John Gribbin

A multiverzum nyomában

Az eredeti mű címe:

John Gribbin

In Search of the Multiverse Allen Lane, London, 2009

Fordította: Both Előd Lektor: Szabados László Copyright © John és Mary Gribbin, 2009

Hungarian translation © Dr. Both Előd, 2010

Hungarian edition © Akkord Kiadó, 2010

Minden jog fenntartva. A könyv bármely részlete csak a kiadó előzetes engedélyével használható fel.

ISBN 978-963-252-034-6

ISSN 1586-8419

Kiadja az Akkord Kiadó Kft.

Felelős kiadó: Földes Tamás Felelős szerkesztő: Várlaki Tibor Szerkesztette: Oláh Judit Borítóterv: Kállai Nagy Krisztina Tördelés, tipográfia: Szmrecsányi Mária Számosak és különösek az Idő Folyójának habjaként tovasodródó univerzumok. (ARTHUR C. CLARKE „The Wall of Darkness”, a The Other Side of the Sky című kötetben) Ha csak azért vetünk el egy elméletet, mert túlságosan merésznek tűnik, akkor kockára tesszük a valódi áttörések lehetőségét. (MAX TEGMARK, a Massachusetts Műszaki Egyetem fizikusa)

- Tartalom

- Köszönetnyilvánítás

- Előszó

- Bevezetés

- 1. A kvantummacskák színre lépnek

- A történelem ágas-bogas fája

- 2. Még egyszer a kozmikus egybeesésekről

- Fodrozódások a kozmikus óceán sima felszínén

- 3. Kvantumbitek és időcsúszások

- A multiverzum metaforája

- 4. Minden irányban végtelen

- Idő és termodinamika

- 5. (Mintha) újrakezdenénk

- Buborékok az Idő Folyóján

- A gravitáció a figyelem középpontjába kerül

- A feneketlen kút

- 7. Hamisítsuk? Vagy alkossuk meg?

- Új távlat

- Irodalomjegyzék

- Kislexikon

Tartalom

Köszönetnyilvánítás Előszó A kutatás

Bevezetés Egy végtelen Világegyetemben bármi megtörténhet 1. A kvantummacskák színre lépnek Se nem részecske, se nem hullám A bizonytalanság kvantuma Az egyetlen rejtély

Az elképzelhetetlen értelmezése Az összes kvantummacska anyja Hugh Everett sokvilága

A történelem ágas-bogas fája Everettet befogadja a társaság 2. Még egyszer a kozmikus egybeesésekről A szén különös rezonanciája Miért olyan nagy a Világegyetem?

A nukleáris hatásfok

A gravitáció hihetetlen gyengesége A kozmológiai állandó legmegfelelőbb értéke Fodrozódások a kozmikus óceán sima felszínén Három dimenzió jó, több dimenzió rossz Az élet: főnyeremény

3. Kvantumbitek és időcsúszások Létezés két elmében

A kvantumszámítógép nyomában Az idegölő alkalmazás

Gyakorlatias ügyek

Hol történik meg mindez?

A multiverzum metaforája Mikor történik meg mindez?

Időcsúszások

Tágabb látóhatárok

4. Minden irányban végtelen Az idő iránya

A Világegyetem hőhalála Minden felfogható véletlen esemény Idő és távolság

Idő és termodinamika

A kozmikus irány és a gravitáció kútja; Visszapattanás?

Vissza a jövőbe

5. (Mintha) újrakezdenénk A részecskekapcsolat

Semmiből nem lesz valami Felfújjuk a Világegyetemet Az állandó állapot visszatérése?

Buborékok az Idő Folyóján Örökké tartó felfúvódás és egyszerű kezdet Boltzmann agya, az idő iránya és a fizika oksági tartományai A végtelenig - és azon túl!

6. A húrok a lényeg A gravitáció a figyelem középpontjába kerül Két megközelítés és egy harmadik Kompakt, de tökéletes alakú Az M-elmélet varázsa

Még egyszer a gravitáció hihetetlen gyengeségéről Amikor a világok összeütköznek Saját hajánál fogva...

A feneketlen kút

Sok olyan hely van, mint az otthonunk A kozmikus tájkép felderítése Schrödinger macskája visszatér 7. Hamisítsuk? Vagy alkossuk meg?

Tudomány-e mindez?

Belső információ

A hamisítók

Fekete lyukak és csecsemőuniverzumok Az univerzumok természetes kiválasztódása Új távlat

Univerzumok készítői

Evolúció a tervezett univerzumokban Univerzum - megrendelésre

Köszönetnyilvánítás

A multiverzum gondolata már gyermekkorom óta izgatta a fantáziámat, ám tudományosnak nevezhető érdeklődéssel csak az 1960-as évek közepe táján fordultam a kérdés felé. Az azóta eltelt több mint negyven év alatt nagyon sok emberrel folytattam eszmecserét és leveleztem ezzel kapcsolatban, az így megszerzett információkat igyekeztem jelen könyvem javára felhasználni. Mindamellett, számos szakemberrel kizárólag azért léptem kapcsolatba, hogy könyvemhez anyagot gyűjtsek. Nem emlékszem már mindannyiuk nevére, de a következő személyekről semmiképpen sem feledkezhetek meg: Jim Baggott, Julian Barbour, Warwick Bilton, Raphael Bousso, John W. Campbell, Bernard Carr, Louise Dalziel, Paul Davies, Richard Dawkins, David Deutsch, George Ellis, John Faulkner, William Fowler, Neil Gershenfeld, Nicolas Gisin, Simon Goodwin, Philippe Grangier, Ted Harrison, Mark Hindmarsh, Fred Hoyle, Lawrence Krauss, Louise Lockwood, Jim Lovelock, William McCrea, Paul Parsons, Joe Polchinski, Martin Rees, Lee Smolin, Leonard Susskind, Max Tegmark, Edward Tryon, Alex Vilenkin és Ronald Wiltshire. Kenneth Ford és Eugene Shikhovtsev azt is megengedte, hogy utóbbinak Hugh Everettről szóló életrajzi vázlatából idézzek.

A tudományos szakértelem szempontjából a másik végletet menyem, Eleanor Gribbin képviselte, akit az angol oktatási rendszeren belül a legcsekélyebb mértékben sem érintettek meg a természettudományok, mindamellett sokat profitáltam kritikus megjegyzéseiből, különösen, amikor szelíden figyelmeztetett arra, hogy nem minden esetben igaz az, hogy valami „mindenki számára jól ismert”, amiről én ezt gondolom. Végül, akárcsak az összes többi könyvem esetében, Mary Gribbin megjegyzései biztosították, hogy a végeredmény egy összefüggő történet legyen, ne pedig a fantáziám szárnyalása által érintett, számomra legkedvesebb történetek összefüggéstelen gyűjteménye.

A multiverzum mint könyvtár hasonlata akkor jutott az eszembe, amikor meglátogattam a Clays nyomdát - nekik tehát nemcsak az ott töltött emlékezetes napért tartozom köszönettel, hanem azért is, mert ennek az ötletnek a magvát elültették a fejemben.

