azok a fénysugarak jelölik ki, melyek éppen nem képesek eltávolodni a fekete lyuktól. Ehelyett örökre a fekete lyuk határán bolyonganak, hasonlóan ahhoz, mintha a rendőrség elől menekülnénk, és mindig egy lépés előnyünk lenne, de nem tudnánk végleg elszakadni[21].

Hirtelen felismertem, hogy ezeknek a fénysugaraknak a pályája nem közeledhet egymás felé, mivel ellenkező esetben összefutnának. Ez viszont olyasmi, mintha valaki más is futna a rendőrség elől az ellenkező irányban, és így mindkettőnket elkapnának, azaz a jelen esetben, beesnénk a fekete lyukba. Viszont ha a fénysugarakat elnyeli a fekete lyuk, akkor nem képezhetik a fekete lyuk határát. Ezért az eseményhorizonton a fénysugarak párhuzamosan vagy egymástól távolodva mozognak.

Ezt másképpen úgy lehetne érzékeltetni, hogy az eseményhorizont, a fekete lyuk határa az árnyék széléhez hasonlít. Ez széle a nagy távolságokra eljutni képes fénynek, de egyúttal széle a fenyegető végzet árnyékának is. Ha ránézünk egy távoli test, például a Nap által kirajzolt árnyékra, akkor látjuk, hogy az árnyék szélén a fénysugarak nem közelítenek egymás felé. Amennyiben az eseményhorizontot, a fekete lyuk határát kirajzoló fénysugarak nem közeledhetnek egymáshoz, az eseményhorizont felülete az időben vagy állandó, vagy növekszik, de sohasem csökken, mivel ez azt jelentené, hogy legalább néhány, a határon levő fénysugár közeledik egymáshoz. Valójában a felület mindig növekedni fog, akárhányszor anyag vagy sugárzás esik a fekete lyukba.

Gondoljuk el, hogy két fekete lyuk ütközik egymással, és összeolvad egy fekete lyukká. Az új fekete lyuk eseményhorizontjának felszíne nagyobb lesz, mint a két eredeti fekete lyuk eseményhorizontjai felületének összege. Az eseményhorizont felületének ez a nem csökkenő tulajdonsága nagyon fontos megszorítást jelent a fekete lyukak viselkedésére nézve. Annyira izgatott lettem ettől a felfedezéstől, hogy aznap éjszaka alig jött álom a szememre.

Másnap felhívtam Roger Penrose-t, aki egyetértett velem. Őszintén szólva, azt hiszem, hogy ő már ismerte a felületeknek ezt a tulajdonságát. De a fekete lyuk egy kissé más meghatározását használta, így nem vette észre, hogy a kétféle meghatározás ugyanazt a határfelületet jelöli ki, amennyiben a fekete lyuk már egyensúlyi helyzetbe került.

A termodinamika

második főtétele

A fekete lyukaknak az a tulajdonsága, hogy felszínük nem csökken, nagyon hasonlít az entrópiának[22] nevezett fizikai mennyiséghez. Ez utóbbi a rendszer rendezetlenségét méri. Mindennapi tapasztalat, hogy a rendezetlenség mindig nő a magára hagyott rendszerben, nézzük csak például a karbantartás nélküli ház esetét. Csinálhatunk rendet a rendezetlenségből – például kifestjük a házat. Ez azonban energiafelhasználással jár, és így csökkenti az elérhető rendezett energia nagyságát.

Ennek a tapasztalatnak a pontos megfogalmazását a termodinamika második főtételeként ismerjük. Ez azt mondja ki, hogy a magára hagyott rendszer entrópiája sohasem csökken az időben. Továbbá, ha két rendszert összerakunk, akkor az együttes rendszer entrópiája nagyobb, mint a részrendszerek entrópiájának összege. Vizsgáljuk meg például egy dobozba zárt gáz molekuláit. A molekulákat elképzelhetjük kis biliárdgolyókként, melyek folytonosan ütköznek egymással és a doboz falával. Tételezzük fel, hogy kezdetben – egy közbenső fal miatt – az összes molekula az edény bal oldalán csoportosul. Ha a közbenső falat eltávolítjuk, akkor a molekulák elkezdenek átmenni a jobb térfélre, és mindkét térfelet betöltik. Egy későbbi időpontban ismét csoportosulhatnak akár a bal vagy akár a jobb térfélen is, azonban elmondhatatlanul nagyobb annak a valószínűsége, hogy durván egyenlő számban lesznek a két térfélen. Az ilyen állapot kevésbé rendezett – azaz rendezetlenebb, mint a kiinduló állapot, melyben az összes molekula csak az egyik térfélen helyezkedik el. Azt mondjuk hogy a gáz entrópiája megnőtt.

Hasonlóképpen vizsgálhatunk két dobozt, az egyikben oxigén, a másikban nitrogén molekulákkal. Ha a két dobozt összenyitjuk, a két gáz molekulái összekeverednek. Egy idő után a legvalószínűbb állapot az lesz, amikor a teljes térfogatban egyenletes az oxigén és a nitrogén keveredési aránya. Ez az állapot kevésbé rendezett, azaz nagyobb az entrópiája, mint a két külön doboz alkotta kezdeti állapoté.

A termodinamika második főtétele különleges helyzetű a többi természeti törvény között. A többi törvény, például a tömegvonzás Newton-törvénye, abszolút, azaz mindig érvényes. A második főtétel ezzel szemben statisztikus törvény, azaz nem mindig érvényes, csak az esetek túlnyomó többségében. Annak a valószínűsége, hogy a gázmolekulák valamikor a jövőben összesereglenek a doboz egyik szegletében, nagyon kicsi, egy a több milliószor millióhoz, de megtörténhet.

Ám ha egy fekete lyuk van a környéken, úgy tűnik, van egy egyszerűbb módja a második főtétel kijátszásának: dobjunk be egy jó nagy entrópiájú anyagot, például egy doboz gázt a fekete lyukba. A fekete lyukon kívüli anyag entrópiája ezzel csökkent. Természetesen még mondhatjuk, hogy a teljes entrópia, beleértve a fekete lyukon belüli entrópiát is, nem csökkent. Viszont – mivel nem tudunk belenézni a fekete lyukba – nem tudhatjuk, hogy mennyi entrópiája van az anyagnak a fekete lyukon belül. Éppen ezért nagyon hasznos lenne, ha a fekete lyuknak volna egy olyan tulajdonsága, amelynek segítségével a külső szemlélő is megtudhatná, hogy mekkora az entrópiája. És remélhetőleg tényleg azt látnánk, hogy ez az entrópia növekszik ha anyag hull a fekete lyukba.

Felfedezésem alapján – amely szerint a fekete lyuk felülete növekszik, amikor anyag hullik bele – Jacob Berkenstein princetoni kutatódiák azt javasolta, hogy az eseményhorizont felületét használjuk az entrópia mérésére. Ha entrópiát hordozó anyag hull a fekete lyukba, akkor az eseményhorizont felülete megnő olyan módon, hogy a külső és belső entrópiák összege sohasem csökken.

Ez az ötlet megmentené a termodinamika második főtételét attól, hogy sok esetben sérüljön. Volt azonban egy súlyos hiányossága: ha a fekete lyuknak van entrópiája, akkor hőmérséklete is kell hogy legyen. De egy nem nulla hőmérsékletű testnek sugároznia kell! Általános tapasztalat, hogyha a piszkavasat felhevítjük a tűzben, vörösen izzik és sugároz. Ám az alacsonyabb hőmérsékletű testek is sugároznak, legfeljebb nem vesszük észre, mivel a sugárzás mértéke jóval kisebb. A sugárzás szükségszerű a második főtétel értelmében, azaz a fekete lyuknak is sugároznia kell, azonban éppen meghatározása mondja ki, hogy a fekete lyukból nem jön ki semmi. Úgy tűnt tehát, hogy az eseményhorizont felülete mégsem tekinthető entrópiának.

1972-ben Brandon Carterrel és egy amerikai kollégámmal, Jim Bardeennel írtunk erről egy közös cikket, melyben rámutattunk: bár rengeteg hasonlóság van az entrópia és az eseményhorizont felülete között, az előbb vázolt probléma végzetes ahhoz, hogy azonosítsuk őket. Be kell vallanom, hogy a cikk megírásában erősen motivált a bosszúság. Úgy éreztem, Berkenstein visszaélt az eseményhorizont felületével kapcsolatos felfedezésemmel. De később kiderült, hogy alapvetően igaza volt, bár nem olyan módon, ahogyan gondolta.

A fekete lyuk sugárzása

1973 szeptemberében, moszkvai látogatásom alatt két vezető szovjet szakértővel, Jakov Zeldoviccsal és Alekszandr Sztarobinszkijjal a fekete lyukakról beszélgettünk. Meggyőztek, hogy a kvantummechanika határozatlansági elvének[23] megfelelően a forgó fekete lyukaknak részecskéket kell kelteniük és kisugározniuk. Magamévá tettem érvelésük fizikai alapjait, de nem tartottam meggyőzőnek a matematikai módszert, amellyel kiszámolták a sugárzást. Kidolgoztam egy jobb módszert, amelyet 1973 novemberében mutattam be egy informális szemináriumon Oxfordban. Akkor azonban még nem számoltam ki, hogy mennyi sugárzásnak is kell a fekete lyukat elhagynia. Arra számítottam, hogy megkapom Zeldovicsnak és Sztarobinszkijnak a forgó fekete lyukakra vonatkozó eredményét. Végül is elvégeztem a számolást, meglepetéssel és bosszúsággal észleltem, hogy a nyugalomban levő fekete lyukak is keltenek és sugároznak részecskéket.

Először arra gondoltam, hogy egyik alkalmazott közelítésem nem állja meg a helyét. Attól féltem, hogy ha Berkenstein tudomást szerez erről az eredményemről, akkor fel fogja használni arra, hogy alátámassza a fekete lyukak entrópiájáról vallott nézeteit, amelyeket én nem kedveltem. Ám minél többet gondolkodtam a dolgon, annál inkább úgy éreztem, hogy közelítésem jogos. Ami végül is meggyőzött arról, hogy a számolásom helyes, és a fekete lyuk valóban sugároz, az volt, hogy a kapott sugárzás eloszlása – színképe – pontosan megfelelt egy feketetest sugárzásának[24].

A fekete lyuk pontosan olyan mértékben sugárzott részecskéket, hogy a második főtétel ne sérüljön!

Azóta számolásaimat különböző formában számos kutató megismételte, és mindannyian megerősítették, hogy a fekete lyuknak részecskéket és sugárzást kell kibocsátania, mégpedig annak megfelelően, mintha egy fekete test lenne, melynek hőmérséklete a fekete lyuk tömegétől függ: minél nagyobb a tömeg, annál kisebb a hozzá tartozó hőmérséklet. A sugárzást a következő módon érthetjük meg: amit mi üres térnek gondolunk, az valójában nem üres, mivel akkor ott minden mező – mint például a gravitációs vagy elektromágneses mezők – pontosan nulla értéket venne fel. De a mező értéke és időbeli változásának gyorsasága hasonló egy részecske helyéhez és sebességéhez. A határozatlansági elv kimondja, hogy minél pontosabban ismerem az egyiket, annál pontatlanabbul ismerhetem csak a másikat.

Ezáltal az üres térben a mezők nem lehetnek nulla értékűek, mivel akkor a határozatlansági relációban szereplő mindkét mennyiség, a mező és változásának sebessége is nulla lenne, azaz nagyon pontos értéket venne fel. Ehelyett van a határozatlanságnak egy bizonyos minimuma, amely a mező kvantumfluktuációjában nyilvánul meg. Felfoghatjuk ezt a fluktuációt úgy, mint a fényhez vagy a gravitációhoz tartozó részecskepárt, melyek egyszer csak keletkeznek, aztán a részecskék eltávolodnak egymástól, majd újra összefutnak és megsemmisítik egymást. Ezeket a részecskéket virtuális részecskéknek[25] nevezzük. A valódi részecskékkel ellentétben ezeket nem tudjuk közvetlenül megfigyelni a részecskedetektorokkal, de közvetett hatásuk – például az elektronok energiájának kis változása az atomban – mérhető, és bámulatos pontossággal megegyezik az elméleti számolásokkal.

Az energiamegmaradás következtében a virtuális részecskepár egyik tagjának pozitív, másik tagjának negatív lesz az energiája[26]. A negatív energiájú rövid életre van kárhoztatva, mivel normális körülmények között a valódi részecskék mindig pozitív energiájúak. Éppen ezért a negatív energiájú virtuális részecskének meg kell találnia és meg kell semmisítenie a partnerét. Ugyanakkor a fekete lyuk belsejében levő gravitációs mező olyan erős, hogy még a valódi részecske is negatív energiájúvá válhat!

Éppen ezért lehetséges, hogy egy negatív energiájú virtuális részecske a fekete lyukba esve valódi részecskévé válik[27]. Ebben az esetben többé már nem kell megsemmisítenie partnerét, akár mindketten beleeshetnek a fekete lyukba. De mivel partnerének pozitív energiája van[28], valódi részecskeként akár el is távozhat a fekete lyuktól végtelen távolságra. A távoli megfigyelő számára ez a részecske olyannak tűnik, mint amit a fekete lyuk bocsátott ki. Minél kisebb a fekete lyuk, annál kevesebbet kell a negatív energiájú részecskének a fekete lyuk felé esnie, hogy valódi részecskévé váljon. Ezáltal a kisugárzás sebessége megnő, a fekete lyuk látszólagos hőmérséklete pedig magasabb lesz.

A kifelé irányuló sugárzás pozitív energiáját a fekete lyukba hulló negatív energiájú részecskék árama egyenlíti ki. Einstein híres egyenlete, az E=mc^2 alapján az energia egyenértékű a tömeggel. A negatív energiájú részecskék fekete lyukba irányuló árama ezért csökkenti annak tömegét. Ahogyan a fekete lyuk veszít a tömegéből, az eseményhorizontja csökken, azonban az entrópia ebből eredő csökkenését bőven pótolja a kibocsátott sugárzás entrópiája, és így a második főtétel sohasem sérül.

A fekete lyuk robbanása

Minél kisebb a fekete lyuk tömege, annál magasabb a hőmérséklete. Ezáltal ahogy a fekete lyuk veszít a tömegéből, hőmérséklete és a sugárzás sebessége növekszik. Hogy mi történik akkor, amikor a fekete lyuk tömege nagyon kicsivé válik, nem világos, csak találgatni tudunk. A legvalószínűbb, hogy teljesen megsemmisül egy hatalmas kitörésben, mely hidrogénbombák millióinak felrobbanásához hasonló. Egy néhányszoros naptömegű fekete lyuk hőmérséklete pusztán csak egy tízmilliomod fokkal van az abszolút nulla fölött. Ez jóval a világegyetemet betöltő mikrohullámú háttérsugárzás 2,7 fokos hőmérséklete alatt van[29]. Az ilyen fekete lyukak kevesebbet sugároznak ki, mint amennyit elnyelnek, még ha ez a sugárzás igen csekély is. Ha a világegyetem tovább tágul, a mikrohullámú háttérsugárzás hőmérséklete végül valamelyik ilyen fekete lyuk hőmérséklete alá csökken, és az több energiát fog veszíteni, mint amennyit elnyel, tehát tömege csökkenni kezd. De mivel a hőmérséklete roppant alacsony, 10^66 évig is eltart, mire teljesen elpárolog. Ez az idő sokkal hosszabb, mint a világegyetem kora, amely körülbelül 10^10 év.

Ugyanakkor, mint azt az előző előadásban láttuk, lehetnek sokkal kisebb tömegű ősi fekete lyukak, melyek a szabálytalanságok összeomlásából keletkeztek a korai világegyetemben. Ezeknek a fekete lyukaknak sokkal magasabb a hőmérséklete, és sokkal erősebben sugároznak. Egy egymilliárd tonna tömegű ősi fekete lyuk élettartama durván a világegyetem korával egyezik meg. Az ennél kisebb ősi fekete lyukak már régen elpárologhattak, azonban az ennél kicsit nagyobb tömegűek még mindig sugározhatnak a röntgen-vagy gamma-tartományban. Ezek is fényhullámok, csak jóval rövidebb hullámhosszal. Az ilyen fekete lyukak nem érdemlik meg a fekete jelzőt, valójában igen forrók, és tízezer megawatt teljesítménnyel szórják az energiát.

Egy ilyen fekete lyuk tíz nagy erőművet tudna üzemeltetni, ha be tudnánk gyűjteni sugárzását. Ez azonban meglehetősen bonyolult feladat: a fekete lyuk egy hegy tömegével rendelkezik, ami egy atommag méretére van összepréselve. Ha a Földön lenne egy ilyen fekete lyuk, semmi nem állítaná meg, hogy a padlót áttörve a Föld középpontja felé essen, majd sebessége következtében folytassa mozgását a Föld átellenes pontja felé, amíg le nem csillapodna a Föld középpontjában. Az egyetlen hely, ahova a fekete lyukat elhelyezhetjük, ha energiát akarunk belőle kinyerni, a Föld körüli pálya. Ide azonban csak úgy tudnánk elvonszolni, ha egy másik nagy tömeget mozgatnánk előtte, mely a gravitációs vonzásával irányítaná úgy, ahogy a szamár követi az orra elé lógatott répát. Ez a megoldás azonban gyakorlatilag nem látszik megvalósíthatónak legalábbis nem a közeljövőben.