Előszó

A kutatás

Mindig is izgatott az élet és a Világegyetem közötti kapcsolat. Hogyan jutottunk el idáig? Miért ilyen nagy a Világegyetem? Hogyan kezdődött mindez - és miként fog véget érni? Miközben ezekre a kérdésekre kerestem a választ, amennyit csak tudtam, megtanultam a csillagászatról és a kozmológiáról, a kvantummechanikáról, az evolúcióról, a Föld történetéről és „más Földek” létezésének a lehetőségéről, valahol a Világegyetemben. Vizsgálódásaim egyik legfontosabb eredménye az volt, hogy a Világegyetemünket egy sor nagyon egyszerű törvény irányítja, amelyek nemcsak lehetővé teszik, de egyenesen meg is követelik a komplexitás növekedését, és ennek eredményeképpen olyan bonyolult dolgok jönnek létre, mint amilyenek mi magunk vagyunk. Emellett megtanultam azt is, hogy különbséget tegyek a „Mi Világegyetemünk” és „A Világegyetem” között, hiszen nincs okunk feltételezni, hogy a téridő más tartományaiban ne működhetnének más törvényszerűségek túl bármely határon, amelyet valaha is megpillanthattunk, ahol ily módon a miénktől különböző univerzumok jöhetnek létre, amelyekben talán nem alakulhatnak ki olyan bonyolult teremtmények, mint az ember.

Lényegében ez a „multiverzum” alapötlete. A fogalmat gyakran, bár nem mindig, az „antropikus kozmológia” elképzelésével kapcsolják össze, amely szerint azért látunk magunk körül egy, az élet számára éppen alkalmas Világegyetemet, mert számtalan univerzum létezik, amelyekben különbözőek a fizikai törvények, de a hozzánk hasonló élőlények csak a miénkhez hasonló univerzumokban képesek létezni. A többi univerzum ennek megfelelően tehát steril, így senki sem figyelheti meg, milyen különösek az ott uralkodó viszonyok.

Akkor hát hol vannak ezek az univerzumok? Fizikai úton nem tudjuk megkeresni őket, olyan formán, ahogyan a XVIII. században James Cook körbehajózta a Földet, hogy megkeresse a déli kontinenst, a matematikusok és a fizikusok azonban képletesen mégiscsak megkereshetik őket, amikor a multiverzum leírására alkalmas egyenleteket írnak fel és számítógépes modelleket fejlesztenek ki. Munkájuk során valójában számos különböző fajta multiverzumot fedeztek fel. A multiverzum térben végtelen lehet, így a tér eltérő fizikai törvények által uralt tartományait végtelen távolságok választhatják el egymástól, ezért e tartományok soha nem kommunikálhatnak egymással. A multiverzum időben is végtelen lehet, vagyis az eltérő fizikai törvények által meghatározott univerzumok sorban egymás után helyezkedhetnek el, mint a nyakláncon a gyöngyszemek, és így ugyancsak nem kommunikálhatnak egymással. A multiverzum különböző, egymástól elválasztott dimenziókban végtelen számú univerzumot tartalmazhat, mintha azok egy végtelenül vastag könyv lapjai lennének, ahol minden egyes lap egy olyan univerzumnak felel meg, amelyik nem képes a könyv többi lapjával kommunikálni. További lehetőségek is vannak azonban.

Könyvünk a multiverzum átvitt értelemben értendő kereséséről, valamint a napjainkban ezzel kapcsolatban megfontolás tárgyát képező, változatos lehetőségekről szól. Lehetetlen megmondani, hogy az elképzelések közül „helytálló-e” valamelyik, és ha igen, akkor melyik az, amelyik képes pontos leírást adni a létező világról. Amint azonban a későbbiekben világossá válik, nekem megvan a magam kedvence a hipotézisek között. Remélem, emellett az is világossá válik majd a könyvemből, talán kevesebb különbség van a multiverzumra vonatkozó különböző nézetek között, mint ahogyan az első pillanatra látszik, és az eltérő vélemények mindegyike fontos lehet a multiverzum teljes megértése szempontjából. A legfontosabb körülmény az az elmúlt jó húsz évben bekövetkezett szemléletváltozás, amelynek eredményeképpen az efféle elképzeléseket ma már komolyan veszik a tudományos közösségen belül, és immár nem olyan eszelős tekintetű elméleti fizikusok képzelgéseinek tekintik, akik túlságosan sok sci-fit olvastak. Folyton gyarapodnak az egyre kevésbé figyelmen kívül hagyható bizonyítékok arra vonatkozóan, hogy a világ több annál, mint amit a Világegyetemben képesek vagyunk közvetlenül megfigyelni.

Még ha a multiverzumra vonatkozó, az elméleti fizikusok által jelenleg tanulmányozott elképzelések egyike sem bizonyulna helytállónak - vagy lehetetlen lenne bebizonyítani róluk, hogy helyesek vagy hibásak -, akkor is éppolyan jelentős eltolódás következett be a szemléletben, mint amikor rájöttek, hogy nem a Föld a Világegyetem középpontja. Ez az állítás már oly sokszor elhangzott, hogy közhellyé vált, ebben az esetben azonban mégiscsak igaz. Még az is kiderül, hogy ahhoz a problémához is hozzá tud szólni, hogy a Világegyetem véletlenül vagy tervezés eredményeképpen jelent-e meg. Olyan választ kapunk, amelyre igazán nem számítottam, amikor elkezdtem a bizonyítékok után kutatni. A multiverzum fogalmával kapcsolatban egyelőre még több a nyitott kérdés, mint a válasz, mindamellett egyértelműen elérkezett az idő, amikor át kell tekinteni, melyek ezek a megválaszolatlan kérdések, és hogyan haladunk a válasz keresésével.

Bevezetés

Egy végtelen Világegyetemben bármi megtörténhet

Ötszáz évvel ezelőtt a Világegyetem meglehetősen kicsinek tűnt. A széles körben uralkodó felfogás szerint a Világegyetem legfontosabb objektuma otthonunk, a Föld, amely annak középpontjában helyezkedik el. A Nap és az akkor ismert öt bolygó (a Merkúr, a Vénusz, a Mars, a Jupiter és a Szaturnusz) az akkori elképzelések szerint viszonylag kisméretű égitestek voltak, amelyek a Föld körül keringtek. A csillagokat a Földet körülölelő, a bolygók pályáján csak alig valamivel túl elhelyezkedő és a Föld körül naponta egyszer körbeforduló gömbhéj felületére rögzített pontoknak tekintették. A nappalok és éjszakák, illetve az évszakok váltakozásának ritmusától eltekintve ez az elrendeződés változatlannak és örökkévalónak tűnt. Más (lakott) világok létezésének a puszta gondolata is a szó szoros értelmében eretnekségnek számított. A XVI. század legvégén Giordano Brunót máglyán megégették, mert a katolikus egyház tanításával ellentétes nézeteket vallott. E nézetei közé tartozott az is, miszerint a csillagok más napok, és létezniük kell más földeknek is, sőt valahol a Világegyetemben életnek is - hozzá kell azonban tennünk, hogy nem elsősorban ezen gondolatai miatt szabták ki rá a halálos ítéletet.

A helyzet akkor kezdett megváltozni, amikor 1543-ban megjelent Nikolausz Kopernikusz híres könyve, Az égi pályák körforgásáról (De revolutionibus orbium coelestium) címmel. Már az ókorban is akadtak olyan filozófusok, akik azt fontolgatták, hogy esetleg a Föld keringhet a Nap körül, azonban ezek az elgondolások egészen a XVI. századig nem voltak széles körben elfogadottak. Kopernikusz munkásságával kezdődött meg az a máig is töretlen kutatási vonal, amelynek eredményeképpen kialakult a Világegyetemről alkotott mai képünk. Kopernikusz nézeteiben nemcsak az volt sokkoló hatású, hogy a Földnek mozognia kell ahhoz, hogy a Nap körül tudjon keringeni, hanem az elképzelésnek az a következménye is, miszerint a Föld csupán egyike a Napot kísérő bolygóknak. A kozmikus rendszerben tehát a többi bolygó ugyanolyan fontos szereplőnek bizonyulhat, mint a saját kozmikus otthonunk.

A következő megrázkódtatást az a felismerés jelentette, miszerint a Nap talán nem az égbolt legfontosabb objektuma, hanem csak egy közönséges csillag. Angliában 1576-ban Thomas Digges, miután távcsövén keresztül megfigyelte a Tejutat, és ott csillagok sokaságát látta, Prognostication Everlasting című könyvében kijelentette, hogy a Világegyetem végtelen, és minden irányban csillagok találhatók. Bruno magáévá tette ezeket a gondolatokat, amikor az 1580-as években Angliában járt. Kopernikusz munkásságára támaszkodva Galileo Galilei és Johannes Kepler, valamint a XVII. században több más csillagász is megpróbálkozott a csillagok távolságának becslésével, abból a feltevésből kiindulva, hogy minden egyes csillag olyan fényes lehet, mint a Nap, és csak azért látszanak sokkal halványabbnak, mert nagyon messze vannak tőlünk. 1685-ben Isaac Newton becslésekkel arra a következtetésre jutott, hogy a Szíriusz nevű csillag körülbelül egymilliószor távolabb van a Napnál. Eredménye nem esik reménytelenül messze a mai modern műszerekkel megállapított távolság nagyságától. Addigra már megértették a bolygók pályáinak valódi természetét, és geometriai módszerekkel meghatározták, milyen távol keringenek az egyes bolygók a Naptól. A csillagászok már tudták, hogy a Nap mintegy 150 millió kilométerre található a Földtől (a modern mérések szerinti pontos érték 149 597 870 km). A Szaturnusz, az ókorban ismert bolygók közül a legtávolabbi, mintegy tízszer olyan messze van a Naptól, mint mi. Mindössze kétszáz év leforgása alatt mindaz, ami korábban a teljes, Föld középpontú univerzumnak tűnt, a ténylegesen hatalmas, sőt valószínűleg végtelen Világegyetem aprócska zugává zsugorodott.

További kétszáz évbe telt, mire ezek az elgondolások elfogadottá váltak, miközben a távcsövek, a csillagászati fényképezés és a spektroszkópia technikailag odáig fejlődött, hogy küszöbönállt a következő nagy ugrás. Az összkép szempontjából kevesebbet nyomott a latban, hogy eközben a Szaturnusz pályáján túl újabb bolygókat fedeztek fel (az Uránuszt és a Neptunuszt), fontosabbnak bizonyult, hogy kialakultak a csillagok pontos távolságának meghatározására alkalmas módszerek, a színképelemzés fejlődésének köszönhetően pedig azt is meg lehetett állapítani, miből vannak. Ezeknek az új módszereknek köszönhetően az 1920-as évektől kezdődően először jobban megértettük elhelyezkedésünket a Világegyetemen belül, előbb térben, később pedig időben, vagyis a történetében is.

Kis távcsövével Thomas Digges felismerte, hogy a Tejútnak nevezett, fénylő sáv az égbolton megszámlálhatatlanul sok csillagból áll. Galilei, aki nem ismerte Digges munkásságát, néhány évtizeddel később, tőle függetlenül ugyanerre a felismerésre jutott. Digges úgy gondolta, hogy a távcsövével megpillantott csillagok sokasága a tér minden irányában a végtelenségig folytatódik, azonban Thomas Wright durhami csillagász An Original Theory or New Hypothesis of the Universe (Az univerzum eredeti elmélete, avagy egy új hipotézise) című könyvében már 1750-ben a Tejút sávjának az égen végigfutó alakjából arra következtetett, hogy a Tejútrendszer véges kiterjedésű, korong alakú rendszer, amelyet ő malomkőhöz hasonlított. Döntő jelentőségű volt az a felismerése, amely szerint a Nap ennek a csillagtömegnek nem a középpontjában helyezkedik el. Azt is felvetette, hogy a távcsőben felismert és ködöknek nevezett, elmosódott fényfoltok a Tejútrendszeren kívül fekvő objektumok.

Wright elméleti érvelésével megelőzte a korát, hiszen elgondolását a XVIII. és a XIX. század technológiáját alkalmazva nem lehetett észlelésekkel ellenőrizni. Munkássága jószerével feledésbe merült, és csak akkor figyeltek fel rá ismét, amikor a XX. században végzett észlelésekkel sikerült kimutatni, hogy a Tejútrendszer alakja nagyjából valóban megfelel a várakozásainak, ugyanakkor ezek a megfigyelések sokkal pontosabb részleteket tártak fel a Világegyetem természetére vonatkozóan.

Az 1920-as években végzett megfigyelések alapján már tudjuk, hogy a Tejútrendszer valóban nagyjából korong alakú képződmény, amely néhány százmilliárd, többé-kevésbé a Naphoz hasonló csillagot tartalmaz, amelyeket a gravitáció tart össze, és amelyek a rendszer közös tömegközéppontja körül keringenek. A korong átmérője nagyjából 100 000 fényév (vagy a csillagászok által jobban kedvelt mértékegységben kifejezve körülbelül 30 kiloparszek), vagyis a csaknem 300 000 km/s sebességgel száguldó fénysugár 100 ezer év alatt szelné át a korongot. Egy fényév mintegy 9,5 billió km-rel egyenlő. A Nap a Tejútrendszer középpontja és pereme közötti távolság mintegy kétharmad részénél található, a Nap környezetében körülbelül ezer fényév (kb. 300 parszek) vastag korong fősíkja közelében. Ezek a lenyűgöző számadatok messze meghaladják a Kopernikusz előtti korban a Világegyetemről alkotott kép jellemzőit, mindamellett eltörpülnek, ha figyelembe vesszük, hogy az egész, Tejútrendszernek nevezett galaxis csupán apró sziget a térben, és ugyanolyan jellegtelen és átlagos tagja a galaxisok közösségének, mint amennyire jellegtelen és átlagos a Nap a csillagok között.