Az ősi fekete lyukak keresése

Ha nem is tudjuk kinyerni az energiát az ősi fekete lyukakból, mégis jó volna tudni, hogyan észlelhetjük őket. Kereshetjük a gamma-sugarakat, melyeket ezek az objektumok életük nagy részében kibocsátanak. Bár mivel legtöbbjük igen messze van, és a belőlük jövő sugárzás ezért nagyon gyenge lehet, az összes ilyen fekete lyukból származó energiakibocsátás már észlelhető lehet. Valóban, a megfigyelések be is számolnak egy gamma-háttérsugárzásról, azonban ennek eredetéért valószínűleg más folyamatok felelősek. Mondhatjuk, hogy a gamma-háttérsugárzás adatai nem szolgáltatnak pozitív bizonyítékot az ősi fekete lyukak létére, de behatárolják mennyiségüket: legfeljebb háromszáz fekete lyuk lehet minden köbfényévben. Ez a világegyetem átlagos tömegsűrűségének legfeljebb egymilliomod részét teszi ki.

Mivel ilyen ritkák, valószínűtlennek tűnik, hogy lenne a közelünkben egy jól megfigyelhető ősi fekete lyuk. Mivel azonban a gravitáció az anyag közelébe tereli őket, a galaxisokban gyakoribbnak kell lenniük. Ha a galaxisokban milliószor gyakoribbak lennének, akkor a legközelebbi fekete lyuk tőlünk körülbelül egymilliárd kilométerre lenne, azaz olyan messze, mint a Plútó, a legkülső ismert bolygó. De még ebből a távolságból is igen nehéz észrevenni a fekete lyuk folytonos sugárzását, még ha tízezer megawattal is sugároz.

Az ősi fekete lyuk megnyugtató azonosításához arra van szükség, hogy sok gamma-sugarat észleljünk azonos irányból kellőképpen hosszú idő – mondjuk egy hét – alatt, és hogy meg tudjuk őket különböztetni a háttérsugárzástól. A gamma-sugaraknak azonban igen nagy a frekvenciájuk, következésképpen nagy az energiájuk, azaz még a tízezer megawatt teljesítmény esetén sem túl sok gammasugár hagyja el a fekete lyukat. Ahhoz, hogy ezeket meg tudjuk figyelni, az eddigieknél jóval nagyobb gammasugárzás-detektort kell építeni, ráadásul az űrbe kell telepíteni, mivel a gamma-sugarak nem jutnak át a Föld légkörén.

Természetesen, ha egy a Plútó távolságában levő fekete lyuk élete végéhez érkezne és felrobbanna, a végső sugárzáskitörést könnyű lenne észrevenni. Ha azonban a fekete lyuk a világegyetem keletkezése óta sugároz, annak az esélye, hogy pont mostanában ütne az órája, elég kicsi. Ugyanolyan valószínű, hogy ez néhány millió évvel ezelőtt már bekövetkezett, vagy csak néhány millió év múlva következik be. Ezért ha még a kutatási pályázatod lejárta előtt szeretnél látni egy ilyen kitörést, meg kell találni a módját, hogy egy fényévnél közelebbi robbanásokat tudjál észlelni. Továbbra is fennáll a probléma, hogy nagy detektort kell építeni, hogy számos gamma-fotont észlelhessünk. Ebben az esetben azonban nem ragaszkodunk annak kimutatásához, hogy ezek a fotonok ugyanabból az irányból jöttek; csupán azt kell látnunk, hogy elég kis időtartamon belül érkeztek meg. Így meggyőzhetjük magunkat arról, hogy egy kitörést láttunk.

Egy lehetséges gammasugárzás-detektor, mely képes lehet az ősi fekete lyukak kimutatására, a Föld teljes légköre (elég valószínűtlen, hogy ennél nagyobb detektort építenénk). Amikor a nagy energiájú gammasugárzás eltalál egy atomot a légkörünkben, akkor egy elektron-pozitron párt kelt. Amikor ezek a párok más atomokkal ütköznek, akkor újabb elektron-pozitron párokat keltenek, és ezzel egy úgynevezett elektronzáport kapunk. A végeredmény a Cserenkov-sugárzásnak nevezett fényfelvillanás. A gamma-fotonokat tehát úgy tudjuk észlelni, ha az éjszakai égbolton ilyen felvillanásokat tapasztalunk.

Természetesen más jelenségek is képesek felvillanásokat okozni – például a villámlás. Azonban a gammasugárzás okozta felvillanásokat meg lehet ezektől a jelenségektől különböztetni, ha a felvillanásokat két, egymástól kellő távolságban levő helyről figyeljük. Ilyen kísérletet két dublini tudós, Neil Porter és Trevor Weekes végzett, arizonai távcsövek segítségével. Számos felvillanást találtak, de egyiküket sem lehetett kétséget kizáróan az ősi fekete lyukakból származó gammakitöréssel azonosítani.

Még ha az ősi fekete lyukakkal kapcsolatos kutatás negatív eredményt is adna (erre jelenlegi tudásunk alapján nagy esély van), ez akkor is fontos információt ad számunkra a korai világegyetemről. Amennyiben a korai világegyetem kaotikus és szabálytalan volt, vagy az anyag nyomása kicsi volt, akkor sokkal több ősi fekete lyuknak kellett volna keletkeznie, mint amennyire a gamma-háttérrel kapcsolatos megfigyelések utalnak. Ha viszont a korai világegyetem nagyon sima és egyenletes volt, magas nyomással, az megmagyarázná, hogy miért nem vagyunk képesek ősi fekete lyukakat észlelni.

Az általános relativitáselmélet

és a kvantummechanika

A fekete lyuk sugárzása volt az első példa egy olyan elméleti következtetésre, mely egyszerre alapult az évszázad két nagy elméletére: az általános relativitáselméletre és a kvantummechanikára. Nagy ellenkezést is váltott ki, mivel ellentmondásban volt az addigi szemlélettel, amely szerint: „hogyan is lenne képes egy fekete lyuk bármit is kibocsátani?” Amikor először ismertettem számolásom eredményét az Oxford melletti Rutherford laboratóriumban rendezett konferencián, azt általános kétkedéssel fogadták. Előadásom végén az ülésszak elnöke, John G. Taylor, a londoni Kings College tagja azt állította, hogy állításom képtelenség, és még egy cikket is írt erről.

Végül azonban a szakemberek többsége – John Taylort is beleértve – elfogadta azt a következtetést, hogy ha az általános relativitáselméletről és a kvantummechanikáról alkotott elképzeléseink helyesek, akkor a fekete lyukak a fekete testekhez hasonlóan sugároznak. És bár még nem találtunk ősi fekete lyukat, ma már eléggé elfogadott, hogy ha találnánk, az rengeteg gamma-és röngtensugárzást bocsátana ki. Ha mégis találunk ilyen fekete lyukat, megkapom a Nobel-díjat.

A fekete lyukak sugárzása azt mutatja, hogy a gravitációs összeomlás mégsem olyan végzetes és megfordíthatatlan, mint azt régebben gondoltuk. Ha egy űrhajós beleesik a fekete lyukba, annak tömege megnő. Végső soron az ennek az extratömegnek megfelelő energiasugárzás formájában visszakerül a világegyetembe, és ebben az értelemben az űrhajós visszatér. Ez azonban a halhatatlanság elég sanyarú formája, mivel számára a személyes idő véget ér, ahogy eltűnik a fekete lyukban. Még a fekete lyuk által kibocsátott részecskék típusa is más lesz, mint amiből az űrhajós felépült. Az űrhajós egyetlen tulajdonsága, mely túléli a fekete lyukat, a tömege (energiája) lesz.

A közelítés, melyet kidolgoztam a fekete lyukakból jövő sugárzás kiszámítására, alkalmazható minden, a gramm törtrészénél nagyobb tömegű fekete lyukra, azonban biztosan nem működik a fekete lyuk életének végén, mikor annak tömege igen kicsi lesz. A legvalószínűbb fejlemény, hogy a fekete lyuk egyszerűen eltűnik, legalábbis a világegyetemünknek abból a részéből, ahol volt. Magával viheti űrhajósunkat és a benne levő szingularitást. Ez volt az első arra utaló jel, hogy a kvantummechanika megszüntetheti az általános relativitáselmélet által megjósolt szingularitást. De ez a módszer, amelyet 1974-ben másokkal együtt használtam, nem tudta megválaszolni azt a kérdést, hogy fellépnek-e szingularitások a kvantumgravitációban.

1975-ben ezért Feynman összegzési módszere alapján elkezdtem a kvantumgravitáció egy hatékonyabb megközelítésének kidolgozását. Hogy ebből mi következik a világegyetem kezdetére és sorsára nézve, azt a következő két előadásban mondom el. A kvantummechanika megengedi – mint látni fogjuk –, hogy a világegyetemnek kezdete legyen anélkül, hogy szingularitása lenne, azaz a fizika törvényei nem vesztik érvényüket a világegyetem kezdetén. A világegyetem állapotát és tartalmát, bennünket is beleértve, teljesen meghatározzák a fizika törvényei, a határozatlansági reláció adta határon belül. Ennyit a szabad akaratról.

Ötödik előadás

A VILÁGEGYETEM EREDETE ÉS SORSA

A

z 1970-es évek folyamán főleg a fekete lyukakkal kapcsolatban végeztem kutatásokat. 1981-ben azonban ismét fellángolt a világegyetem eredetével kapcsolatos érdeklődésem, miután részt vettem egy kozmológiai konferencián a Vatikánban. A katolikus egyház súlyos hibát követett el Galileivel szemben, amikor megpróbált tudományos kérdést eldönteni, kinyilvánítva, hogy a Nap kering a Föld körül. Most, századokkal később úgy döntött, hogy jobb meghívni néhány szakértőt, és megvitatni a kozmológiát.

A konferencia végén a résztvevőket audencián fogadta a pápa, aki kifejtette, hogy teljesen helyénvaló a világegyetem fejlődésének tanulmányozása a Nagy Bumm óta, de ne kutakodjunk a Nagy Bummban magában, mivel az a Teremtés pillanata, és éppen ezért Isten munkája.

Szerfölött örültem, hogy nem tudta, miről is beszéltem nemrég a konferencián. Nem szerettem volna Galilei sorsában osztozni. Minden szimpátiám Galileié, részben azért, mivel pontosan háromszáz évvel a halála után születtem.

A forró

Nagy Bumm-modell

Hogy elmondjam, miről is szólt az előadásom, először is át kell tekintenünk a világegyetem történetének általánosan elfogadott modelljét, a „forró Nagy Bumm”-modellt. Ez azt feltételezi, hogy a világegyetemet a Fridman-modell írja le, egészen a Nagy Bummig. Ezekben a modellekben ahogy a világegyetem tágul, az anyag és a sugárzás hőmérséklete ezzel arányosan hűl. Mivel a hőmérséklet pusztán a részecskék átlagos energiájának a mértéke, a világegyetem hűlésének fontos következménye van a benne levő anyagra nézve. Nagyon nagy hőmérsékleten a részecskék olyan gyorsan mozognak, hogy elszöknek a köztük levő mag-vagy elektromágneses erők vonzásától. Azonban ahogy lehűlnek, azt várjuk, hogy az egymást vonzó részecskék összetapadnak.

A Nagy Bumm idején a világegyetem nulla kiterjedésű volt, és ezért végtelen forrónak kellett lennie. De ahogy tágult, a sugárzás hőmérséklete csökkent. Egy másodperccel a Nagy Bumm után már tízmilliárd fokra csökkent. Ez körülbelül ezerszerese a Nap belsejében levő hőmérsékletnek de egy hidrogénbomba robbantása során elérhetünk ekkora hőmérsékletet. A világegyetem ekkor főleg fotonokból, elektronokból és neutrínókból, valamint ezek antirészecskéiből állt, egy kevés protonnal és neutronnal együtt.

Ahogy a világegyetem folytatta tágulását, és a hőmérséklet tovább csökkent, az elektron-pozitron párok keletkezésének üteme lelassult, és ezen párok megsemmisülése lett a domináns. A párok zöme megsemmisítette magát, miközben további fotonokat sugárzott szét, és végül viszonylag kevés elektron maradt.

Körülbelül száz másodperccel a Nagy Bumm után a hőmérséklet egymilliárd fokra csökkent, ami a legforróbb csillagok belsejének hőmérséklete. Ekkor a proton és neutron már nem tudnak kiszabadulni a magerők vonzásából, és elkezdenek összeállni deuteronná, vagy más néven a nehézhidrogén magjává, mely egy protonból és egy neutronból áll. Ez aztán további protonokat és neutronokat fog be, és a hélium magja áll elő, mely két protonból és két neutronból áll. Kis mennyiségben előfordulnak még nehezebb elemek is, lítium-és berilliummagok.

Ki lehet számolni, hogy a forró Nagy Bumm-modellben a protonoknak és neutronoknak körülbelül egynegyede alakul át héliummaggá, nehézhidrogén és más elem magjává. A maradék neutronok protonokká, a hidrogénatom magjává bomlanak. Ezek az eredmények igen jól egyeznek a megfigyelésekkel.

A forró Nagy Bumm-modellből továbbá az is következik, hogy látnunk kell a világegyetem korábbi állapotából itt maradt sugárzást, melynek hőmérséklete a tágulás következtében azóta néhány foknyira csökkent. Ez a magyarázata az 1965-ben Penzias és Wilson által felfedezett mikrohullámú háttérsugárzásnak. Éppen ezért teljesen magabiztosak vagyunk abban, hogy megfelelő képünk van a világegyetemről, legalábbis a Nagy Bumm első másodpercéig visszamenőleg. A Nagy Bumm után pár órával a hélium és a többi elem képződése leáll, és ezek után a következő néhány millió évben a világegyetem csak tágul anélkül, hogy bármi érdekes történne. Amikor a hőmérséklet néhány ezer fokra hűl, az elektronok és a magok már nem tudnak kiszökni az elektromágneses vonzás alól, és elkezdődik az atomok képződése.

A világegyetem egésze továbbra is folytatja a tágulást és a hűlést. Vannak azonban tartományok, melyek kicsit sűrűbbek az átlagosnál, és bennük a tágulás a gravitációs vonzás miatt lecsökken, némelyikükben leáll, és elkezdődik az összehúzódás. Összehúzódásuk során a környező anyag gravitációs vonzása elkezdi forgatni ezt az anyaghalmazt, és a forgás sebessége a további összehúzódással felgyorsul – miképpen a forgó korcsolyázó is felgyorsul, ha behúzza a két karját. Egy idő után, amikor már elég kicsire húzódott össze, és a forgás elég gyors ahhoz, hogy ellensúlyozza a gravitációs vonzást, megszületik a korongszerű, forgó galaxis.

Az idő további haladtával a galaxisban levő gáz kisebb felhőkre esik szét, melyek gravitációs vonzásuk alatt összehúzódnak, miközben hőmérsékletük megnő, egészen addig, míg kellően forró nem lesz ahhoz, hogy beinduljon benne a magfúzió, mely a hidrogént héliummá alakítja át, miközben megnöveli a gáz nyomását, ezzel megállítva a további összehúzódást. Az így született csillag, mint a Nap, sokáig megmarad ebben az állapotában, hidrogént égetve héliummá, és szétsugározva energiáját hő és fény formájában.

A nagyobb tömeggel rendelkező csillagoknak nagyobb hőmérsékletre kell felfűteni magukat, hogy ellensúlyozzák nagyobb gravitációs vonzásukat. Ez viszont jelentősen felgyorsítja a magreakciókat, és így azok már százmillió év alatt felélik hidrogénkészletüket. Ezek után újra összehúzódnak, ami tovább emeli a hőmérsékletüket, mely kellően magas lesz a hélium elégetéséhez nehezebb elemekké, mint például a szén vagy az oxigén, és a folyamat végén válság lép fel, ahogyan azt a fekete lyukakról szóló előadásomban vázoltam.

Hogy ezek után mi történik, az nem teljesen világos, de igen valószínű, hogy a csillag központi része nagyon nagy sűrűségű testté esik össze, mint amilyen egy neutroncsillag vagy egy fekete lyuk. A csillag külső részét egy hatalmas, szupernóvának nevezett robbanás kidobja az űrbe. A szupernóva olyan fényesen fénylik fel az égen, hogy elhomályosíthatja a galaxis összes csillagát. A csillag életének utolsó időszakában keletkezett nehezebb elemek[30] kijutnak a gázzal együtt a galaxisba, és a következő csillag építőanyagául szolgálnak.