Akárcsak magának a Tejútrendszernek a természetére vonatkozó elképzelései, Wrightnak az az ötlete is helyesnek bizonyult, hogy a ködök - vagy legalábbis egyesek közülük - a Tejútrendszeren kívül helyezkednek el. Egyes ködök egyszerű, világító gáz-és porfelhők a Tejútrendszeren belül (ezeket továbbra is ködöknek nevezzük), a „külső” ködöket viszont ma galaxisoknak nevezzük. A galaxisok különböző alakúak és méretűek lehetnek, de a Tejútrendszer a korong alakú galaxisok osztályának csaknem pontosan átlagos méretű tagja. Ez tehát a Világegyetemen belüli térbeli elhelyezkedésünkre vonatkozó végső felismerés, e szerint a Föld egy átlagos csillag körül kering, amely csillag egy közönséges galaxis több százmilliárd csillaga közül az egyik, galaxisunk pedig egyike a sok százmilliárd hasonló csillagszigetnek. A Világegyetemben elfoglalt helyünk tehát semmilyen szempontból sem különleges.

Becslések szerint napjaink távcsöveivel elvben galaxisok százmilliárdjait lehet megfigyelni, bár ezek közül csak néhány ezret vettek tüzetesebben szemügyre a csillagászok. A galaxisok a galaxishalmazoknak nevezett csoportokba tömörülve töltik be a látható Világegyetemet, az eddig lefényképezett legtávolabbiak fénye több mint tízmilliárd éven keresztül utazott, mire távcsöveinkbe érkezett. Ez nem pontosan ugyanaz, mintha azt állítanánk, hogy ezek a galaxisok több mint tízmilliárd fényév távolságban vannak tőlünk, mert az 1920-as évek észlelésein alapuló másik, ugyancsak óriási jelentőségű felfedezés értelmében a galaxishalmazok távolodnak egymástól. A Világegyetem tágul, ezért tízmilliárd év elteltével az egykor a fényt kibocsátó galaxisok már nem ugyanolyan távol vannak egymástól, mint amikor a most megfigyelt fény útjára indult.

Az egyetemes tágulás jelenti a kulcsot kozmikus történelmünk megértéséhez. Bár Albert Einstein megjósolta a létezését, ám ő maga figyelmen kívül hagyta ezt az előrejelzését, így a felfedezés a véletlen műve volt. Az 1920-as évek végén és az 1930-as évek elején Edwin Hubble amerikai csillagász a galaxisok távolságának meghatározása iránt kezdett érdeklődni. Kollégájával, Milton Humasonnal együtt dolgozva felfedezték, hogy a galaxisok távolsága egyenesen arányos a színképük jellegzetes vonalainál mérhető vöröseltolódással. A vöröseltolódás pontosan az, amire a neve alapján gondolunk - a színkép jellegzetes alakzatai a spektrum vörös vége felé eltolódva látszanak, ahhoz képest, ahol a laboratóriumban felvett színképben ugyanezek a színképvonalak megjelennek. Hubble nem törődött azzal, miért lépett fel a jelenség, és magyarázatot sem próbált adni rá - őt csak a galaxisok távolságának a megállapítása érdekelte. Más csillagászok azonban hamarosan felismerték, hogy a jelenséget az okozza, hogy a galaxisok (pontosabban szólva a galaxishalmazok) közötti tér az idő múlásával megnyúlik.

Felfedezését követően a kozmológiai vöröseltolódást azért kezdték nagyon hamar így értelmezni, mert a tér megnyúlása az Albert Einstein által a XX. század második évtizedében kidolgozott általános relativitáselmélet természetes következményeként adódott. Abban az időben a legtöbben még úgy gondolták, hogy a Tejútrendszer azonos az egész Világegyetemmel, és természetesen a Tejútrendszer nem tágul. Ezért Einstein kénytelen volt bevezetni egyenleteibe egy extra tényezőt, amelyet ő a görög lambda (Λ) betűvel jelölt, és amelyre gyakran „kozmológiai állandóként” hivatkoznak. Amikor ezt az állandót eltávolította, akkor az általános relativitáselmélet egyenletei természetszerűleg olyan univerzumot jósoltak meg, amelyik pontosan úgy tágult, ahogyan az a galaxisok megfigyelése alapján kimutatható volt. (Itt és a továbbiakban a nagy kezdőbetűvel írott „Világegyetem” (vagy Univerzum) fogalmát akkor használom, ha a maga teljességében mindarról beszélek, amit elvben megfigyelhetünk. Ezzel szemben a kis kezdőbetűvel írott „univerzum” (világegyetem) kifejezést akkor használom, ha a téridő bizonyos tartományai lehetséges viselkedésének matematikai leírásáról (modelljeiről) beszélek, vagy ha más, a mi terünkön és időnkön kívül esetleg létező világokra hivatkozom. Az általános relativitáselmélet táguló univerzuma ebben az értelemben matematikai modell, amelyik azonban helyesen írja le a valóságosán létező Világegyetem viselkedését.) Fontos rámutatnunk arra a körülményre, hogy ez a tágulás valójában magának a térnek a tágulása. A kozmológiai vöröseltolódást tehát nem az okozza, hogy a galaxisok mozognak a térben, bár az úgynevezett Doppler-hatás eredményeképpen vöröseltolódás (akárcsak kékeltolódás) ilyen módon is létrejöhet. A vörös fénynek nagyobb a hullámhossza, mint a kéknek, és a kozmológiai vöröseltolódás azért következik be, mert a fényhullámok megnyúlnak, miközben a távoli galaxistól abban a térben haladnak felénk, amely tér maga is megnyúlik.

Az effajta tágulás kulcsfontosságú jellemzője, hogy nincs középpontja, ellentétben azzal, ahogyan például a repeszdarabok széjjelrepülnek egy bomba felrobbanásának helyéről kiindulva. A Doppler-hatás analógiája alapján a csillagászok gyakran hivatkoznak a galaxisok „távolodási sebességére”, noha pontosan tudják, hogy a kozmológiai vöröseltolódást nem a galaxis térbeli mozgása okozza. Valójában arra gondolnak, mekkora lenne az a sebesség (ekvivalens sebesség), amelyik a Doppler-effektus révén pontosan a megfigyelttel azonos mértékű vöröseltolódást hozna létre. Ezzel a szóhasználattal élve a sebesség arányos a tőlünk mért távolsággal - de a távolság és a távolodási sebesség között ugyanezt az összefüggést állapítanánk meg akkor is, ha bármelyik másik galaxisból vizsgálnánk az összes többit. Nem vagyunk tehát a Világegyetem középpontjában, mert nincs is középpont.

Mindezt egyszerű analógiával szemléltethetjük. Képzeljünk el egy gömböt, mondjuk egy kosárlabdát, amelynek a felületére véletlenszerű eloszlásban pöttyöket festettünk. Ha a labda méretét a kétszeresére növeljük, akkor minden egyes ráfestett pötty távolabbra kerül szomszédaitól. Bármely pontból kiindulva hajtjuk végre a mérést, a többi pötty mindig távolodni látszik. Ez újabb bizonyítéka annak, hogy nincs speciális helyünk a Világegyetemben. A Föld, amely távolról sem foglal el kitüntetett helyet, olyan átlagos helyen található, hogy Alex Vilenkin orosz kozmológus helyzetünk jellemzésére megalkotta a „földi középszerűség” fogalmát.

Jóllehet a kozmológiai vöröseltolódást tehát nem az okozza, hogy a galaxisok szerteszét repülnek a térben, mintha egy hatalmas robbanás repítette volna szét őket, mégis, ha a kozmikus tágulás folyamatát visszafelé lejátszódva képzeljük el, akkor rájövünk, hogy a kozmológiai vöröseltolódás ténye alapján mindaz, amit ma magunk körül megfigyelhetünk, réges-régen egy nagyon kicsiny térrészbe volt összezsúfolva. Mindezt azok az egyenletek is alátámasztják, amelyek oly szépen leírják a Világegyetem megfigyelhető tágulását. A Világegyetem tágulására vonatkozó modern méréseket a matematikai modellel kombinálva arra a következtetésre juthatunk, hogy az egész látható Világegyetem fejlődése kb. 13,7 milliárd évvel ezelőtt kezdődött, amikor minden egy atoménál kisebb térfogatú forró tűzgömbbe volt összezsúfolva.

Ennek a számértéknek figyelemre méltó a pontossága. A közelmúltban, mindössze húsz évvel ezelőtt a kozmológusok még azon vitatkoztak, hogy a „Világegyetem kora” a 10 vagy a 20 milliárd évhez lehet-e közelebb, vagyis a tényleges életkorát csak egy kétszeres szorzó bizonytalanságával tudták megbecsülni, mindamellett, a néha heves vitában részt nem vevők számára ez is lenyűgöző pontosságnak tűnt. Ehhez képest mára már alig maradt mozgásterünk, hiszen biztonsággal állíthatjuk, hogy a Világegyetem kora valahol 13,6 és 13,8 milliárd év között lehet. A Világegyetem kitörését ebből a parányira összezsugorodott állapotából nevezzük Ősrobbanásnak, amely kifejezést Big Bang (azaz szó szerint Nagy Bumm) formában Fred Hoyle brit kozmológus alkotta meg, méghozzá azért, hogy kifigurázza az általa nevetségesnek tartott elképzelést. A kifejezés azonban meggyökeresedett, noha tudjuk, hogy szó sem volt semmiféle robbanásról, durranásról pedig még kevésbé.

A Világegyetem véges korának felfedezése, az idő múlásával bekövetkező változásának („fejlődésének”) bizonyítékaival együtt segít megtalálni a helyünket a kozmikus történelemben. Kiderül, hogy bizonyos értelemben a történelem különleges időszakában élünk, bár ez nincs ellentmondásban a kozmikus középszerűség eszméjével (vagy mások szóhasználatával: annak elvével). Amint később részletesebben kifejtem, bizonyos időbe telt, mire a csillagok és a galaxisok kialakultak, a csillagok belsejében pedig létrejöttek azok a kémiai elemek, amelyekből a testünk felépül. A Nap és a Föld mintegy 4,5 milliárd éves, vagyis körülbelül 9 milliárd évvel az Ősrobbanás után keletkeztek. Ez szinte az első lehetőség volt arra, hogy a Földhöz hasonló, az élet kémiai alkotóelemeiben gazdag bolygók létrejöjjenek. Ebben az értelemben a Föld különleges időpontban született, ám nincs okunk feltételezni, hogy ez lett volna az egyetlen ilyen bolygó, amelyik abban az időben kialakult.

Mindez visszavisz bennünket Giordano Brunóhoz. Bruno olyan univerzumot képzelt el, amelyiket a csillagok végtelen rendszerei töltik meg, amely csillagok mindegyike a mi Napunkra hasonlít, körülöttük pedig bolygók keringenek, amelyek közül sok életet hordoz. Erről ő így írt:

A térben számtalan csillagkép helyezkedik el, napokkal és bolygókkal; mi azonban csak a napokat látjuk, mert azok bocsátanak ki fényt, a bolygók láthatatlanok maradnak, mert kicsik és sötétek. Számtalan föld kering a saját napja körül, amelyek semmivel sem rosszabbak és nem is kisebbek a mi glóbuszunknál.

Ez egy korai példa a „sokvilág” hipotézisre, ahol a „világ” szót sokféle jelentése közül a „bolygó” szinonimájaként használjuk. A XVII. század kezdetén semmilyen alapvető érv nem merült még fel azzal szemben, hogy miért ne lehetne ezeket a világokat - akár mindegyiküket - elegendően erős távcső birtokában a Földről is megpillantani, vagy akár meglátogatni azokat, ha van türelmünk egy meglehetősen hosszú utazáshoz. Az a körülmény, hogy a csillagok a Tejútrendszerhez hasonló galaxisokba csoportosulnak, nem befolyásolja Bruno érvelésének lényegét; ő azonban nem tudta, hogy az általunk ismert világ a múlt egy véges idővel ezelőtti pillanatában született, mint ahogyan azt sem tudhatta, hogy a fény sebessége véges. Márpedig az utóbbi két tény megváltoztatja arra vonatkozó felfogásunkat, hogy mit értünk „sokvilágon”, illetve, hogy megfigyelhetőek-e ezek a világok.

A fény sebességének véges természetét csak a XVII. század második felében állapította meg a dán Ole Römer, a Jupiter holdjai fogyatkozásainak megfigyelése alapján. Arra viszont Albert Einstein mutatott rá a XX. század elején, hogy a fény sebessége határsebesség, azaz semmi sem mozoghat a fénynél sebesebben. Minthogy a Világegyetem 13,7 milliárd évvel ezelőtt jött létre, a fény az Ősrobbanás óta csak véges távolságot tudott megtenni a térben. Ez a távolság azonban nem 13,7 milliárd fényév, mert mint láttuk, mialatt a fény úton volt, közben maga a tér is tágult. Emiatt az elővigyázatosabb csillagászok szívesebben használják egy adott galaxis esetében a „távolság” helyett a „visszatekintési idő” (look back time) fogalmát. Ez azonban nem befolyásolja az érvelésünket. A mi nézőpontunkból - bármilyen tökéletes távcsöveink is vannak - legfeljebb csak a 13,7 milliárd éves visszatekintési időig tudunk kitekinteni a Világegyetembe. A Világegyetem távolabbi részeiről induló fénynek egyszerűen nem volt elég ideje ahhoz, hogy elérjen hozzánk. Legalábbis eddig! A jövőben azonban megtörténhet. Ha egymilliárd év múlva is létezni fognak a Föld környékén bármiféle értelmes lények, akkor ők már a 14,7 milliárd éves visszatekintési időnek megfelelő távolságig tudnak kitekinteni a Világegyetembe. A térnek az a buboréka, amely elvben számunkra megismerhető és hatással lehet ránk, az idő múlásával egyre nő.

Ugyanez igaz természetesen a tér minden buborékára, amelynek valamelyik másik galaxis a középpontja. Ha a Világegyetem valóban végtelen, akkor végtelen számú ilyen buborék létezik, amelyek közül egyesek átfedik egymást, mások teljes mértékben szeparáltak, de mindegyik a térnek és az időnek ugyanazon Világegyeteméhez tartozik. Valójában végtelen számú, a brunói értelemben vett világ létezhet, azonban nem létezik egyetlen olyan megfigyelő, aki az összest megismerhetné.