Napunk ezeket a nehezebb elemeket körülbelül két százalékban tartalmazza, mivel másod-vagy harmadgenerációs csillag. Hozzávetőleg ötmilliárd éve keletkezett, egy előző szupernóva-robbanás törmelékét tartalmazó forgó gázfelhőből. A felhő nagy része a Napot alakította ki, illetve a Nap belobbanásakor az űrbe távozott. Azonban a felhő egy kisebb, nehezebb elemeket tartalmazó része kialakította a Nap körül keringő égitesteket, például a Föld nevű bolygót.

Nyitott kérdések

A világegyetemnek ez a képe, amely szerint roppant forró volt születésekor, és tágulása közben lehűlt, összhangban van minden eddigi megfigyelésünkkel, azonban megválaszolatlanul hagy egy sor fontos kérdést. Először is, miért volt a korai világegyetem olyan forró? Másodszor is, miért olyan egyenletes a világegyetem nagy skálán – miért néz ki ugyanúgy minden irányban, tetszőleges helyről nézve?

Harmadszor pedig, miért kezdett el a világegyetem pont a kritikus (vagy ahhoz nagyon közeli) sebességgel tágulni, amivel elkerülheti a végső összeesést? Ha a tágulás sebessége a Nagy Bumm utáni első másodpercben akárcsak egy százmillió-milliárdod részével kisebb lett volna, a világegyetem már rég összeomlott volna, mielőtt mai állapotát elérte volna. Ha viszont ugyanekkora hányaddal gyorsabb lett volna a tágulás, akkor az annyira felgyorsult volna, hogy mára már csak az üres űr maradt volna.

Annak ellenére, hogy a világegyetem olyan egyenletes és homogén nagy skálán, tartalmaz helyi – galaxisoknak és csillagoknak nevezett – csomósodásokat. Ezekről azt gondoljuk, hogy a korai világegyetem kis sűrűségingadozásaiból alakultak ki. Mi volt az oka ezeknek a sűrűségingadozásoknak?

Az általános relativitás elmélete önmagában nem képes leírni ezeket a jelenségeket vagy megválaszolni a kérdéseket, mivel az elmélet szerint a világegyetem végtelen sűrűségű szingularitásból indult el, ahol viszont a fizika törvényei, beleértve az általános relativitáselméletet, érvényüket vesztik. Ahogy már rávilágítottam, nyugodtan megfeledkezhetünk a Nagy Bumm előtti eseményekről, mivel azoknak nem lehet hatásuk a mai megfigyelésekre. A téridőnek határa van – a Nagy Bumm-mal kezdődik. Miért keletkezett a világegyetem a Nagy Bummkor olyan módon, hogy az a mai megfigyelhető állapothoz vezet? Miért olyan egyenletes a világegyetem, és miért tágul az összeomlást elkerülő kritikus értékkel? Sokkal boldogabbak lennénk, ha meg tudnánk mutatni, hogy számos különböző kezdeti konfiguráció is a mai megfigyelhető világegyetemmé fejlődne.

Ha ez a helyzet, akkor egy véletlenszerű kezdeti feltételekből kialakult világegyetemnek tartalmaznia kell olyan tartományokat, melyek megegyeznek a megfigyeléseinkkel. De lehetnek olyan tartományok is, melyek gyökeresen különbözőek, azonban ezek valószínűleg nem alkalmasak galaxisok és csillagok kialakulására, ami lényeges előfeltétele az intelligens élet kifejlődésének, legalábbis mai tudásunk szerint. Azaz, az ilyen tartományokban nincsen értelmes lény, mely megfigyelné azokat.

Amikor kozmológiáról beszélünk, figyelembe kell venni azt a kiválasztási szabályt, hogy a világegyetem olyan tartományában élünk, melyben kifejlődött az intelligens élet. Ezt az egészen nyilvánvaló és alapvető megfontolást időnként antropikus elvnek nevezik. Tételezzük fel azonban másfelől, hogy a világegyetem kezdeti állapota igen alaposan lett kiválasztva, hogy a mai helyzetet lássuk. Ekkor azonban igen valószínűtlen lenne, hogy a világegyetemben egyáltalán legyen egy olyan hely, ahol élet alakulhatott ki.

Az előbb vázolt forró Nagy Bumm-modellben a korai világegyetemben nem állt rendelkezésre kellően hosszú idő ahhoz, hogy a hő átfolyjon az egyik tartományból a másikba. Azaz a világegyetem különböző tartományaiban a hőmérsékletnek pontosan ugyanakkora értékről kellett indulnia, hogy számot adhassunk a mikrohullámú háttérsugárzás irányfüggetlenségéről. Továbbá, a világegyetem kezdeti tágulási ütemét roppant pontosan kellett megválasztani annak elkerülésére, hogy az idő előtt összeomoljon. Ha a forró Nagy Bumm-modell helytálló egészen az idő kezdetéig, akkor a világegyetem kezdeti állapotát valóban nagyon gondosan kellett megtervezni. Ez esetben nagyon nehéz lenne megmagyarázni, hogy miért éppen így keletkezett a világegyetem, kivéve, ha Isten művének tekintjük, melynek célja az, hogy minket létrehozzon.

Az inflációs modell

Hogy kikerüljük a forró Nagy Bumm-modellnek a korai világegyetemmel kapcsolatos problémáit, Alan Guth a Massachusetts Institute of Technology-ból új modellt javasolt. Ebben több, különböző kezdeti feltétel is a mai világegyetemmé fejlődhet. Azt javasolta, hogy a korai világegyetemben tételezzünk fel egy olyan időszakot, amikor az nagyon gyorsan – exponenciálisan – tágult. Ezt a tágulást nevezzük inflációnak – mivel hasonlít a valamilyen formájában minden országban előfordult árinflációhoz. Az infláció világrekordja valószínűleg a második világháború utáni Németországban volt, amikor a kenyér ára néhány hónap alatt a márka alatti értékéről felszökött több millió márkára. A világegyetem méretének inflációja még ennél is sokkal nagyobb lehetett – millió millió millió millió milliószorosára nőtt a másodperc törtrésze alatt. Persze ez nem a mostani kormány alatt volt. Guth azt feltételezte, hogy világegyetem a Nagy Bummból indult, nagyon forró állapotban. Ilyen nagy hőmérsékleten azt várjuk, hogy az erős, a gyenge és az elektromágneses kölcsönhatás egységesen jelenik meg. A világegyetem a tágulása során lehűl, és a részecskék (mozgási) energiája csökkent. Egy idő után bekövetkezik egy fázisátalakulás, és az erők közötti szimmetria megbomlik. Az erős kölcsönhatás elkülönül a gyengétől és az elektromágnesestől. A fázisátalakulás jellegzetes példája a víz fagyása. A folyékony víz szimmetrikus, minden irányban ugyanolyan. A jég ezzel szemben kristályos szerkezetű, és meghatározott irányok mentén épül fel, ezzel megtörve a víz szimmetriáját.

A vizet, ha elég óvatosak vagyunk túl lehet hűteni, azaz a hőmérsékletét le lehet csökkenteni 0° fok, a fagyáspont alá, anélkül, hogy jéggé alakulna[31]. Guth azt tételezte fel, hogy a világegyetem hasonló módon viselkedett: a hőmérséklet a kritikus érték alá hűlt, de az erők közötti szimmetria még megmaradt Ezzel a világegyetem instabil állapotba került, melynek az energiája nagyobb, mint a (szimmetria)sértett fázisé. Ennek a fölös energiának olyan hatása van, mintha antigravitáció lenne, és úgy viselkedik, mint a kozmológiai állandó[32].

Einstein akkor vezette be a kozmológiai állandót az általános relativitáselméletbe, amikor a világegyetem statikus modelljét akarta felépíteni. A ma elfogadott mérések szerint azonban a világegyetem tágul. A kozmológiai állandó taszító hatása éppen ezért egyre növeli a tágulást. Még azokban a tartományokban is, ahol több anyag volt, mint másutt, az anyag gravitációs vonzását elmossa az effektív kozmológiai állandó taszító hatása. Ezáltal ezek a tartományok is a gyorsuló inflációs módon tágulnak.

Ahogy a világegyetem tágult, az anyagi részecskék egyre messzebbre kerültek egymástól, és olyan világegyetem jött létre, melyben alig fordult elő anyag, és még mindig túlhűtött állapotban volt, melyben az erők közti szimmetriák még fennálltak. A tágulás elsöpörte az addigi esetleges szabálytalanságokat, hasonlóan ahhoz, ahogyan egy felfújódó léggömbön eltűnnek a gumi ráncai. Ezáltal a jelenlegi sima és egyenletes világegyetem számos különböző, nem szabályos kezdeti feltételből is kialakulhatott. Az infláció továbbá önműködően beállítja a világegyetem tágulási sebességét a kritikus értékre, mely éppen megakadályozza a végső összeomlást.

Az infláció elmélete ezenkívül azt is megmagyarázza, hogy miért van olyan sok anyag a világegyetemben. Az általunk megfigyelhető régióban körülbelül 10^80 részecske van. Honnan jöttek ezek a részecskék? A kvantumtérelmélet szerint részecskék keletkezhetnek energiából, részecske-antirészecske pár formájában. Ez azonban felveti a kérdést, hogy honnan van az energia? A válasz az, hogy a világegyetem teljes energiája nulla.[33]

A világegyetemben levő anyag pozitív energiából áll, ugyanakkor az anyagi részecskék mind vonzzák egymást. Két kellően közel levő anyagdarabnak kisebb az energiája, mintha távol lennének egymástól, mivel elválasztásukhoz energiát kell velük közölni, dolgoznunk kell a köztük ható gravitációval szemben. Ebben az értelemben a gravitációs mezőnek negatív energiája van. Az egész világegyetem esetében ez a negatív gravitációs energia pontosan fedezi az anyag pozitív energiáját, és a világegyetem teljes energiája nulla.

Na már most, kétszer nulla az még mindig nulla. A világegyetem meg tudja kétszerezni a pozitív energiatartalmát, miközben megduplázza a negatív gravitációs energiát anélkül, hogy sértené az energiamegmaradás elvét. Ez nem következhet be a normálisan táguló világegyetemben, ahol az anyagsűrűség csökken, ahogy a világegyetem mérete nő. Inflációs tágulás esetében azonban ez megtörténhet, mivel a túlhűtött állapot energiasűrűsége állandó marad a tágulás folyamán. Amikor a világegyetem megduplázza a méretét, mind a pozitív energiájú anyag, mind a negatív gravitációs energia megduplázódik, és a teljes energia nulla marad. Az infláció során a világegyetem roppant nagy mértékben megnő, így a részecskekeltésre fordítható összes energia nagyon nagy lesz. Ahogyan Guth megjegyezte: „Mondják, hogy nincsen ingyen ebéd. De a világegyetem az igazi ingyen ebéd.”

Az infláció vége

Manapság a világegyetem nem inflációs módon tágul, ezért kell lennie egy olyan folyamatnak, mely megszünteti az inflációra jellemző nagyon nagy effektív kozmológiai állandót, és megváltoztatja a tágulás ütemét az erősen gyorsuló tágulásból a jelenre jellemző gravitációs vonzás miatt lassuló tágulássá[34]. Ahogy a világegyetem tágult és hűlt, előbb-utóbb a kölcsönhatások közötti szimmetria megsérült, mint ahogy a túlhűtött folyadék is előbb-utóbb megfagy. A szimmetrikus állapot fölös energiája ezek után felszabadul, és újra felfűti a világegyetemet, mely ezek után tovább tágul és hűl, úgy, mint a forró Nagy Bumm-modellben. De most már értjük, hogy miért tágul pontosan a kritikus sebességgel, és miért van a különböző tartományoknak azonos hőmérséklete.

Guth eredeti elméletében a sértett szimmetriájú fázisba való átalakulás hirtelen zajlott volna le, hasonlóan a jégkristályok kialakulásához a nagyon hideg vízben. Az új, sértett fázis „buborékjai” a régi fázisban képződnek, hasonlóan ahhoz, ahogy a gőzbuborékok a forrásban levő vízben. Ezek után a buborékok megnőnek és összeolvadnak egymással, amíg a teljes világegyetem már csak az új fázisból áll. A probléma ezzel az elképzeléssel az – mint arra másokkal együtt én is rámutattam –, hogy a világegyetem olyan gyorsan tágul, hogy a buborékok inkább távolodnak egymástól, mintsem elérnek egymást. A világegyetem egy nagyon nem egyenletes állapotban marad, egyes részeiben még mindig megvan a szimmetria a különböző kölcsönhatások között. Ez a kép nem felel meg annak, amit látunk.

1981 októberében Moszkvában voltam egy kvantumgravitációval foglalkozó konferencián. A konferencia után szemináriumot tartottam a Sternberg Csillagászati Intézetben az inflációs modellről és annak problémáiról. A hallgatóságban foglalt helyet egy ifjú orosz kutató, Andrej Linde, aki azt mondta, hogy a buborékok egyesülésének problémája megoldódik, ha a buborékok elég nagyok. Ebben az esetben a világegyetem azon tartománya, melyben vagyunk, egy buborékot töltene ki. Ahhoz, hogy ez megvalósuljon, a szimmetrikus fázisból a sértett fázisba való átmenetnek a buborékban nagyon lassan kellett végbemennie, de ez viszont elég valószínű a nagy egyesített elmélet szerint.

Linde ötlete a szimmetria lassú sérüléséről igen jó volt, azonban rámutattam, hogy buborékjai méretének keletkezésükkor nagyobbnak kell lennie a világegyetem méreténél. Elmagyaráztam, hogy a szimmetria inkább mindenütt sérül, mintsem csak a buborékon belül, és ez a megfigyeléseinkkel egyező egyenletes világegyetem képéhez vezet. A szimmetria lassú sérülésének modellje jó próbálkozás volt annak magyarázatára, hogy miért ilyen a világegyetem, azonban – mint azt másokkal együtt megmutattam – a megfigyeltnél jóval nagyobb ingadozásokat ad a mikrohullámú háttérsugárzásra. A későbbi munkák azt is megkérdőjelezték, hogy a megfelelő rendű fázisátalakulással számol-e ez a modell. 1983-ban Linde bevezetett egy jobb modellt, a kaotikus infláció modelljét, mely nem függ a fázisátalakulástól, és a mikrohullámú háttérsugárzásra a megfelelő ingadozásokat is adja. Az inflációs modell megmutatta, hogy a világegyetem jelenlegi állapota elég nagy számú, különböző kezdeti feltételből állhatott elő, azonban nem arról van szó, hogy minden kezdeti állapot a mai világegyetemhez vezetne. Éppen ezért az inflációs modell sem mondja meg nekünk, hogy miért volt a kezdeti állapot olyan, hogy a ma megfigyelt világegyetem keletkezzen belőle. Ismét az antropikus elvhez kell nyúlnunk a magyarázatért? Lehet, hogy pusztán szerencsénk volt? Ez igen kétségbeejtő lenne, mivel meghiúsítaná a reményt, hogy megérthetjük a világegyetem rendjét.

Kvantumgravitáció

Ahhoz, hogy megértsük, hogyan kezdődött a világegyetem fejlődése, olyan törvényeket kell találnunk, melyek érvényesek voltak az idő kezdetén. Ha az általános relativitás klasszikus elmélete igaz, a szingularitás elmélete megmutatta, hogy az idő kezdete a végtelen sűrűség és görbület pontja lenne, ahol a tudomány minden ismert törvénye érvényét veszti. Feltételezhetnénk, hogy vannak új törvények, melyek érvényesek a szingularitásban, de igen nehéz lenne egy ilyen rosszul viselkedő pontra azokat felírni, azon kívül semmilyen támpontunk sincs, hogy miként is néznének ki azok a törvények. De a szingularitási elmélet szerint valójában a gravitációs mezők olyan erősek lesznek, hogy a kvantumeffektusok fontossá válnak: a klasszikus elmélet többé nem jó a világegyetem leírására. Ezért az igen korai állapot leírására a gravitáció kvantumelméletét kell használni. Mint látni fogjuk, a kvantumelméletben a fizika törvényei bárhol érvényben maradnak, beleértve az idő kezdetét is. Nincs szükség új törvények felállítására a szingularitásban, mivel a kvantumelméletben nincsenek szingularitások.

Még nincsen kész és konzisztens elméletünk, mely egyesítené a kvantummechanikát és a gravitációt. Azonban bizonyosak vagyunk néhány olyan tulajdonságban, melyet egy ilyen elméletnek hordoznia kell. Az egyik, hogy magában kell foglalnia Feynman javaslatát, amely szerint a kvantumelmélet felépíthető az összes lehetséges állapot hatását figyelembe vevő összegekkel. Ebben a megközelítésben egy A pontból a B pontba menő részecskének nemcsak egy, egyedi története van – mint azt a klasszikus elméletben megszoktuk –, hanem minden lehetséges pályát kipróbál a téridőben. Minden egyes történelmi pillanathoz tartozik néhány szám, mely leírja a hullám nagyságát, és egy másik, mely leírja a ciklusban elfoglalt helyzetét – a fázisát[35].