Mindamellett a Világegyetem még akkor is lehet végtelen, ha mi csak véges térfogatát láthatjuk. Amikor a kozmológusok a Világegyetem egy atomnál kisebb tűzgömb energiájából történt születéséről beszélnek, akkor ezen az egész belátható Világegyetemet értik. Az eredeti szupersűrű állapot akár végtelenül nagy is lehetett, és ebben az esetben az általunk belátható Világegyetem csupán parányi részét jelenti annak a végtelen kiterjedésű tartománynak, amelyik sokkal nagyobb méretűre duzzadt fel, amint azt az 5. fejezetben bemutatom.

A végtelen számú világ végtelen számú variációt enged meg, de ugyanakkor végtelen számú azonos másolatot is. Ebben az értelemben egy végtelen Világegyetemben akármi megtörténhet, beleértve végtelen számú, további Föld létezését, amelyek lakói ugyanolyanok, mint Ön vagy én, és pontosan ugyanúgy élnek, mint mi; sőt végtelenül sok olyan Föld is létezhet, ahol Ön a miniszterelnök, és én vagyok a király. És így tovább. Elenyészően csekély azonban annak az esélye, hogy a hasonló Földek bármelyike éppen a „mi” buborékunkban helyezkedjék el. A hozzánk legközelebbi „másik Ön” valószínűleg egy olyan távoli buborékban él, amelyiknek a távolságát Max Tegmark amerikai kozmológus számításai szerint méterben kifejezve olyan hatalmas számot kapunk, amelyikben az 1-est nem kevesebb mint 10^29 nulla követi - vagyis nem 29 nulla, hanem tíz a huszonkilencediken darab nulla. Összehasonlításképpen megemlíthetjük, hogy a látható Világegyetem összes csillagában és galaxisában együttvéve mintegy 10^80 (azaz tíz a nyolcvanadikon) atom található, amely számban az 1-es után csupán 80 darab nulla áll.

Ha csak ennyit tudnánk elmondani a multiverzummal kapcsolatban, akkor nem lett volna értelme megírni ezt a könyvet. Ennél azonban többről van szó - sokkal többről. Lehet vitatkozni azon, hogy a tér és az idő ugyanezen táguló tartományában található más buborékok más univerzumoknak tekinthetők-e, vagy pedig egyszerűen a mi Világegyetemünk számunkra elérhetetlen részeinek. A multiverzum valódi elképzelése alapjaiban rengeti meg a tudományról alkotott képünket, hiszen olyan kérdéseket érint, hogy miért olyanok a fizika törvényei, mint amilyenek, és miért kellemes hely a Világegyetem az élet számára. Éppen az utóbbi kérdés váltotta ki azt a vitát, amelyben valamivel több mint száz évvel ezelőtt először használták a „multiverzum” fogalmát csillagászati összefüggésben. A szót azonban azóta különböző jelentésekkel felruházva alkalmazták, ezért mielőtt továbbmennénk, fontos tisztázni, milyen értelemben használom a fogalmat könyvem további részében.

Az Oxford English Dictionary szerint a „multiverzum” szót először William James amerikai pszichológus (a regényíró Henry James bátyja) használta, 1895-ben. Őt azonban a miszticizmus és a vallásos élmények érdekelték, nem a fizikai Világegyetem természete. Hasonlóképpen, bár a szó megjelenik Gilbert K. Chesterton, John Cowper Powys és Michael Moorcock írásaiban is, egyikük sem tudományos értelemben használta a fogalmat. A mi szempontunkból a szó első érdemi, tudományos használata Alfred Russel Wallace egy érvelésében fordul elő. Ő volt az, aki Charles Darwintól függetlenül rájött a természetes kiválasztódás által irányított evolúció mechanizmusára. Wallace szerint „Földünk az egyetlen lakott bolygó, nemcsak a Naprendszerben, hanem az egész, csillagokból álló univerzumban.” Wallace ezeket a sorokat 1903-ban megjelent, Man's Place in the Universe (Az ember helye a Világegyetemben) című könyvében írta le. Ebben a művében azokat az elgondolásait fejtette ki, amelyeket korábban két újságcikkben már nyilvánosságra hozott. Darwinnal ellentétben, Wallace vallásos meggyőződésű ember volt, ami árnyaltabbá tette ítéletét, amikor a „világok feltételezett sokaságáról” értekezett. Ám, amint látni fogjuk, valamilyen nagyon modern megközelítést érzünk, amikor így ír létezésünk rejtélyéről:

Sok éven át különös figyelmet szenteltem a geológiai kor meghatározásának, valamint annak a mérsékelt éghajlatnak és állandó környezeti feltételeknek, amelyek hosszú földtörténeti korokon át uralkodóak voltak a Földön. Megfontoltam számos, egy irányba mutató okot, és azt az érzékeny egyensúlyt, amelyre ennek a homogenitásnak a fenntartásához szükség van. Egyre inkább meggyőződtem arról, hogy rendkívül erősek azok a bizonyítékok, amelyek annak valószínűsége vagy lehetősége ellen szólnak, hogy bármely másik bolygó lakott lehet.

Ez volt az első, formális, tudományos értékelése azoknak a véletlen egybeeséseknek, amelyekre a létezésünkhöz szükség van, így ebben az értelemben Alfred Russel Wallace-t tekinthetjük azon felfogás atyjának, amelyiket ma antropikus kozmológiának nevezzük.

Wallace könyve heves vitát váltott ki, többen a nyilvánosság előtt is kifejtették, hogy nem értenek egyet következtetéseivel. Ezek közé tartozott például H. G. Wells, William Ramsay (az argon nevű nemesgáz társfelfedezője) és a fizikus Oliver Lodge, aki úttörő jelentőségű munkát végzett a rádió kifejlesztése területén. Lodge volt az, aki a „multiverzum” kifejezést használta, ő azonban a bolygók, nem pedig az univerzumok sokaságát értette ezen.

Tudományos körökben a szó jó fél évszázadra feledésbe merült, hogy azután Andy Nimmo skót amatőr csillagász újra felfedezze. 1960 decemberében Nimmo a Brit Bolygókutató Társaság (British Interplanetary Society) skót tagozatának alelnöke volt, és a társaság részére tartandó előadásra készült a kvantumelmélet egy viszonylag új verziójáról, amelyet az amerikai Hugh Everett dolgozott ki. Ez a kvantumfizika „sokvilág-értelmezése” néven vált ismertté, ahol a „világ” szót ezúttal az „univerzum” szinonimájaként használták (mint ahogy mostantól kezdve ebben a könyvben én is ebben az értelemben fogom használni). Nimmo azonban etimológiai alapon szembehelyezkedett a sok univerzum elképzelésével. Szó szerinti értelemben az univerzum szó jelentése „minden, ami ott van”, ezért Nimmo érvelése szerint ebből logikailag nem lehet egynél több. Az Edinburgh-ban 1961 februárjában tartott előadása számára találta ki ezért a „multiverzum” szót - ezen ő a sok világ egyikét értette. Saját szavait idézve, az volt a szándéka, hogy a szó jelentése a következő legyen: „egy látszólagos Világegyetem, amelyek sokasága építi fel az egészet ... élhetünk egy olyan Világegyetemben, amelyik tele van multiverzumokkal, azonban etimológiailag nem élhetünk az »univerzumok« multiverzumában.”