Annak a valószínűsége, hogy a részecske egy adott ponton átmegy, úgy áll elő, hogy összeadjuk az összes hullámot, melyek az adott ponton átmenő különböző pályához tartoznak. Amikor valaki valójában megkísérli kiszámolni ezt a sort, súlyos technikai problémába botlik, mely a következő, furcsa paranccsal oldható meg: a részecske történetét leíró azon hullámokat kell összeadni, melyek nem a szokásos valós időben történnek, hanem a képzetes időben.

A képzetes idő tudományos-fantasztikus ötletnek tűnik, holott valójában igen jól meghatározott matematikai fogalom. Annak érdekében, hogy elkerüljük a technikai problémákat, a Feynman-pályaösszeget a képzetes időben kell venni. Ennek igen érdekes következménye van a téridőre nézve: a tér és idő közötti megkülönböztetés teljesen eltűnik. Az olyan téridőt, melyben az események képzetes időkoordinátával rendelkeznek euklideszinek nevezzük mivel benne a mérték pozitív definit[36].

Az euklideszi téridőben nincs különbség a tér-és időirányok között. Ezzel szemben a valós téridőben, ahol az eseményeket a valódi idejükkel jelöljük, könnyű észrevenni a különbséget. Az idő iránya a fénykúpon belül, a tér iránya azon kívül esik. A képzetes idő használatát gondolhatjuk pusztán matematikai eszköznek – trükknek –, melynek segítségével ki tudjuk számolni a válaszokat a valós téridőben. De lehet, hogy ennél több van benne. Lehet, hogy az euklideszi téridő az alapvető fogalom, és amit a téridőről gondolunk az pusztán a képzeletünk szüleménye.

Amikor alkalmazzuk Feynman pályaösszegét a világegyetemre, akkor a részecske pályájának megfelelője a teljes téridő lesz, mely a teljes világegyetem történetét mutatja. Az előbbiek alapján technikai okokból ezt a téridőt euklideszinek kell vennünk, azaz az idő képzetes, és megkülönböztethetetlen a tértől. Egy valós, bizonyos tulajdonságokkal rendelkező téridő előfordulásának valószínűségét úgy számoljuk ki, hogy összeadjuk az ugyanilyen tulajdonságú képzetes idejű hullámokat, és ebből kidolgozhatjuk a világegyetem valószínű történetét a valós időben.

Határtalan feltétel[37]

A gravitáció valós téridőn alapuló klasszikus elméletében a világegyetem csak kétféleképpen viselkedhet. Vagy végtelen ideje létezik, vagy véges idővel ezelőtt egy szingularitásban volt kezdete. Valójában a szingularitás-elmélet azt mutatja, hogy ez utóbbi lehetőség valósult meg. A gravitáció kvantumelméletében azonban előáll egy harmadik lehetőség. Mivel euklideszi téridőt használunk, melyben az időt a térrel teljesen hasonlatosan kezeljük, lehetségessé válik, hogy a téridő véges legyen kiterjedésben, és mégse legyen szingularitás benne, mely a határát jelezné. A téridő olyan lesz, mint a Föld felszíne, csak kettővel több dimenzióban. A Föld felszíne véges méretű, még sincs határa. Ha napnyugat felé elhajózunk, nem esünk le a világ végén, vagy futunk bele egy szingularitásba. Tudom, mivel már megkerültem a Földet.

Ha az euklideszi téridő visszanyúlik a végtelen képzetes időre vagy szingularitással kezdődik, ugyanaz a problémánk lenne a világegyetem kezdeti állapotának megadásával, mint a klasszikus elméletben. Isten tudhatja, hogyan keletkezett a világegyetem, de nekünk nincsen semmi érvünk arra nézve, hogy miért így, és nem amúgy keletkezett. Ugyanakkor a kvantumgravitáció egy új lehetőséget biztosít, melyben a téridőnek nincsenek határai, és ezért nem is kell megmondani viselkedését a határokon. Nem lesznek szingularitások, melyekben a tudomány törvényei sérülnének, és nem lesznek a téridőnek határai, ahol Istenhez vagy új törvényekhez kellene fordulnunk, hogy kitaláljuk a határfeltételeket. Mondhatnánk, hogy a világegyetem határfeltétele az, hogy nincs határ. A világegyetem teljesen öntörvényű, és semmi rajta kívüli nem befolyásolja. Nem teremtődött és nem pusztul el, pusztán csak van.

Éppen a vatikáni konferencián történt, hogy először felvetettem annak lehetőségét, hogy a tér és az idő olyan felületet alkot, mely véges méretű, de nincsen határa. Cikkem eléggé matematikai volt, és szerencsémre a javaslat következményeit – már ami Istennek a világegyetem teremtésében betöltött szerepét illeti – nem vették észre. A vatikáni konferencia idején még nem tudtam, hogyan lehet a határnélküliséget felhasználni arra, hogy állításokat tehessünk a világegyetemmel kapcsolatban. A következő nyarat azonban Santa Barbarában, a Californiai Egyetemen töltöttem, ahol barátommal és kollégámmal, Jim Hartle-lal kidolgoztuk, hogy milyen feltételeket kell a világegyetemnek teljesítenie, ha a téridőnek nincsen határa.

Hangsúlyozni szeretném, hogy az az ötlet, hogy a tér és az idő véges lenne határok nélkül, pusztán egy javaslat. Nem lehet levezetni semmilyen más elvből. Akárcsak bármelyik más tudományos elmélet, melyet kezdetben pusztán csak esztétikai vagy metafizikai okokból vezetnek be, aszerint állja ki a valódi próbát, hogy tud-e olyan következtetéseket levonni, melyek egyeznek a megfigyelésekkel. A kvantumgravitáció esetében azonban ezt nehéz megállapítani, mégpedig két okból is. Először is annak ellenére, hogy elég sokat tudunk az elmélet lehetséges alakjáról, még nem tudjuk pontosan, hogy milyen elmélet kombinálja össze sikeresen a kvantummechanikát és a gravitációt. Másodszor pedig bármely, a teljes világegyetemet részletesen leíró modell túlságosan bonyolult matematikailag ahhoz, hogy abból pontos következtetéseket vonjunk le. Éppen ezért közelítéseket kell alkalmaznunk, de még akkor is kemény dió marad a következtetések levonása.

A határnélküli feltétel segítségével azt látjuk, hogy a legtöbb, a világegyetem lehetséges történelmi fejlődését leíró lehetőség elhanyagolható valószínűségű. Azonban van a történelmeknek egy családja, mely sokkal valószínűbb, mint a többiek. Ezeket a történelmeket úgy képzelhetjük el, mint a Föld felszínét, ahol az Északi-sarktól mért távolság felel meg a képzetes időnek, a szélességi körben megfelelő kör mérete pedig a térbeli méretnek. A világegyetem az Északi-sarkból, egy pontból indul. Ahogy dél felé haladunk, a szélességi körök egyre nagyobbak lesznek, annak megfelelően, hogy a világegyetem tágul a képzetes időben. A világegyetem legnagyobb méretét az Egyenlítőnél éri el, majd összehúzódik a Déli-sarkon található pontba. Annak ellenére, hogy az Északi-és a Déli-sarkon a világegyetemnek nulla a mérete, ezek a pontok ugyanúgy nem szingulárisak mint ahogy a Földön az Északi-és a Déli-sark sem szinguláris. A tudomány törvényei érvényesek lesznek a világegyetem kezdetén is, ugyanúgy, ahogy a Föld Északi-és Déli-sarkán is.

A világegyetem történelme valós időben azonban teljesen máshogy fog kinézni. Úgy tűnik, hogy egy minimális méretből indul, mely méret megegyezik a képzetes időbeli legnagyobb mérettel. Ezek után az inflációs modellhez hasonlóan tágul, de most nem kell feltételeznünk, hogy a világegyetem éppen a megfelelő állapotban keletkezett. A világegyetem nagyon nagy méretekig tágul, de végül összeomlik valamibe, ami a valós időben szingularitásnak látszik. Ebben az értelemben mégsem kerülhetjük el végünket, még ha távol is maradunk a fekete lyukaktól. Csak amennyiben a képzetes időben tudnánk leírni a világegyetemet, kerülhetnénk el a szingularitást.

A klasszikus általános relativitáselmélet szingularitási elve megmutatta, hogy a világegyetemnek kell hogy legyen kezdete, és ezt a kvantumelmélet írja le. Ez utóbbi viszont azt az ötletet sugallja, hogy a világegyetem véges lehet képzetes időben, határ, illetve szingularitás nélkül. De amikor visszatérünk a valós időbe, melyben élünk, mégiscsak megjelennek szingularitások. A szerencsétlen űrhajós, aki beleesik a fekete lyukba, mégiscsak kellemetlen véget ér. Csak ha a képzetes időben tudna élni, kerülhetné el a szingularitásokat.

A fentiek azt sugallják, hogy az úgynevezett képzetes idő az alapvető idő, és amit valós időnek nevezünk, az pusztán agyunk szüleménye. Valós időben a világegyetemnek kezdete és vége van a szingularitásokban, melyek kijelölik határait, és ahol a tudomány törvényei érvényüket vesztik. Képzetes időben azonban nincsenek se szingularitások, se határok. Lehet, hogy amit képzetes időnek hívunk, az sokkal alapvetőbb, mint amit valós időnek hívunk, és azért találtunk ki, hogy segítsen leírni nekünk azt, amit a világegyetemnek gondolunk. De az első előadásban vázolt megközelítés alapján a tudományos elmélet pusztán csak egy matematikai modell, mellyel megpróbáljuk leírni megfigyeléseinket. Pusztán az elménkben létezik. Ezért nincsen semmi értelme megkérdezni, hogy melyik a valóságos idő, a képzetes vagy a valós. Ez pusztán annak kérdése, hogy melyik adja a hasznosabb leírást.

Úgy tűnik, a határnélküliség javaslatából az következik, hogy valós időben a világegyetem az inflációs modell szerint fejlődik. Különösen érdekes kérdés, hogy mekkorák lehettek a korai világegyetemben az egyenletes sűrűségtől való eltérések. Azt gondoltuk, hogy ezek vezetnek először a galaxisok, majd a csillagok, és végül a hozzánk hasonló lények kialakulásához. A határozatlansági elv szerint a korai világegyetem nem lehetett tökéletesen egyenletes, hanem a részecskék helyzetében és sebességeikben fluktuációnak kellett lennie. A határnélküliség feltételéből következik, hogy a világegyetem a legkisebb, a határozatlansági reláció által megengedhető fluktuációkkal indult el fejlődésében.

A világegyetem ezek után átesett egy gyors tágulási időszakon, az inflációs modellekhez hasonlóan. Ebben az időszakban a kezdeti egyenetlenségek felerősödtek egészen addig, amíg már kellően nagyok nem lettek hogy belőlük galaxisok alakuljanak ki. Azok a bonyolult szerkezetek, amelyeket látunk a világegyetemben, megérthetők a határnélküliség feltételével és a kvantummechanika határozatlansági elvével.

Annak az elképzelésnek, hogy a tér és az idő egy zárt felületet alkot határok nélkül, mély következménye van Istennek a világegyetem ügyeiben betöltött szerepét tekintve. Ahogy a tudományos elméletek sikeresen leírják az eseményeket, a legtöbb ember eljut oda, hogy az Isten hagyja a világegyetemet fejlődni egy köteg törvény által. Úgy néz ki, hogy nem avatkozik be a világegyetembe, hogy megsértse ezeket a törvényeket. Azonban a törvények nem mondják meg, hogy miként nézett ki a világegyetem keletkezésekor, ezért továbbra is Isten dolga, hogy felhúzza az óraszerkezetet, és beállítsa, hogy honnan induljon. Amíg a világegyetemnek volt egy szingularitásból eredő kezdete, azt lehetett feltételezni, hogy egy külső hatalom hozta létre. Ha azonban a világegyetem teljesen öntörvényű, határok nélkül, akkor nem volt teremtve, és nem lesz elpusztítva. Pusztán létezik. Hol van itt a Teremtő helye?

Hatodik előadás

AZ IDŐ IRÁNYA

T

he Go Between (A közvetítő) című művében L. P. Hartley ezt írja: „A múlt egy idegen ország. Másképp csinálják benne a dolgokat. De mi az oka annak, hogy annyira más a múlt, mint a jövő? Miért a múltra emlékezünk, és miért nem a jövőre?” Más szavakkal: miért folyik az idő előre? Összefüggésben van-e ez a világegyetem tágulásával?

C, P, T

A fizika törvényei nem tesznek különbséget a múlt és a jövő között. Pontosabban, a fizikai törvények nem változnak meg a C, P és T néven emlegetett műveletek együttes alkalmazása esetén. (C – charge, töltés – jelenti azt, hogy a részecskéket kicseréljük antirészecskéikre; P – parity, paritás – jelenti azt, hogy tükrözzük a teret úgy, hogy a jobb és a bal oldal helyet cserél; és T – time, idő – jelenti azt, hogy megfordítjuk minden részecske mozgásirányát, azaz visszafelé futtatjuk őket az időben.) Normális körülmények között az anyag viselkedését szabályozó fizikai törvények a C és P műveletekre vonatkoztatva önmagukban változatlanok. Azaz egy másik bolygó lakói számára – akik a mi tükörképeink, és antianyagból vannak – az élet pontosan ugyanolyan lenne, mint számunkra. Ha találkozol valakivel egy másik bolygóról, és az a bal kezét nyújtja feléd, meg ne fogd. Lehet, hogy antianyagból van, és mindketten egy hatalmas fényfelvillanás kíséretében eltűntök. Amennyiben a fizika törvényei változatlanok a C és P műveletekre, valamint a C, P és T műveletekre, akkor változatlannak kell lenniük önmagában a T (időtükrözés) műveletére is. Mindennapi életünkben azonban hatalmas különbség van az idő előre és hátra iránya között. Képzeljünk el egy bögre vizet, amint a bögre leesik az asztalról és széttörik a padlón. Ha lefilmezzük ezt az eseményt, akkor könnyűszerrel megmondjuk, hogy előre-vagy visszafelé játszottuk-e le. Visszafelé játszva azt látjuk, hogy a bögredarabok hirtelen összeállnak a padlón egy bögrévé, majd az felugrik az asztalra. Mivel ilyet sohasem tapasztalunk mindennapjainkban (különben az edényipar tönkremenne), tudjuk, hogy visszafelé pergett a film.

Az idő nyilai

Vajon miért nem látjuk, hogy a széttört bögre darabjai visszaugranak az asztalra? A jelenségre az az általános magyarázat, hogy ezt tiltja a termodinamika második főtétele, mely szerint az entrópia vagy a rendezetlenség mindig nő az időben. Másképp fogalmazva ez Murphy törvénye: a dolgok mindig rosszabbra fordulnak. Az asztalon levő ép bögre nagyon rendezett állapotban van, de a padlón levő törött bögre rendezetlen állapotú. Éppen ezért a múltban levő ép bögréből a jövőben padlón levő törött bögre válhat, de nem fordítva.

Az entrópia vagy rendezetlenség időbeli növekedése egyik példája annak, amit az idő nyilának nevezünk – ami megadja az idő irányát és megkülönbözteti a múltat a jövőtől. Legalább három különböző nyíl van. Először az idő termodinamikai nyila, mely az entrópia vagy rendezetlenség növekvő irányába mutat. Másodszor a pszichológiai nyíl, melynek irányában érezzük, hogy folyik az idő, és a múltra emlékezünk, nem pedig a jövőre. Harmadik a kozmológiai nyíl, melynek irányában a világegyetem tágul.

Véleményem szerint a pszichológiai nyilat a termodinamikai nyíl határozza meg, és ezek mindig egy irányba mutatnak. A határnélküliség feltétele összefüggésben van a kozmológiai nyíllal, annak ellenére, hogy nem mindig mutatnak egy irányba. Szerintem azonban csak abban az esetben létezhetnek intelligens lények, akik megkérdezhetik, hogy miért növekszik a rendezetlenség abba az irányba, amerre a világegyetem tágul, ha a kozmológiai nyíl iránya megegyezik a másik két nyíl irányával.

A TERMODINAMIKAI NYÍL

Hadd beszéljek először az idő termodinamikai nyiláról. A termodinamika második főtétele azon alapszik, hogy sokkal több rendezetlen állapot van, mint rendezett. Nézzünk például egy kirakós játékot. Csupán egyetlen olyan elrendezés van, mely teljes képet alkot, ezzel szemben rengeteg olyan elrendezés van, melyben a részek rendezetlenek és nem állnak össze képpé.

Képzeljük el, hogy egy rendszer valamely ritka, rendezett állapotban van kezdetben. Ahogy az idő halad, a rendszer a fizika törvényeinek megfelelően fejlődik, és állapota változik. Nagy esélye van, hogy egy későbbi időben egy sokkal rendezetlenebb állapotban lesz, pusztán azért, mert sokkal több rendezetlen állapot van. Tehát a rendezetlenség igyekszik nőni az időben, ha a rendszer egy viszonylag rendezett állapotból indul.