Félretéve az etimológiát, a fogalmat időről időre felkapták, de pontosan Nimmo eredeti szándékával ellentétes értelemben használták. A kifejezés modern használata jelentős lökést kapott, amikor 1997-ben David Deutsch kiadta The Fabric of Reality (A valóság szövete) című könyvét, amelyben kijelentette, hogy a „multiverzum” kifejezést „a fizikai valóság egészének megjelölésére alkották meg”. „Ténylegesen nem én találtam ki a szót. Emlékezetem szerint egyszerűen csak rám ragadt az a kifejezés, amelyet Everett hívei körében az informális beszélgetésekben már széles körben használtak”, jelentette ki Deutsch. Ebben a könyvemben a „multiverzum” szót a Deutsch által definiált értelemben használom, mert így használják napjainkban mindazok a tudósok, akik érdeklődnek az idegen világok sokaságának kérdése iránt. (Minden megsértett etimológust arra a megjegyzésre szeretnék emlékeztetni, amelyet Dingidungi tett Lewis Carroll: Alice Tükörországban című regényében: „Ha én használok egy szót - mondta Dingidungi megrovó hangsúllyal akkor az azt jelenti, amit én akarok, sem többet, sem kevesebbet!”) A multiverzum tehát mindaz, ami létezik, valamely univerzum viszont a multiverzumnak az a része, amelyik a megfigyelők egy bizonyos csoportja számára elérhető. „A” Világegyetem az, amit magunk körül látunk. Mindezeket előre bocsátva, hogyan is kezdhetnénk alkalmasabban a multiverzum keresését, mint magával Everett-tel?

1. A kvantummacskák színre lépnek

A kvantumfizika a természeti törvényeknek az a csoportja, amelyek a kis léptékű eseményeket - lényegében az atomok és a még kisebb részecskék viselkedését irányítják. Ha el akarjuk képzelni, mekkora méretekről beszélünk, gondoljunk arra, hogy egy fogazott szélű postabélyeg két szomszédos foga között nagyjából tízmillió atom fér el. Bizonyos értelemben a legkevésbé sem meglepő, hogy az ilyen kis méretek világában működő fizikai törvények különböznek az emberi mérettartományban működőktől, amelyeket Isaac Newton fedezett fel a XVII. században. A newtoni fizika pontosan leírja az asztalon guruló biliárdgolyó mozgását és a golyók ütközéseit egymással, a tó felszínén kialakuló hullámokat vagy a Mars felé útnak indított űrszonda pályáját. Teljes mértékben megdöbbentően a kvantumfizikáról viszont az derül ki, hogy drámaian különbözik a newtoni fizikától - nemcsak általános természetét illetően, hanem az apróbb részletekben is. Végső soron a biliárdgolyók, a tó vize és az űrrakéta egyaránt atomokból állnak, hogyan lehetséges mégis az, hogy az egész ennyire eltérő módon viselkedik a részei összességétől?

Erre a kérdésre nem adható egyetlen, kielégítő válasz. Számos válasz lehetséges, amelyek egyaránt érvényesek, ám ez a helyzet önmagában sem teljesen megnyugtató. Ráadásul ezen válaszok egyike sem tűnik „értelmesnek” a világról szerzett hétköznapi tapasztalataink alapján. Ez a legfontosabb dolog, amit a kvantumfizikával kapcsolatban jól az eszünkbe kell vésnünk. A kvantumos jelenségek ugyanis teljességgel kívül esnek mindennapi tapasztalatainkon. Nincs olyan módszer, amelynek segítségével az emberi elme képes lenne megérteni, „milyenek is valójában” a kvantummechanika objektumai, mint például a fény vagy az elektronok. Nem tehetünk mást, mint hogy kísérleteket végzünk, és azok eredményét megfelelő analógiák segítségével a hétköznapi világ olyan jelenségeihez hasonlítva értelmezzük, amelyekről úgy gondoljuk, hogy értjük őket.

Se nem részecske, se nem hullám

Egyes kísérletekben a fény úgy látszik viselkedni, mint a fodrozódás a tó felszínén; más kísérletekben viszont olyan, mintha parányi biliárdgolyók áramlása lenne. Ez azonban nem jelenti azt, hogy a fény hullám, vagy azt, hogy a fény részecske, de még csak azt sem, hogy a fény részecske és hullám keveréke. Olyasvalami ez, amit még elképzelni sem tudunk, nevezetesen, ha az egyik kérdést tesszük fel, akkor hullámként kapunk választ, ha más kérdést teszünk fel, akkor részecskeként. Ugyanez nemcsak az elektronokra igaz, hanem minden más kvantumfizikai objektumra. Talán korlátozott emberi tapasztalataink miatt rossz kérdéseket teszünk fel. Mi azonban leragadunk azoknál a kérdéseknél, amelyeket feltettünk, és azoknál a válaszoknál, amelyeket kaptunk.

A helyzetet a fizikus Arthur Eddington már 1929-ben így összegezte The Nature of the Physical World (A fizikai világ természete) című könyvében: „Az elektron nem fogható be az általunk jól ismert fogalmak hálójába, valamilyen ismeretlen erő működik, amiről nem tudjuk, mi lehet.” Ezenkívül arra is rámutat, hogy „valami ehhez hasonlót valahol másutt már olvastam -

a csuszbugó

Gimbelt és gált távlengibe,

(Eddington itt Lewis Carroll Weöres Sándor fordításában Szajkóhukky (Tótfalusi István fordításában Gruffacsór) (Jabberwocky) című nonszensz verséből idéz.)

Ilyen értelemben semmi sem változott az elmúlt 80 évben. Továbbra sem tudjuk, mik az elektronok (vagy a kvantumfizika más objektumai), sem azt, hogyan csinálják azt, amit tesznek.

Valójában, ha ki tudunk szabadulni az olyan gondolati béklyókból, mint a hullám és a részecske fogalma, akkor sokkal hasznosabbnak bizonyulhat, ha az egész kvantumfizikát átalakítjuk a „Szajkóhukky/Gruffacsór” nyelvezetére; természetesen akkor is ugyanannyi értelme lenne, mint a jelenlegi szóhasználat mellett. Ezt az egészet az teszi még figyelemreméltóbbá, hogy a fizikusok annak ellenére képesek használni ezeket a kvantumfizikai objektumokat, hogy nem tudják, mik ezek az objektumok és miként teszik azt, amit tesznek, csak azt tudják, hogy megtesznek bizonyos dolgokat, ha megfelelő módon megpiszkálják őket. Kicsit olyan ez, mint amikor valaki úgy tanul meg autót vezetni, hogy elsajátítja ugyan a kezelőszervek használatát, de eközben halvány fogalma sincs arról, mi is történik a motorházfedél alatt.