Képzeljük el, hogy a dobozban levő kirakós játék kezdetben rendezett állapotban van, azaz teljes képet alkot. Ha megrázzuk a dobozt, a képdarabok másik elrendezést vesznek fel. Valószínűleg ez rendezetlen elrendezés lesz, melyben a kép darabjai nem alkotnak képet, pusztán azért, mert annyival több rendezetlen elrendezés van, mint rendezett. A darabok egyes csoportjai még mindig alkothatják a teljes kép egy-egy részletét, de minél többet rázzuk a dobozt, annál valószínűbb, hogy ezek a csoportok is szétesnek, és a darabok teljesen zagyva állapotot alkotnak, mely egyáltalán nem hasonlít a képre. Tehát a darabok rendezetlensége valószínűleg növekszik az időben, ha magas rendezettségű állapotból indulnak.

Képzeljük el azonban, hogy az Isten úgy határozott, hogy a világegyetemnek az idő végén magas rendezettségű állapotban kell véget érnie, függetlenül attól, hogy milyen állapotból indult. Ekkor valószínűleg a korai időkben a világegyetem rendezetlen állapotban volt, és a rendezetlenség csökken az időben. A törött bögrék összeállnak, és szépen visszaugranak az asztalra. Az ember, aki megfigyeli ezt a jelenséget, olyan világegyetemben él, ahol a rendezetlenség csökken az időben. Szerintem az ilyen egyedek pszichológiai időnyila fordított irányú, azaz a jövőre fognak emlékezni és nem a múltra.

A PSZICHOLÓGIAI NYÍL

Meglehetősen nehéz az emberi emlékezésről beszélni, mert nem tudjuk részletesen, hogyan is működik az agy. Azt azonban tudjuk, miként működik a számítógép memóriája. Éppen ezért most a számítógépek pszichológiai időnyiláról fogok beszélni. Azt hiszem, nyugodtan feltételezhetjük, hogy ez megegyezik az emberek időnyilával – ellenkező esetben halálra kereshetnénk magunkat a tőzsdén egy számítógép segítségével, amelyik a holnapi árakra emlékezik.

A számítógépes memória alapvetően olyan eszköz, melynek kétféle állapota van. Ilyen például egy szupravezető gyűrű is: ha áram van a gyűrűben, az állandóan folyik, mert nincs ellenállás. Másrészt, ha kezdetben nincs áram, akkor később sem lesz. A memóriának ezt a két állapotát nevezhetjük „egynek” és „nullának”.

Mielőtt valamit beleírnánk a memóriába, az rendezetlen állapotban van, egyenlő eséllyel lehet egy vagy nulla. Mivel a memória kölcsönhatásban van a rendszerrel, amire emlékeznie kell, határozottan az egyik vagy másik állapotba kerül, a mintarendszer állapotának megfelelően. Azaz a memória rendezetlen állapotból rendezettbe került. De a memória állapotának beállításához energiára van szükség, mely hő formájában felszabadul, és növeli a világegyetem rendezetlenségét. Meg lehet mutatni, hogy a rendezetlenségnek ez a növekedése nagyobb, mint a memória beállítása miatti csökkenése. Amikor tehát a számítógép megjegyez valamit a memóriájában, a világegyetem rendezetlensége növekszik.

Az idő iránya a számítógép számára ugyanaz, mint amerre a rendezetlenség növekszik. Ez azt jelenti, hogy az idő irányával kapcsolatos szubjektív érzékünket, az idő pszichológiai nyilát az idő termodinamikai iránya határozza meg. Ezzel magától értetődővé teszi a termodinamika második főtételét, nevezetesen azt, hogy a rendezetlenség növekszik az időben, mivel az időt abban az irányban mérjük, amerre a rendezetlenség növekszik. Ennél biztosabb állítást nem is találhatnánk.

A világegyetem

határfeltétele

De miért is kellene a világegyetemnek nagy rendezettségű állapotban lennie az idő egyik határán, amit múltnak nevezünk? Miért nincsen állandóan a teljes rendezetlenség állapotában? Elvégre az eddigiek alapján ez sokkal valószínűbb lenne. Továbbá, miért azonos az idő iránya, amerre a rendezetlenség növekszik, azzal, amerre a világegyetem tágul? Az egyik lehetséges válasz: Isten úgy döntött, hogy a tágulás kezdetén a világegyetem legyen sima és rendezett állapotban, és nekünk nem dolgunk megérteni, hogy miért döntött így, vagy megkérdőjelezni döntését, mivel a világegyetem kezdete Isten munkája volt. De mondhatjuk, hogy a világegyetem teljes történelme Isten munkája.

Úgy tűnik, hogy a világegyetem jól meghatározható törvények szerint működik. A törvényeket lehet, hogy az Isten rendelte el, lehet, hogy nem, de úgy látszik, hogy meg tudjuk ismerni és érteni őket. Vajon értelmetlen lenne ezek után úgy gondolni, hogy ugyanazok vagy hasonló törvények voltak érvényben a világegyetem kezdetén? Az általános relativitás klasszikus elméletében a világegyetem kezdetben egy végtelen sűrűségű és görbületű szingularitás volt. Ilyen feltételek mellett a fizika minden ismert törvénye érvényét veszti, és nem használható annak kiderítésére, hogy miként kezdődött a világegyetem.

A világegyetem elkezdődhetett egy nagyon sima és rendezett állapotból. Ez a megfigyeléseknek megfelelő, jól meghatározható termodinamikai és kozmológiai időirányhoz vezet. De ugyanígy kezdődhetett volna egy nagyon göröngyös és rendezetlen állapotból[38]. Ebben az esetben a világegyetem már a teljes rendezetlenség állapotában lenne, és a rendezetlenség nem tudna növekedni az időben. Vagy állandó értéken maradna, és nem lenne egy jól meghatározható termodinamikai időirány, vagy csökkenne, mely esetben a termodinamikai időnyíl pont az ellenkező irányba állna, mint a kozmológiai. Egyik eshetőség sem egyezik a tapasztalattal.

Mint említettem, az általános relativitás klasszikus elmélete szerint a világegyetem olyan szingularitásból indul, melyben a téridő végtelen görbületű. Valójában ez azt jelenti, hogy az általános relativitás klasszikus elmélete saját bukását jósolja. Amikor a téridő görbülete nagy lesz, a kvantumhatások jelentőssé válnak, és a klasszikus elmélet már nem adja a világegyetem jó leírását. A világegyetem kezdetének megértéséhez a gravitáció kvantumelméletét kell használni. A gravitáció kvantumelméletében figyelembe kell venni a világegyetem összes lehetséges fejlődési módját. Minden egyes lehetőség egy történelmi pillanatához egy számpár tartozik. Az egyik a hullám nagyságát, a másik a fázisát (hogy hullámhegyen vagy hullámvölgyben van) írja le. Annak valószínűsége, hogy a világegyetem rendelkezik egy bizonyos tulajdonsággal, úgy számolható ki, hogy összeadjuk a tulajdonsággal rendelkező összes fejlődési módhoz tartozó történelmi pillanatokra a hullámokat. Ezek a történelmi pillanatok görbült tereket alkotnak, melyek időbeli menete leírja a világegyetem fejlődését. A teljes leíráshoz azonban meg kell adni azt is, hogyan viselkednek a lehetséges fejlődési módok a téridő múltbeli határán. Nem ismerjük – és nem is ismerhetjük – a világegyetem határfeltételeit a múltban. A probléma azonban elkerülhető, ha feltételezzük, hogy nincsen határfeltétel. Másképp kifejezve: minden lehetséges fejlődési mód véges méretű, de határ-, illetve szingularitásmentes téridőhöz tartozik, mely a Föld felszínéhez hasonlít, csak kettővel több dimenzióban. Ez esetben az idő kezdete a téridő egy szabályos, sima pontja lesz, azaz a világegyetem a tágulását egy nagyon sima és rendezett állapotból kezdte. Nem lehetett teljesen egyenletes, mivel az sértené a kvantummechanika határozatlansági elvét. Kis ingadozásoknak kellett lenniük a részecskék sűrűségeloszlásában és sebességében. A határnélküliség feltételéből azonban az következik, hogy ezek az ingadozások a határozatlansági elvből következő legkisebb értéket vették csak fel.

A világegyetem kezdetben exponenciális vagy „inflációs” módon tágult, melynek során méretét roppant nagy mértékben növelte. A tágulás során a sűrűségfluktuációk kezdetben kicsik maradtak, később azonban nőni kezdtek. Azokban a tartományokban, ahol a sűrűség egy kicsit az átlagos fölött volt, a tágulás a tömegtöbblet gravitációs hatása miatt lelassult, majd megállt, és végül megindult az összehúzódás, melynek során kialakultak a galaxisok, a csillagok és a hozzánk hasonló lények.

A világegyetem sima és rendezett állapotból indult, de göröngyössé és rendezetlenné vált az idők folyamán. Ez megmagyarázza az idő termodinamikai nyilának létét. A világegyetem magasan rendezett állapotból indul, és rendezetlenebb állapotba kerül az idővel. Amint azt korábban megmutattam, az idő pszichológiai nyila ugyanabba az irányba mutat, mint a termodinamikai. A szubjektív időérzékünk ezért ugyanabba az irányba mutat, mint amelyikben a világegyetem tágul, és nem abba, amelyikben összehúzódik.

Megfordulhat-e

az idő iránya?

Mi történik, ha a világegyetem tágulása megáll, és a világegyetem elkezd összehúzódni? Talán megfordul az idő termodinamikai nyila, és a rendezetlenség elkezd csökkeni az idővel? Ez egy halom tudományos-fantasztikus irodalomba illő lehetőséghez vezet azok számára, akik túlélik a táguló világegyetemből az összehúzódóba való átmenetet. Vajon látni fogják, hogy az összetört bögredarabok összeállnak és visszaugranak az asztalra? Emlékezni fognak a holnapi részvényárakra, és vagyonokat halmoznak fel a tőzsdén?

Egy kicsit túl elméletinek tűnik azon aggódni, hogy mi történik akkor, ha a világegyetem elkezd összehúzódni, mivel ez még legalább tízmilliárd évig biztosan nem kezdődik el.[39] De van egy gyorsabb módszer, amivel kideríthetjük, hogy mi történhet: ugorjunk bele egy fekete lyukba. A csillag összeomlása, melynek során fekete lyuk keletkezik, nagyon hasonlít ahhoz, amikor a világegyetem a végső összeomlás állapotában van. Azaz ha a rendezetlenség csökkenne a világegyetem összehúzódási szakaszában, akkor azt várjuk, hogy a fekete lyukon belül is csökken. Lehet, hogy a fekete lyukba beesett űrhajós pénzt tud keresni ruletten, mivel – még mielőtt megtenné fogadását – emlékezik arra, hogy hova esett a golyó. De sajnos nem játszhat túl sokáig, mivel az erős gravitációs mező hamar spagettit formál belőle. Arra sem lesz képes, hogy tudassa velünk, hogy az idő termodinamikai nyila megfordult, vagy hogy átutalja nyereményét a bankjába, mivel bennragadt a fekete lyuk eseményhorizontja mögött.

Először azt hittem, hogy a rendezetlenség csökkenni fog, amikor a világegyetem összehúzódik. Azért gondoltam így, mivel azt hittem, hogy a világegyetemnek, amikor ismét kicsi lesz, vissza kell térnie a sima és rendezett állapotába. Ez azt jelentené, hogy az összehúzódás pusztán a tágulás fordított időirányban. Az összehúzódó világegyetemben az emberek fordított életet élnének. Meghalnak a születésük előtt, és az összehúzódás során egyre fiatalabbak lesznek. Ez az elképzelés igen vonzó, mivel a táguló és összehúzódó világegyetem szép szimmetriát mutat, de ez még nem elég ok arra, hogy elvessünk más lehetőségeket. A kérdés az, hogy mit mond a határnélküliség feltétele erről az elképzelésről.

Mint említettem, először azt hittem, a határnélküliség feltételéből következik, hogy az összehúzódás során a rendezetlenség csökken. Ezt a következtetést egy egyszerű modell alapján tettem, melyben az összehúzódás úgy nézett ki, mint a tágulás időtükrözöttje. De egyik kollégám, Don Page rámutatott: a határnélküliség feltételéből nem következik, hogy ennek igaznak kellene lennie. Továbbá egyik diákom, Raymond Laflamme azt találta egy árnyalattal bonyolultabb modellben, hogy a világegyetem összehúzódása nagyon különbözik a tágulástól. Észrevettem, hogy hibáztam. Valójában a határnélküliség feltételéből az következik, hogy a rendezetlenség növekedni fog az összehúzódás során is. Az idő termodinamikai és pszichológiai nyila nem vált irányt sem a világegyetem összehúzódásakor, sem a fekete lyukak belsejében.

Mit lehet ilyenkor tenni, amikor észreveszed, hogy ilyen hibát követtél el? Vannak olyan emberek, mint például Eddington, akik sohasem ismerik el, hogy hibáztak, és mindig újabb, gyakran egymásnak is ellentmondó érvekkel jönnek elő, melyekkel azt bizonygatják, hogy igazuk van. Mások azt állítják, hogy sohasem támogatták igazán a hibás nézetet, vagy ha igen, akkor csak azért tették, hogy megmutassák ellentmondásait. Számos példát hozhatnék fel, de nem teszem, mivel túlságosan népszerűtlen lennék. Azt hiszem, sokkal jobb és kevésbé zavarba ejtő, ha leírom, hogy hibáztam. Erre jó példa volt Einstein, aki azt mondta, hogy a kozmológiai állandó, amit azért vezetett be, hogy a világegyetem statikus képét kapja, élete legnagyobb hibája volt.[40]

Hetedik előadás

A MINDENSÉG ELMÉLETE

N

agyon nehéz lenne egy lendülettel felépíteni a Mindenség egyesített elméletét. A valóságban eddig csak a részecskeelméletek megtalálása terén értünk el sikereket. Ezek az elméletek az események egy korlátozott halmazát írják le, másokat elhanyagolnak vagy számokkal közelítik meg őket. A kémiában például ki tudjuk számolni az atomok kölcsönhatását anélkül, hogy ismernénk az atommag belső szerkezetét. Végső soron azonban azt reméljük, hogy megtaláljuk azt a teljes, következetes és egyesített elméletet, melynek az ismert részecskeelméletek közelítései. Ezt a törekvést a fizika egyesítésének nevezik.

Einstein utolsó éveiben sikertelenül kereste ezt az egyesített elméletet. De az idő még nem is volt alkalmas erre: igen keveset tudtunk a magerőkről. Továbbá Einstein elutasította a kvantummechanikát annak ellenére, hogy igen fontos szerepet játszott kifejlesztésében. Mégis úgy tűnik, hogy a határozatlansági elv világegyetemünk igen lényeges sajátossága. A sikeres egyesített elméletnek ezért tartalmaznia kell ezt az elvet.

Az egyesített elmélet megtalálásának napjainkban sokkal jobbak az esélyei, mert már összehasonlíthatatlanul többet tudunk a világegyetemről. De óvakodnunk kell a túlzott magabiztosságtól. Már voltak hamis megvilágosodásaink. A huszadik század elején például azt képzelték, hogy mindent meg lehet érteni a folytonos közegek[41] – mint például a rugalmasság vagy a hővezetés – tulajdonságai alapján. Az atomszerkezet és a határozatlansági elv felfedezése azonban véget vetett ennek a hiedelemnek. Aztán kicsit később, 1928-ban Max Born azt mondta a göttingeni egyetemet látogatók egyik csoportjának: „mint tudjuk, a fizika hat hónapon belül lezárul”. Magabiztossága Dirac friss felfedezésén alapult, mely megadta az elektron leírásához szükséges egyenletet. Azt gondolták, hogy hasonló egyenlet fogja leírni a másik, akkoriban már ismert elemi részecskét, a protont – és ezzel az elméleti fizika lezárni. Azonban a neutron és a magerők felfedezése végleg szertefoszlatta ezt a hiedelmet is.

Mindezek ellenére azt hiszem, hogy jogos az óvatos optimizmus, és ma már elég közel állunk ahhoz, hogy megtaláljuk a természet végső törvényeit.[42] Jelen pillanatban számos részelméletünk van. Ismerjük az általános relativitáselméletet, a gravitáció részelméletét, valamint a gyenge, az erős és az elektromágneses erőket leíró részelméleteket. Az utóbbi hármat össze lehet foglalni az úgynevezett nagy egyesített elméletekben. Ezek azonban még mindig nem elégítenek ki bennünket, mivel nem tartalmazzák a gravitációt. A legfőbb probléma – amiért nem találjuk a gravitáció és más erők egyesítésének elméletét – az, hogy az általános relativitás elmélete klasszikus elmélet, azaz nem tartalmazza a kvantummechanika határozatlansági elvét; a többi részelmélet pedig alapvetően a kvantummechanikán alapul. Éppen ezért első lépésben az általános relativitáselméletet össze kell hoznunk a határozatlansági elvvel. Mint láttuk, ennek egynémely igen figyelemreméltó következménye lehet, például az, hogy a fekete lyukak mégsem feketék, és hogy a világegyetem teljesen öntörvényű és határ nélküli. Ám problémát okoz, hogy a határozatlansági elv szerint még az üres tér is tele van virtuális részecske-antirészecske párokkal, melyeknek összességében végtelen nagy energiájuk van, és így a gravitációs vonzásuk végtelen kis méretűre csavarja fel a világegyetemet[43].

Igen hasonló módon látszólag képtelen végtelenek jelennek meg más kvantumelméletekben, ezektől azonban meg lehet szabadulni a renormálás nevű eljárás segítségével. Ennek az a lényege, hogy végtelen mennyiségek segítségével megváltoztatjuk a részecskék tömegét és a kölcsönhatások erősségét az elméletben. Bár az eljárás matematikai szempontból felettébb gyanús, a gyakorlatban láthatólag működik. Segítségével olyan mennyiségeket számoltak ki, melyek rendkívüli módon egyeznek a megfigyelésekkel. A renormálásnak azonban van egy igen komoly hátránya az egyesített elmélet szempontjából. Amikor végtelenből végtelent vonunk le, a válasz bármi lehet. Ennek az a következménye, hogy a részecskék tényleges tömege és a kölcsönhatások tényleges erőssége nem számolható ki az elméletből, azokat a kísérletek alapján kell megválasztani. Az általános relativitáselméletben csupán két mennyiség választható meg: a gravitáció erőssége és a kozmológiai állandó nagysága. De ezek megválasztása nem elegendő ahhoz, hogy megszabaduljunk az elméletben fellépő összes végtelen mennyiségtől. Végül is így egy olyan elméletünk marad, mely bizonyos mennyiségekre – mint például a téridő görbülete – azt mondja, hogy azok valóban végtelenek, holott ezeket a mennyiségeket meg tudjuk figyelni, és méréseink szerint tökéletesen végesek. A probléma megkerülése végett 1976-ban kiagyalták a „szupergravitáció” elméletét, mely valójában csak az általános relativitáselméletet ismételte meg néhány kiegészítő részecskével.

Az általános relativitáselméletben a gravitációra úgy tekinthetünk, mint olyan erőre, amelyet egy 2 spinű[44], gravitonnak nevezett részecske közvetít. A szupergravitáció elméletében ehhez még hozzáadtak új – 3/2, 1, 1/2 és 0 spinű – részecskéket. Bizonyos értelemben mindezeket a részecskéket egyetlen „szuperrészecske” különböző megnyilvánulásainak is tekinthetjük. Az 1/2 és 3/2 spinű virtuális részecske-antirészecske pároknak negatív lesz az energiájuk, mely pontosan kiegyenlíti a 0, 1 és 2 spinű virtuális részecske-antirészecske pároknak a pozitív energiáját. Ezzel a módszerrel számos lehetséges végtelentől megszabadulunk, de egyesek feltételezték, hogy esetleg néhány lehetséges végtelen túlélheti ezt az eljárást. De a számolás – mely megmutathatta volna, hogy maradt-e végtelen ellentag nélkül – olyan bonyolult és hosszadalmas lett volna, hogy senki nem vállalkozott rá, egyes becslések szerint még számítógéppel is négy évig tartana. Igen nagy volt annak is az esélye, hogy a számolás során legalább egy, ha nem több hibát ejtenek. Csak akkor lehetünk biztosak abban, hogy az eredmény jó, ha valaki más is megismétli a számolást tőlünk függetlenül, és ugyanazt az eredményt kapja – és ez nem tűnt túl valószínűnek.

E probléma megoldatlansága miatt az emberek inkább a húrelméletek felé fordultak. Ezekben az elméletekben az alapvető objektumok nem a pontszerű részecskék, hanem az egydimenziós zárt húrok (hurkok), melyeknek csak hosszuk van, kereszt irányú kiterjedésük nulla. Egy részecske minden időpillanatban a tér egy pontját foglalja el, így a története egy vonalat rajzol ki a téridőben, melyet világvonalnak nevezünk. A húr viszont minden időpillanatban egy vonalat foglal el a térben, és így a története kétdimenziós felületet alkot a téridőben, melyet világlepedőnek hívunk. A lepedőn bármelyik pont két számmal jellemezhető, az egyik az időt jellemzi, a másik a húron elfoglalt helyet. A (zárt) húr világlepedője egy henger vagy cső, amelynek metszete egy kör, a húr egy adott időpillanatban elfoglalt helye.

Két húr egyesülhet egy közös húrrá ugyanúgy, ahogy a nadrág két szára egyesül egy nadrággá. És ehhez hasonlóan egy húr ketté is válhat. A húrelméletekben a korábban részecskéknek tekintett objektumoknak a húrokon végigvonuló hullámok felelnek meg, melyek hasonlítanak a ruhaszárító kötél hullámzására. Egy részecske kibocsátása vagy elnyelése felel meg a húrok kettéosztásának vagy egyesülésének. A Nap gravitációs ereje a Földön például egy H alakú csőnek feleltethető meg. A húrelmélet bizonyos értelemben igen hasonlatos a vízvezeték-szereléshez. A H alak két függőleges oldalán levő hullámok a Nap, illetve a Föld részecskéinek felelnek meg, a vízszintes száron utazó hullámok pedig a köztük utazó gravitációs erőnek.

A húrelméletnek igen különös története van. Eredetileg az 1960-as évek végén alkották meg az erős kölcsönhatás leírására. Az alapötlet itt is az volt, hogy az olyan részecskék, mint a proton és a neutron egy (nyílt) húron levő hullámoknak tekinthetők. A köztük levő erős kölcsönhatás pedig olyan húrdarabnak, amely – a pókhálóhoz hasonlóan – más húrokat köt össze. Ebben az elméletben ahhoz, hogy a részecskék között megfigyelt erős kölcsönhatást kapják, azt kellett feltételezni, hogy a húrok úgy viselkednek, mint egy gumiszalag, mely körülbelül tíz tonna erőt fejt ki.

1974-ben Joël Scherk és John Schwarz közöltek egy cikket, melyben megmutatták, hogy a húrelmélet le tudja írni a gravitációs erőket is, ehhez azonban a húr által kifejtett erőnek sokkal nagyobbnak kell lennie, körülbelül 10^39 tonnának. A húrelmélet ilyenkor ugyanazokat az eredményeket adja normális hossz-skálákon, mint az általános relativitáselmélet, de eltérés mutatkozik a nagyon kicsi, a 10^33 centiméter alatti távolságokon. Munkájuk nem váltott ki nagy visszhangot, mivel ebben az időben az érdekelt kutatók zöme éppen lemondott az erős kölcsönhatásra kifejlesztett húrelméletről. Scherk tragikus körülmények között halt meg: cukorbetegségben szenvedett, és akkor esett kómába, amikor senki sem volt a közelében, hogy beadja az inzulininjekciót. Schwarz egyedül maradt, mint a nagy húrerejű húrelmélet szinte egyetlen támogatója.

A húrelmélet 1984-es újjászületésének valószínűleg két oka van: (1) nem történt előrehaladás annak megmutatásában, hogy a szupergravitáció véges eredményeket ad vagy megmagyarázná a megfigyelhető részecskéket; (2) John Schwarz és Mike Green közöltek egy cikket, melyben leírták, hogy a húrelmélet képes megmagyarázni a természetben csak balkezesként előforduló részecskék létét. Bármi volt is azonban az oka, hamarosan igen sokan kezdtek el dolgozni a húrelméleten, és hamarosan egy új változatát állították elő, az úgynevezett heterotikus húrokat.[45] Úgy tűnt, hogy ez az elmélet tartalmazza azokat a részecsketípusokat, amelyeket megfigyelünk.

A húrelméletek is végtelen mennyiségekhez vezetnek, de úgy gondoljuk, hogy azok a heterotikus húrokhoz hasonló elméletekben kiesnek. A húrelméleteknek azonban van egy komolyabb problémájuk: csak olyan téridőkben működnek, melyeknek a szokásos négy helyett tíz vagy huszonhat dimenziójuk van. Természetesen az extradimenziók megszokottak a tudományos-fantasztikus irodalomban, sőt ott egyenesen kötelező elemek. A relativitáselmélet szerint nem lehet a fénynél sebesebben utazni. Ez a tény azt jelenti, hogy túlságosan sokáig tartana akár csak a saját galaxisunk átrepülése is, hát még más galaxisok elérése. Tudományos-fantasztikus ötlet, hogy vannak rövidebb utak a magasabb dimenziókon keresztül. Ezt a következő módon szemléltetjük: képzeljük el, hogy kétdimenziós világban élünk mely görbült, és egy csörögefánkra vagy egy tóruszra[46] hasonlít. Ha a gyűrű túloldalára szeretnénk jutni, körbe kell mennünk a gyűrűn, de ha tudnánk utazni a harmadik dimenzióban, akkor egyenesen átvághatnánk.

Ha igaz az elmélet, és valóban vannak extradimenziók, miért nem vesszük észre azokat? Miért látunk csak három tér-és egy idődimenziót? A kérdésre azt a választ javasolták, hogy az extradimenziók erősen görbültek, önmagukra hajlanak vissza, és méretük nagyon kicsi, egymilliomod-milliomod-milliomod-milliomod-milliomod centiméter. Ez olyan kicsi, hogy egyszerűen nem vesszük észre, csak a három térirányt és az egy időirányt látjuk, amelyben a téridő lapos. Az egész a narancs héjára hasonlít: ha közelről nézzük, görbült és gyűrött, de messziről nézve nem látjuk az egyenetlenségeket, az egész szép simának látszik. Ugyanígy van a téridővel. Nagyon kis skálán a téridő tízdimenziós és erősen görbült, de nagyobb skálán nem látjuk a görbületet és az extradimenziókat.

Ha ez a leírás megfelel a tényeknek, akkor rossz hírem van az űrutazók számára: az extradimenziók túl kicsik ahhoz, hogy beleférjen egy űrhajó. Ez azonban mindjárt felvet egy újabb problémát: miért van az, hogy csak néhány, de nem az összes dimenzió tekeredik össze egy kis labdává? A korai világegyetemben feltehetőleg az összes dimenzió nagyon görbült volt. Miért simult ki három tér-és egy idődimenzió, míg a többiek szorosan összetekerve maradtak?

Az egyik lehetséges magyarázat az antropikus elv. Két dimenzió nem elegendő olyan bonyolult lények kifejlődéséhez, mint amilyenek mi vagyunk. Az egydimenziós Földön élő kétdimenziós embereknek például egymáson kellene átmászniuk, ha el akarnának menni egymás mellett. Ha egy kétdimenziós lény megeszik valamit, amit nem tud teljesen megemészteni, akkor ugyanott kell kiöklendeznie, ahol megette, mivel egy kétdimenziós lényen átvezető csatorna két különálló részre osztja a lényt, és az kettéesik. Ugyanilyen okból a kétdimenziós lénynek nem lehet vérkeringése. A háromnál több dimenzióval is bajok vannak: a gravitációs erők gyorsabban csökkennének a távolsággal, mint három dimenzióban, ennek következtében a bolygópályák – mint amilyen a Föld Nap körüli pályája – instabilak lennének. A keringési pályán a más bolygók gravitációs vonzása okozta legkisebb zavar azt eredményezné, hogy a Föld vagy a Napba esne, vagy a világűrbe távozna spirális pályán. Vagy megsülnénk, vagy megfagynánk. Ezenkívül maga a Nap is instabil lenne, vagy szétesne, vagy fekete lyukká omlana össze. Egyik esetben sem tudná hővel és fénnyel ellátni a földi életet. Kisebb skálán az elektront az atommag körül tartó elektromos erő a gravitációs erőhöz hasonlóan viselkedne, azaz az elektronok vagy kiszabadulnának az atomból, vagy beleesnének az atommagba. Egyik esetben sem lennének atomok.

Világosnak tűnik, hogy az élet általunk ismert formájában csak a téridő olyan tartományaiban létezhet, melyekben a három tér-és az egy idődimenzió nincsen kicsire feltekeredve. Ez esetben hivatkozhatunk az antropikus elvre, feltéve, ha megmutatjuk, hogy a húrelmélet megengedi ilyen tartományok létrejöttét a világegyetemben. Lehetnek más tartományok is a világegyetemben vagy más világegyetemek (bármit jelentsen is ez), melyekben minden dimenzió kis helyen felcsavarodott, vagy négynél több dimenzió lapos. Ám ezekben nem lesz értelmes élet, hogy megfigyelje a négytől különböző lapos dimenziók számát.

A dimenziók számán kívül a húrelméleteknek még számos más problémája is van, melyeket meg kell oldani, mielőtt kijelenthetnénk, hogy ez a fizika végső egyesített elmélete. Még nem tudjuk, hogy vajon az összes végtelen ellensúlyozza-e egymást, vagy hogy pontosan hogyan feleltessük meg a húron levő hullámokat a különböző megfigyelt részecsketípusoknak. Mindenesetre valószínű, hogy ezekre a kérdésekre megszületik a válasz a következő néhány évben[47], és az évezred végére megtudhatjuk, vajon a húrelmélet valóban a fizika rég áhított egyesített elmélete-e[48].

Lehetséges-e valójában egy mindent leíró egyesített elmélet? Vagy csak délibábot kergetünk? Három válasz is adódik:

• Valóban létezik egy teljes egyesített elmélet, melyet – ha elég okosak vagyunk – egy nap felfedezünk.

• A világegyetemnek nincsen végső egyesített elmélete, csak az elméleteknek egy végtelen sora, mely egyre jobban és jobban írja le a világegyetemet.[49]

• A világegyetemnek nincsen elmélete. Az események egy bizonyos ponton túl nem prognosztizálhatók, hanem teljesen véletlenszerűen történnek.

Egyesek érvelhetnek a harmadik lehetőség mellett: ha lenne a törvényeknek egy teljes halmaza, akkor az sértené Isten szabadságát, hogy megváltoztassa akaratát és beavatkozzon a világba. Hasonlít ez a régi paradoxonra, amely szerint képes-e az Isten akkora követ teremteni, melyet nem bír felemelni. De már Szent Ágoston rámutatott arra, hogy az a feltevés, hogy Isten megváltoztatná akaratát, téves, mivel feltételezi, hogy az Isten az időben létezik. Az idő pusztán az Isten által alkotott világegyetem tulajdonsága. Feltehetőleg Isten tudta, hogy mit akar, amikor megalkotta.

A kvantummechanika megjelenésével meg kellett szoknunk, hogy az események nem jósolhatók meg teljes pontossággal, hanem mindig van valamekkora bizonytalanság. Ha valaki óhajtja, értelmezheti ezt isteni beavatkozásként. De ez meglehetősen furcsa beavatkozás lenne: semmilyen bizonyíték nincs arra, hogy valamilyen cél érdekében történik, ellenkező esetben ugyanis nem lenne véletlenszerű. A modern időben gyakorlatilag kizártuk a harmadik lehetőséget a tudomány céljának újraértelmezésével; e szerint a tudomány célja olyan törvények megfogalmazása, melyek alapján képesek vagyunk az események előrelátására a határozatlansági elv keretein belül.

A második lehetőség – hogy a pontosabb és pontosabb elméletek végtelen sora létezik csak – egyezik minden eddigi tapasztalatunkkal. Sokszor növeltük meg méréseink pontosságát vagy új megfigyeléseket végeztünk, melyekkel olyan jelenségeket találtunk, melyeket a létező elméletek nem tudtak leírni. Hogy megértsük ezeket, fejlettebb elméletet kellett megalkotni. Ezért nem lepődünk meg, ha a mai nagy egyesített elméletekről kiderül, hogy nem egyeznek a megfigyelésekkel, amikor kísérleteket végzünk a mainál nagyobb részecskegyorsítókkal.[50] Ha nem várnánk hogy ezek az elméletek elvesztik érvényüket nagy energián, nem sok értelme lenne óriási összegekért újabb berendezéseket építeni.

Úgy tűnik azonban, hogy a gravitáció képes határt szabni ennek a „matrjoskababának”. Ha lenne egy részecskénk, mely a Planck-energiának nevezett mennyiségnél, 10^19 GeV-nél [20 mikrogramm] nagyobb energiájú, annak tömege már annyira nagy, hogy kis fekete lyukká alakul és kizárja magát a világegyetemből. Ezzel úgy látszik, hogy az egyre kifinomultabb elméletek sorozatának valahol vége van; ahogy haladunk felfelé az energiában, kell hogy a világegyetemnek is legyen egy végső elmélete. Természetesen a Planck-energia igen távol van a laboratóriumokban jelenleg elérhető GeV nagyságú energiáktól. A Planck-energia eléréséhez egy Naprendszer méretű gyorsítóra lenne szükség, melynek költségét a jelenlegi gazdasági helyzetben valószínűleg senki nem állná.

Mindazonáltal a korai világegyetemben ezeknek az energiáknak elő kellett fordulniuk. Azt gondolom, jó esély van rá, hogy a korai világegyetem tanulmányozása és a matematikai következetesség betartása az ezredfordulóig elvezet bennünket a teljes egyesített elméletig[51] – persze mindig szem előtt tartva, hogy nem robbantjuk fel magunkat addig.

Mit jelentene, ha történetesen megtalálnánk a világegyetem végső elméletét? Véget érne történelmünk egy hosszú és dicsőséges fejezete, a világegyetem megértéséért való küzdelmünk. Newton idejében egy művelt ember – még ha vázlatosan is, de – megszerezhette a teljes emberi tudást. Ám azóta a tudomány fejlődési üteme ezt lehetetlenné tette. Az elméletek állandóan változtak, hogy számot adjanak az új megfigyelésekről, de sohasem voltak kellően feldolgozva és leegyszerűsítve, hogy az átlagember is megértse őket. Specialistának kell lenned, és akkor is csak reménykedhetsz, hogy megértheted a tudományos elméletek egy kis hányadát.

Továbbá a fejlődés üteme olyan gyors volt, hogy amit az iskolában vagy az egyetemen tanultunk, az már egy kicsit idejétmúlt volt. Csak néhány ember tudott lépést tartani a tudás gyorsan mozgó élvonalával, és nekik is összes idejüket arra kellett áldozniuk, hogy ezen a szűk területen maradjanak. A népesség zömének nincs igazán képe arról, hogy mekkora haladás történt, és az mekkora izgalmat keltett.

Ha hihetünk Eddingtonnak, sok évtizeddel ezelőtt csak két ember értette az általános relativitáselméletet. Manapság doktoranduszok tízezrei értik, és néhány millió embernek van legalább valami fogalma róla. Ha egy teljes egyesített elméletet fedeznénk fel, csak idő kérdése, amíg feldolgozzák és hasonló módon egyszerűsítik, aztán ha vázlatosan is, de bekerül a tananyagba. Akkor mindnyájunknak lesz valami fogalmunk azokról a törvényekről, amelyek irányítják a világegyetemet, és felelősek létünkért.

Einstein egyszer megkérdezte: „mekkora szabadsága volt Istennek a világegyetem létrehozásakor?” Ha a határnélküliség javaslata helyes, akkor semmi választási lehetősége nem volt a kezdeti feltételek megválasztásában. Természetesen még mindig megvolt a lehetősége, hogy megállapítsa a törvényeket, melyeket a világegyetem követ. De lehet, hogy ez sem volt túl nagy lehetőség. Elképzelhető, hogy csak nagyon kevés teljes és következetes egyesített elmélet teszi lehetővé értelmes lények létét.

Akkor is elmélkedhetünk Isten természetén, ha kiderülne, hogy csak egy egyesített elmélet létezik, mely pusztán egyenletek és szabályok halmaza. Mi az, ami tüzet lehelt az egyenletekbe, és lehetővé teszi, hogy azok leírják a világegyetemet? A tudomány szokásos modellalkotási módszere nem ad választ arra, hogy miért is valósult meg a világegyetem, miért nem maradt pusztán elvi lehetőség. Miért vette magának a világegyetem azt a fáradságot, hogy létezzen? Annyira ellenállhatatlan lenne az egyesített elmélet, hogy létrehozza önmagát? Vagy szüksége van Teremtőre, és ha igen, neki van valami más hatása is a világegyetemre azon kívül, hogy létrehozta? És ki hozta Őt létre?

Egészen mostanáig a legtöbb tudós túlságosan el volt foglalva új elméletek kidolgozásával, melyek megmondják, hogy mi a világegyetem, és nem foglalkoztak azzal, hogy miért van a világegyetem. Másfelől viszont azok, akiknek feladata a miért megkérdezése – a filozófusok –, nem tudtak lépést tartani a tudomány fejlődésével. A tizennyolcadik században a filozófusok úgy tartották, hogy a teljes emberi tudás, beleértve a tudományt, az ő asztaluk. Például a következő kérdésekkel foglalkoztak: volt-e a világegyetemnek kezdete? A tizenkilencedik és huszadik században azonban a tudomány túlságosan technikai és matematikai lett a filozófusok és bárki más számára, kivéve néhány specialistát. A filozófusok leszűkítették vizsgálódásaik tárgyát annyira, hogy Ludwig Wittgenstein, a huszadik század egyik legismertebb filozófusa azt mondta: „A filozófia egyetlen megmaradt feladata a nyelv vizsgálata.” Mekkora süllyedés ez az arisztotelészi és kanti filozófia hagyományaihoz képest!

Ám ha felfedeznénk egy teljes elméletet, annak idővel nagy vonalakban mindenki, nemcsak néhány tudós számára kellene érthetőnek lennie. Akkor mindnyájan részt tudnánk venni annak megvitatásában, hogy miért is létezik a világegyetem. Ha erre megtaláljuk a választ, az az emberi ész végső diadala lesz. Akkor majd megismerjük Isten elméjét.

NÉV-ÉS TÁRGYMUTATÓ

(Az oldalszámok az eredeti könyv szerintiek.)

abszolút nulla 78

Ágoston, Szent 20, 137

állandó állapotú világegyetem elmélete 39

cambridge-i kísérletek és az ~ 40

állócsillagok 14

alma, Newton és az ~ 16

általános relativitás 29

~ és a fény és a gravitáció kölcsönhatása 47-48

~ és a forró Nagy Bumm-modell kérdései 94

~ és a kvantummechanika 83-85, 128-129

~ és a szingularitás elmélete 102-103, 108-109

~ és az állandó állapotú világegyetem elmélete 40

kozmológiai állandó az ~elméletben 29-30, 97, 100

antianyag 113

antigravitáció 30

antropikus elv 135

anyag folyamatos keletkezése 40

áradások, ismétlődő 20

Arisztotelész 13, 26, 141

atombomba-program 53

Bardeen, Jim 74

Bell Laboratórium 31

Bell, Jocelyn 61

Bentley, Richard 17

Berkenstein, Jacob 73, 74, 75

bolygók pályája 14

Kepler elmélete 15

Newton elmélete 16

Bondi, Hermann 39

Born, Max 128

C, P, T 113-114

Carter, Brandon 59, 74

Chandrasekhar, Subrahmanyan 49-50

~ hideg csillag elmélete 50-52

Chandrasekhar-határ 50, 51, 52

Cygnus X-1 62, 63

Cserenkov-sugárzás 82

csillagok

~ életciklusa 48-49

~ fényessége 19

~ kialakulása 48

~ luminozitása 19

~ megkülönböztetése 26

~ összetétele 48

~ távolsága 19

~ véges száma 16

Dicke, Bob 33

Doppler-effektus 28

~ és a gyorsaság mérése 28

~ és a világegyetem tágulásának mérése 36

Eddington, Sir Arthur 49, 52, 140

égitestek pályája 14

egyesített elmélet 103, 127, 128

~ lehetősége 136-137

egyesített erők 96-97, 128

Einstein, Albert 29, 52, 127, 140

általános relativitáselmélet és ~ 29, 30, 97

híres egyenlete 78

ellipszis 13

entrópia 71-74

erős kölcsönhatások 128, 132

~ húrelmélete 131-132

eseményhorizont 54, 56

entrópia és ~ 73, 75

fénysugarak az ~-ban 69-70

~ kialakulása 69

~ nem csökkenő tulajdonsága 70

Exposition du Systeme du Monde 47

fázisátalakulás 97

fehér törpék 51, 52

fekete lyukak lásd ősi fekete lyukak

~ alakja 57-58

~ és a fényelmélet 47

~ forgása 58-59, 74

~ gravitációs vonzása 48

~ jelenlegi száma 65

~ megfigyelése 62

~ robbanása 78-80

~ sugárzása 14-78

~ viselkedése 57-56

Cygnus X-1 62-63

entrópia és a ~ 70-73, 75

gravitációs hullámok és ~ 57

Kerr típusú ~ 58

matematikai modell kifejlesztése a ~-ra 60

termodinamika második főtétele és a ~ 71-73, 75

tömegvesztés a ~-ban 78

fény

~ elméletek 47

~ hullámelmélete 47

~ részecskeelmélete 47

fénykúpok 43

féreglyuk 56

Feynman javaslata 103-105

fizika törvényei 85

forró Nagy Bumm-modell 89-93

galaktikus gázfelhők a ~-ben 92

hélium a ~-ben 91

neutroncsillagok a ~-ben 93

világegyetem kezdeti hőmérséklete a ~-ben 90

világegyetem hűlése a ~-ben 90-92

világegyetem összetétele a ~-ben 90

Föld

~ alakja 13

~ kerülete 13

~ mint a világegyetem középpontja 13-14, 26

Fridman, Alekszandr 30

egyszerűsítése 30-31, 34-35

háttérsugárzás és ~ 32-33

Fridman-modell 30-36, 89-90

~ és a Nagy Bumm-elmélet 38

~ és a téridő-kontinuum 35-36, 39

galaxis 25

~ Doppler-féle mérése 37-38

~ forgása 26

~ oldalirányú mozgása 41

új ~ kialakulása 40

~ véletlenszerű sebessége 42

galaktikus gázfelhők 92

Galilei, Galileo 15

katolikus egyház és ~ 89

gammasugárzás 80-83

Gamow, George 39

Gold, Thomas 36

gravitáció 15-17

~ és Fridman egyszerűsítése 34-35

fekete lyukak ~ja 55, 56, 99

fény és ~ kölcsönhatása 47-48

gravitációs hullámok 57

Green, Mike 133

Guth, Alan 96-99, 100

gyenge erők 128

hanghullámok 28

Hartle, Jim 107

Hartley, L. P. 113

határfeltételek, a világegyetem ~ 118-121

határozatlansági elv 74, 85, 127

részecskék a ~-ben 128-129

határtalan feltételek 106

~ és a valós idő 109

idő irányváltása és a ~ 123

lehetséges történelmek ~ között 107-108

háttérsugárzás 32-33

~ és a Nagy Bumm-modell 91

Nobel-díj a ~ felfedezéséért 33

~ hőmérséklete 78-79

Hawking, Lucy 69

hélium 48, 92

Hewish, Anthony 61

hideg csillag elmélet 50-52

hidrogén 48, 91

~ átalakulása héliummá 92

hidrogénbomba 90

Hoyle, Fred 39

Hubble, Edwin 21

~ és a galaxisok 25

~ és a testek távolsága 25, 28

Fridman egyszerűsítése és ~ 31

húrelméletek 131-136

~ története 131-133

idő iránya 113-119

C, P, T és az ~ 113-114

idő nyilai és az ~ 114-115

pszichológiai nyíl és az ~ 117-118

termodinamikai nyíl és az ~ 115-116, 121

világegyetem határfeltételei és az ~ 118-119

idő kezdete 39

idő nyilai 114-115

~ megfordulása 121-124

pszichológiai 117-118

termodinamikai 115-116

inflációs-modell 96-99, 121

buborékok az ~-ben 100, 101

exponenciális tágulás az ~-ben 96

fázisátalakulás az ~-ben 97

kezdeti hőmérséklet az ~-ben 96-97

problémák az ~-lel 92-102

Israel, Werner 57-58

Isten városáról (De civitate Dei) 12

jégkorszak 20

Jupiter 14

Galilei megfigyelése 15

Kalatnikov, Iszaak 41-42

Kant, Immanuel 141

kék színű csillagok 28

kémiai elemek és a színkép 26-27

Kepler, Johannes 15

képzetes idő 104, 108-109

Kerr, Roy 58

kiválasztási szabály 95

klasszikus elmélet 102-103

általános relativitás mint ~ 128

gravitáció ~-e 105

Kopernikusz, Nikolausz 14

kozmikus cenzúra-feltevés 56-57

kozmológiai állandó 27, 29, 100

kozmológiai elméletek, vallási 19

kozmológiai modell, első századi 14

kvantumelmélet 103

gravitáció ~-e 105-106, 119-120

szingularitás elve és a ~ 108-109

kvantumgravitáció 85, 101, 102-105, 107

kvantumgravitációs effektus 103, 129

kvantummechanika 47

általános relativitáselmélet és a ~ 83-85

antirészecskék a ~-ban 129

Einstein és a ~ 127

határozatlansági elve 74, 85, 127-128

virtuális részecskék a ~-ban 129

kvazár 60-61, 63-64

Laplace, Pierre-Simon, Marquis de 47

Lifsic, Jevgenyij 41-42

Linde, Andrej 101-102

lufi-modell 34

világegyetem kiterjedésének ~-je 34

mágneses jelenség és a bolygók pályája 15-16

Mars 14

Merkúr 14

Mitchell, John 47

~ és a fekete lyukak észlelése 62

mikrohullámú detektor 31-32

MIT (Massachusetts Institute of Technology) 96

mozgás matematikai formalizmusa 16

Murphy törvénye 114

Nagy Bumm-elmélet 21

katolikus egyház és a ~ 39

Fridman-modell és a ~ 38

fekete lyukak időtükrözése és a ~ 43-44

nagy egyesített elméletek 128

neutroncsillag 51-52

~ Nagy Bumm-modellben 92-93

pulzár mint ~ 61

Newton, Isaac 16, 48

Nobel-díj

háttérsugárzás felfedezéséért 33

hideg csillag elméletért 52

Olbers, Heinrich 18

Oppenheimer, Robert 53

ősi fekete lyukak 79

~ és a forró test típusú sugárzás 92

gammasugárzás és az ~ 80

~ keresése 80-83

~ lehetséges távolsága 81-82

összeesés

fehér törpék ~e 50-51

világegyetem ~e 36

Page, Don 123

Palomar-hegyi Obszervatórium 60

Pauli kizárási elve 50

neutroncsillagok és ~ 50-51

Peebles, Jim 33

Penrose, Roger 43-44, 55-56, 69

~és az eseményhorizont-elmélet nem csökkenő tulajdonsága 69-70

Penzias, Arno 31-32, 33

~ és a forró Nagy Bumm-modell 91

Philosophical Transactions of the Royal Society of London 47

Planck-energia 137, 138

Plútó 81

Porter, Neil 82

pozitív energiájú anyag 99

Principia Mathematica Naturalis Causae 17

prizma 26

pszichológiai nyíl 117-118

Ptolemaiosz 14, 26

pulzár 61

radar fejlesztése 39-40

relativitáselmélet 29-30

abszolút idő és a ~ 54

renormálás 129

Robertson, Howard 34

Robinson, David 59

röntgensugárzás 62

Ryle, Martin 40

Sarkcsillag 13

Scherk, Joël 132, 133

Schmidt, Maarten 60

Schwarz, John 132, 133

Schwarzschild, Karl 57

Schwarzschild-megoldás 58

stadion 13

Sternberg Csillagászati Intézet 101

sűrűség

fehér törpék ~e 50-51

világegyetem ~e 36-37

Szaturnusz 14

szingularitás és a Nagy Bumm-elmélet 38, 41, 42, 44, 55-56, 85, 94, 102-103, 108-109

színkép 26-27

~ és a kémiai elemek 27

hőmérséklet és ~ 27

Sztarobinszkij, Alekszandr 74, 75

táguló világegyetem 18, 21, 29

~ és a teremtés-elmélet 21

Hubble kísérlete és a ~ 28

Taylor, John G. 83-84

Tejútrendszer galaxis 25

~ forgása 26

Teremtés könyve 20

teremtés-elmélet 21

téridő-dimenziók 133-134

téridő-kontinuum 35-36

~ euklideszi modellje 104

fekete lyukak és a ~ 43

fény a ~-ban 53-54

~ görbülete 130

határtalan feltételek és a ~ 106-107

húrelmélet és ~ 133

képzetes idő elmélete a ~-ban 104-105

kvantumgravitáció és ~ 105-107

relativitáselmélet és ~ 54

~ szerkezete 39, 110, 121

termodinamika második főtétele 71-74

termodinamikai nyíl 115-116, 121

Thorne, Kip 63

tömegvonzás univerzalitásának elve 16

tudományos elmélet mint matematikai modell 109

túlhűtött víz 97

Vatikán 89, 106-107

végtelen időintervallum 55

végtelen világegyetem 17

végtelenek 17

Vénusz 14

világegyetem anyagsűrűsége 36

világegyetem korai modelljei 13-19

Arisztotelész 13

Galilei, Galileo 15

Kepler, Johannes 15

Kopernikusz, Nikolausz 14-15

Ptolemaiosz 14

világegyetem táguló modellje 21

~ és a teremtés-elmélet 21

~ és a határtalan feltétel 109-110

Hubble kísérlete és a ~ 28

pozitív anyagsűrűség a ~-ben 99

sűrűsége 36-37

világegyetem,

megfigyelhető ~ 14

Fridman egyszerűsítése és a ~ 30-31, 34-35

háttérsugárzás a ~-ben 32-33

Nagy Bumm-elmélet és a ~ 21, 38-39, 41

világegyetem valós idejű története 108

világegyetem végtelen statikus modellje 17-18, 20-21

világlepedő 131

világvonal 131

víz szimmetriája 97

vörös színű csillagok 27-28, 55

kvazárok mint ~ 60-61

Walker, Arthur 34

Weekes, Tervor 83

Wheeler, John 47, 58

nehézvíz elmélete 64

Wilson, Robert 31-32, 33

~ és a forró Nagy Bumm-modell 91

Wittgenstein, Ludwig 141

Zeldovics, Jakov 74, 75

Notes

[←1]

Napjainkban ezt az időpontot már 13,5-14 milliárd évre teszik. – A lábjegyzeteket a fordító írta be kiegészítésül vagy magyarázatképpen.

[←2]

Mivel az új csillagokat szimmetrikusan adtuk hozzá a rendszerhez, ezért a belül levő csillagokra gyakorolt hatásuk éppen semlegesíti egymást.

[←3]

A fehér fény az összes szín keverékéből áll elő. Az általános iskolai tananyagban szerepel egy pörgettyű, melyre ráfestjük az alapszíneket (piros, kék, zöld). A pörgettyűt gyorsan megforgatva a szemünk fehér korongot lát. A prizma ezt a keveréket képes az összetevő színekre bontani (akár a Napból jövő „sárga” fény esetében is), és a különböző színkomponensek fényessége árulkodik arról, hogy eredendően mely színekből mekkora hányadot kevertünk össze.

[←4]

Az izzást itt általánosan kell érteni. Egy jól felhevített fémdarab vörösen izzik. Ha tovább hevítjük, akkor már egyre inkább fehéren, azaz először vörös, majd fehér fényt bocsát ki. De a szobahőmérsékletű fémdarab is sugároz ki fényt, csak keveset és infravörösben, így fizikai értelemben az is „izzik”. Ebben a példában azt látjuk, hogy a hőmérséklet növekedtével a sugárzás az infravörös tartományból átcsúszik a fehér fény tartományába, azaz oda, ahol a látható színkomponensek egyenlő arányban vannak jelen: a színkép a hőmérséklettel változik. A legtöbb anyag ebből a szempontból igen hasonlóan viselkedik, az ideális sugárzó anyagot fekete testnek nevezzük, ez minden ráeső sugárzást elnyel (és nem ver vissza), majd a hőmérsékletének megfelelően visszasugározza.

[←5]

A kozmológiai állandót Einstein saját legnagyobb hibájának tartotta, azonban a huszadik század végének kutatásai kiderítették, hogy a kozmológiai konstans valószínűleg valóban létezik, és antigravitációs hatású. A szakirodalomban a hozzá kapcsolódó energia sötét energia néven szerepel, és hatása nagyobb, mint amire Einstein gondolt. Az egyenletnek ez a tagja biztosítja, hogy van olyan megoldás, mely a mai megfigyelésekkel összhangban egy gyorsulva táguló világegyetemet ír le, a korábban elfogadott lassulva tágulóval szemben. Erre mondják, hogy a zsenik tévedése is zseniális.

[←6]

Ez azt jelenti, hogy például a galaxisok vagy galaxishalmazok számát tekintve a különböző irányokban már igen hasonló értékeket mérünk.

[←7]

A kozmikus háttérsugárzás ilyen pontos mérését a NASA által 1989-ben felbocsátott COBE (Cosmic Background Explorer) műhold végezte el több évi munkával.

[←8]

A relativitáselméletben a teret és az időt egységes keretben tárgyaljuk – téridőként. Amikor felrajzoljuk egy kocsi által megtett utat az idő függvényében, gyakorlatilag ezt a téridőt szemléltetjük egy hely-és egy időtengely, azaz dimenzió segítségével. A görbe minden egyes pontját eseménynek nevezzük. Fizikai jelentése az eseményeknek van, az eltelt idő és a megtett út relatív fogalmak, függenek a megfigyelőtől.

[←9]

Ma ismereteink szerint ez 7,1 -7,4 százalék milliárd évenként.

[←10]

Ma már pontosabb becsléseink vannak, az anyagsűrűség körülbelül 30 százaléka a kritikus sűrűségnek (a látható anyag 5 százalék, a sötét anyag 25 százalék), míg a sötét energia körülbelül 70 százaléka, és a kettő együtt pont a kritikus sűrűséget adja. Ez azonban a Fridman-modellel ellentétben – mely nem számol a sötét energiával – azt jelenti, hogy a világegyetem örökké tágul, mégpedig gyorsulva!

[←11]

A szingularitás matematikai fogalom: egy gömb minden pontját meg tudom feleltetni egy kisebb (vagy nagyobb) gömb minden pontjának; például maradva a lufis hasonlatnál: bejelölöm a kérdéses pontot a lufin, amikor az akkora méretű, mint a nagyobb gömb, majd leeresztem akkorára, mint a kisebb gömb. Ezáltal a nagyobb gömbön levő minden egyes ponthoz egyértelműen hozzá tudok rendelni egy, a kisebb gömbön levő pontot, és fordítva is, a kisebb gömbön levő minden pontnak egyértelműen megfelel egy, a nagyobb gömbön levő pont. A probléma akkor lép fel, amikor a lufit végtelen picire tudom leereszteni, és kiterjedése akkora, mint egy matematikai ponté. Ilyenkor a nagyobb gömbök minden pontja ugyanahhoz az egy ponthoz rendelődik hozzá, így a hozzárendelés visszafelé nem egyértelmű: az egy szinguláris ponthoz végtelen sok pont tartozik a gömbfelületen. Az ilyen hozzárendeléseknek a matematikában csúnya következményei vannak. Fizikai következményei sem szívderítőek: a gravitációs erő például végtelen nagy lesz benne.

[←12]

Ez azt jelenti, hogy a tér görbülete nem túl nagy, azaz például érvényesek az euklideszi geometria alaptételei, többek között az, hogy a háromszög szögeinek összege 180°. Ez nyilvánvalóan nem igaz egy, a Föld felszínén mért háromszög esetében, ha az elég nagy: például az Északi-sarktól az Egyenlítőig terjedő háromszög esetén. Kis háromszögek esetén az eltérés olyan kicsi, hogy nem vesszük észre: lokálisan a Föld felszíne sík.

[←13]

A relativitáselmélet egyik alapfogalma a fénykúp: egy adott eseményből (téridőpontból) induló, illetve oda beérkező fénysugarak által kirajzolt felület. Az eseménytől felfelé levő fordított kúp rajzolja ki mindazokat az eseményeket, melyekre a kiinduló pont hatással lehet (belőle információ tud átjutni ezekbe a pontokba), az alapeseménytől lefelé álló kúp pedig azokat az eseményeket tartalmazza, melyek hatással lehetnek a vizsgált téridőpontra. A kúpon kívül levő pontok nincsenek ok-okozati kapcsolatban az alapeseményünkkel: azok nincsenek hatással rá, és az alapeseménynek sem lehet rájuk hatása.

[←14]

A Pauli-elv a kvantummechanika egyik alapelve. Azt mondja ki, hogy két anyagi részecske (fermion) nem lehet ugyanabban a kvantumállapotban, azaz ha túl közel kerülnek egymáshoz, akkor köztük igen erős taszítás lép fel. Ilyen részecskék az elektronok vagy az atommagot felépítő protonok és neutronok.

[←15]

Ez a tömeg nem a csillag kezdeti tömege, mivel a fejlődése során annak nagy részét a csillag kidobja magából különböző kitörések révén. Hogy a végső összeroppanás előtt a Chandrasekhar-határ körül legyen a tömege, a csillag kezdeti tömegének körülbelül nyolc naptömegnyinek kellett lennie.

[←16]

Egy kávéskanálnyi fehértörpe-anyag száz tonnát nyom.

[←17]

Einstein elmélete, melynek alapján megalkotta a világegyetem fejlődését leíró egyenletét is. Az általános relativitáselmélet azt tárgyalja, hogyan módosítják a tömeges testek a téridő geometriáját. A téridő-képben a fény mindig a „legrövidebb úton”, a geodetikuson közlekedik (a tömeg nélküli részecskék, tehát a fény részecskéi is a relativitáselmélet alapján mindig fénysebességgel mozognak), így ha egy fekete lyukból a fény nem tud kijutni, az azt jelenti, hogy az „egyenes” vonal nem jut ki a fekete lyukból, hanem visszakanyarodik beléje. Az ilyen téridőt görbültnek nevezzük, és nem érvényesek benne az euklideszi geometria egyes alaptételei.

[←18]

Már kialakult fekete lyukról van szó, melynek mérete és forgási sebessége nem változik.

[←19]

Valójában a világegyetemben a kettős csillagok gyakoribbak, mint az egyedülállók.

[←20]

Ezek a kis méretű, de számottevő tömegű csillagok képesek akkora gravitációs gyorsulást okozni, mely röngtensugárzás kibocsátásra készteti a behulló anyagot.

[←21]

Azaz tennénk egy lépést kifelé, de a gravitáció azonnal visszahúz egy lépést.

[←22]

Az entrópia a rendezetlenség mértéke, minél rendezetlenebb egy rendszer, annál nagyobb az entrópiája. Mivel egy véges télfogatban véges számú részecskét tartalmazó rendszer rendezetlensége nem lehet tetszőlegesen nagy, az entrópiának van egy legnagyobb értéke, mely felé törekszik, egybevágva a hétköznapi tapasztalattal, hogy a rendetlenség egyre nő.

[←23]

A kvantummechanika tárgyalja a kis, atomi méretű részecskék viselkedését, mely jelentősen eltérhet a megszokott, „klasszikus” fizikával leírható jelenségektől. De nagy rendszerre alkalmazva a kvantummechanika következményeit, természetesen vissza kell kapnunk a hétköznapi fizikát. Erre egy példa a határozatlansági elv, mely azt mondja ki, hogy egy részecskének nem tudom egyszerre meghatározni a helyét és a lendületét (sebességét), hasonlatosan ahhoz, ahogy egy kisgyereknél biztos lehetek benne, hogy a jól meghatározható legnagyobb sebességével rohangál, de hogy éppen hol van, azt nem lehet tudni. És ez fordítva is igaz. Tehát ha pontosan ismerem a részecske helyét, akkor a sebességét csak valamilyen bizonytalansággal tudom megállapítani: ez a bizonytalanság azonban „kicsi”, azaz atomi méretekben még jelentősnek számít, de a hétköznapi életben észre sem vesszük.

[←24]

Lásd 4. lábjegyzetet a 27. oldalon.

[←25]

Ez ismételten a határozatlansági elv megnyilvánulása, a hely-sebesség bizonytalansághoz hasonló összefüggés létezik az idő és az energia között: a részecske energiáját csak végtelen hosszú ideig tartó mérés határozhatja meg teljesen pontosan. Az energiamegmaradás rövid időre sérülhet, ennek köszönhetik létüket a virtuális részecskék: rövid időre – amennyit a határozatlansági elv megenged – megjelennek, de aztán – mivel hosszabb idő alatt helyre kell állnia az energiamegmaradás elvének – el kell tűnniük. Létezésük ideje nem elegendő arra, hogy eljussanak egy mérőberendezésig, és ott detektáljuk őket, de a könyvben is említett közvetett hatásuk révén kimutathatók.

[←26]

Ilyenkor egy részecske-antirészecske pár keletkezik, ahol a részecske (mint például az elektron) pozitív, az antirészecske (mint például a pozitron) negatív energiát képvisel.

[←27]

Ez azért lehetséges, mivel a fekete lyuk erős gravitációs terében az eredendően pozitív energiájú részecskék nála alacsonyabb (negatív) energiájú állapotban vannak, és hozzájuk képest a kiszemelt részecskénk magasabb energiájú, valódi részecskének látszik.

[←28]

Az osztozásnál, amikor a pár keletkezett, az antirészecske rovására extraenergiához jutott, így ő már nem kötött a fekete lyuk terében.

[←29]

A 4. lábjegyzet alapján a sugárzás spektrumát megfeleltethetjük egy „izzó” test által kibocsátott sugárzásnak. A sugárzás hőmérséklete alatt ennek az izzó testnek a hőmérsékletét értjük, ami 2,7 K esetében igen szimbolikussá teszi az „izzást”.

[←30]

A csillagban magában a fúzió csak a vasig jut el, a vasnál nehezebb elemek mind a szupernóva-robbanásban keletkeznek.

[←31]

Ehhez vagy nagyon gyors hűtésre van szükség, vagy a folyadék teljes nyugalmára a hűtés során. A túlhűtött folyadék ezek után igen gyorsan, robbanásszerűen fagy meg.

[←32]

Amikor az így felhalmozott energia elkezd felszabadulni, jelentős mozgási energiát ad át, jellemzően kifelé irányuló lökéshullámok formájában, melyek a rendszer tágulásának gyorsulásához vezetnek, azaz úgy tűnik, mintha a gravitációs vonzással ellentétes hatást – az antigravitációt – kapcsoltuk volna be.

[←33]

Ezt a sötét energia jelentős szerepének felfedezése óta már nem állíthatjuk ennyire biztosan.

[←34]

A legújabb mérések szerint a világegyetem napjainkban gyorsulva tágul, de a gyorsulás jóval szerényebb, mint az infláció korában volt.

[←35]

Ez a felfogás hasonlít a fény hullámterjedésére: a fény nem egy jól meghatározott pályán megy át két pont között, hanem a hullámfront minden egyes pontja forrása újabb hullámoknak, melyek együttes hatása alakítja ki a hullámfrontot. Azaz két pont, A és B között a fény minden lehetséges utat kipróbál, és a kioltások és erősítések hatása az, amit végül észlelünk. Feynman elmélete e tény matematikai megfogalmazásának fogható fel, a részecskék is minden lehetséges útvonalat kipróbálnak A és B pontok között, és ezek eredője írja le mozgásukat.

[←36]

Ez azt jelenti, hogy a távolság mindig pozitív mennyiség. Az eredeti einsteini elméletben az idő negatív, a térkoordináták pozitív járulékot adnak a távolsághoz, így a téridőbeli távolság lehet pozitív is, de negatív is. A fény van abban a speciális helyzetben, hogy ezt a két tartományt (pozitív, illetve negatív távolságok) kettéválasztja, a téridőben az egy pontból kiinduló fénysugarak fénykúpot írnak le, aminek a belseje az „időszerű”, negatív távolságokat, külseje a „térszerű”, pozitív távolságokat tartalmazza.

[←37]

The no boundary condition – szójáték szakértőknek.

[←38]

Olyan állapotból, mely már „közel” van a legnagyobb rendezetlenséghez, így ez utóbbit a világegyetem ismert kora alatt képes elérni.

[←39]

A jelenlegi ismereteink szerint sohasem fog bekövetkezni.

[←40]

Lásd 5. lábjegyzetet a 30. oldalon.

[←41]

Folytonos közegnek nevezzük a nem elemi tömegpontokból álló rendszereket, például a folyadékot vagy a rugalmas testeket.

[←42]

Ennek ellentmond Gerard t’Hooft Nobel-díjas holland fizikus elképzelése, amely szerint minden elmélet csak effektív, a teljes elmélethez ismerni kellene minden kísérleti eredményt végtelen nagy energiáig, ami viszont elvileg lehetetlen.

[←43]

Azaz hatásuk olyan, mintha a világegyetemben túl sok anyag lenne. Ez a zárt világegyetemnek felel meg, ahol a kritikus anyagsűrűséghez tartozó sík téridő annyira meggörbül, hogy például egy gömbbé záródik.

[←44]

A spin az elemi részecskék belső perdülete, mely egész és félegész (azaz 1, 3/2, 5/2 stb.) értékeket vehet fel. A félegész értékeket felvevő részecskéket nevezzük anyagi részecskének (ilyen az elektron, proton, neutron), az egész értékeket felvevőket pedig közvetítő részecskéknek (ilyen például a foton). Az itt említett graviton egész spinű, azaz közvetítő részecske, a gravitációs kölcsönhatás közvetítéséért felelős.

[←45]

Ezek az egyik irányban egész spinűek, a másik irányban feles spinűek. Horváth Zalán akadémikus ezért felemás húroknak nevezi őket.

[←46]

Olyan, mint egy úszógumi felülete.

[←47]

Valóban, az elmúlt években a terület igen gyorsan fejlődött, ötvözték a részecskéknek a szupergravitációban ismertetett szuperpartnereivel, kiterjesztették húrokról membránokra és még magasabb dimenziójú alakzatokra, továbbá sikerült megmutatni, hogy bizonyos esetekben a húrelmélet megfeleltethető más ismert kvantumtérelméletekkel (dualitás).

[←48]

Időközben elmúlt az ezredforduló, de a kérdés még mindig nyitott.

[←49]

Ez cseng össze t’Hooft álláspontjával.

[←50]

Néhány ilyen elméletet az elmúlt évek során már ki is lehetett zárni az új mérések révén.

[←51]

Ez a várakozás sem teljesült.

Table of Contents

Notes