Csak két példát említek. A kvantumfizika alapvető jelentőségű a számítógépek mikrochipjeinek működése szempontjából, amelyek a mobiltelefonunktól az időjárás előrejelzésére használt szuperszámítógépekig minden elektronikus készülékben megtalálhatók. A kvantumfizika ad magyarázatot az olyan óriásmolekulák működésére, mint az élet molekuláinak tartott DNS és RNS. A kvantumfizika tanulmányozása nem csupán elvont figurák ezoterikus hobbija, hanem közvetlen gyakorlati haszonnal bíró tudomány. Mindamellett ebben a könyvemben (a 3. fejezet egy része kivételével) inkább a kvantumfizika ezoterikus, vagy ha úgy tetszik, filozófiai következményeivel foglalkozom. Ezen belül semmi sem lehet különlegesebb, mint Schrödinger macskája és utódainak a története. Mielőtt azonban közelebbi barátságot kötnénk a cicákkal, ismerkedjünk meg a kvantumfizika néhány fogalmával.

Hétköznapi tapasztalataink teljességgel alkalmatlanok arra, hogy utat mutassanak számunkra a kvantumvilágban, erre nézve óvatosságra intő jel az a körülmény, hogy a kvantumfizika objektumai sem nem hullámok, sem nem részecskék, még csak nem is hullám és részecske keverékei. Így, ha betekintést akarunk nyerni abba, mi is történik szubatomi szinten, akkor legjobban tesszük, ha számba vesszük azokat a módokat, ahogyan ezek az objektumok hullámként vagy részecskeként viselkednek. Ezáltal legalább valamennyire megismerhetjük a kvantumvilág egyik legfontosabb, ugyanakkor a józan észnek teljességgel ellentmondó sajátosságát - a határozatlanságot.

A bizonytalanság kvantuma

A kvantumfizikában a bizonytalanság tökéletes pontossággal működik. A kvantummechanikai objektumok számára léteznek a paraméterek olyan párjai, az úgynevezett konjugált változók, amelyek esetében lehetetlen a pár mindkét tagjának az értékét egyidejűleg teljes pontossággal ismernünk. Minél pontosabban ismerjük az A tulajdonságot, annál kevésbé pontosan ismerhetjük a B tulajdonságot, és fordítva. Ez nem azért van így, mert a mérőrendszereink tökéletlenek. Ez a természet egyik alapvető törvényszerűsége, amelyet 1927-ben ismert fel a fizikus Werner Heisenberg, és az ő tiszteletére Heisenberg-féle határozatlansági relációnak nevezzük. A konjugált változók legfontosabb párjai a hely és az impulzus, illetve az energia és az idő.

A hely és az impulzus kapcsolata az őstípus, amelyet még maga Heisenberg írt le. Az impulzus ebben a vonatkozásban egyenértékű a sebességgel, a sebesség pedig a mozgó test mozgásának gyorsaságát és irányát egyaránt leírja. Heisenberg megállapította, hogy ha valamely objektum, például egy elektron helyének a bizonytalanságát megszorozzuk ugyanezen objektum impulzusának a bizonytalanságával, akkor a szorzat mindig nagyobb egy bizonyos (nagyon parányi!) szám, az úgynevezett Planck-állandó (h~6,625x10-34 Ws^2) és 2π hányadosánál. Elvben tetszés szerinti közelségbe juthatunk ehhez a határhoz. Azonban minél pontosabban rögzítjük egy elektronnak mondjuk a pozícióját, annál nagyobb bizonytalanságban maradunk azt illetően, merre tart ez az elektron. Minél pontosabban ismerjük az impulzusát (vagy a sebességét), annál kevésbé pontosan lesz meghatározott a helye. Ez a határozatlanság magának az elektronnak (vagy bármely más kvantumfizikai objektumnak) az elválaszthatatlan sajátossága. Maga az elektron nem „tudja” egyidejűleg azt, hogy hol van, és hogy merre tart.

Ez az a pont, ahol a hullám és a részecske analógia jó szolgálatot tesz. Ne feledjük azonban, hogy ezek csak párhuzamok. A hullám valamilyen szétterjedt dolog. Haladhat meghatározott irányban, meghatározott sebességgel, de nem lehet egyetlen pontban levőnek tekinteni. Egy részecske, ha elegendően kicsiny, ezzel szemben szinte egyetlen pontba lokalizálható, feltéve, hogy nem mozog pontosan meghatározott impulzussal. Ha viszont mozog - vagyis ha bizonyos nagyságú impulzusa van -, akkor többé már nem szorítható be egyetlen pontba. Minél inkább arra kényszerítenek a körülmények egy kvantummechanikai objektumot, hogy hullámként viselkedjék, annál kevésbé lehetünk biztosak a helyében. Minél inkább arra kényszerül, hogy részecskeként viselkedjék, annál kevésbé biztos, hogy merre tart.

Hagyományosan ezt a helyzetet valószínűségekkel írjuk le. Ha egy elektronágyúból kilövünk egy elektront egy foszforeszkáló képernyő felé (mint amilyenek egykor a tévékészülékek képernyői voltak), akkor az elektront képviselő hullám abban a pillanatban, amikor az elektron elhagyja az ágyút, elkezd szétterjedni, hiszen bizonytalan a helye. Elvben a kvantumfizika törvényei azt állítják, hogy az elektron a Világegyetemben bárhová érkezhet, mindamellett nagyon nagy valószínűséggel a képernyő egy bizonyos pontjába fog érkezni, és ott egy fényfoltot hoz létre. Abban a pillanatban, amikor eléri a képernyőt, a helyének a bizonytalansága drámai mértékben lecsökken, mégpedig a képernyőn világító pont méretére. Ezt az eseményt a hullámfüggvény összeomlásának nevezzük. Ezután a hullám ebből az új pozícióból kiindulva ismét elkezd szétterjedni. Hacsak az elektront nem köti magához egy atom vagy valami más, akkor helye az idő múlásával egyre bizonytalanabbá válik. Ha viszont egy atom magához köti, akkor továbbra is érvényesül az esetében a kvantumfizikai bizonytalanság, ez azonban már nem érinti közvetlenül a multiverzum keresését.

Az egyetlen rejtély

Mindezt nem könnyű ép ésszel felfogni. Ennek ellenére a kvantumvilág lényege egyetlen kísérlet ismertetésével összefoglalható. Az egyszerű kísérletben fényt vagy elektronnyalábot küldünk át egy átlátszatlan akadályba vágott két résen. Richard Feynman, aki a kvantumelmélet területén végzett munkásságáért fizikai Nobel-díjat kapott, erről a kísérletről kijelentette, hogy „ez a kvantummechanika lelke. ... Tulajdonképpen ez tartalmazza az egyetlen rejtélyt.” És ha még továbbra is úgy érezzük, hogy azt sem tudjuk, hol áll a fejünk, ha a kétréses kísérletre gondolunk, akkor álljon itt Feynman még egy megjegyzése: „Azt hiszem, nyugodtan kijelenthetem, hogy senki sem érti a kvantummechanikát. ... Senki sem érti, hogyan lehet ilyen.” Jó társaságba kerültünk tehát.

A kétréses kísérletet azért nevezik így, mert amikor fényhullámokkal akarjuk elvégezni, akkor a célnak teljesen megfelel, ha egy kartonlapba borotvapengével két, egymással párhuzamos rést vágunk. Az elsötétített szobában a fénysugár keresztülhalad a réseken, majd szétterjed a kartonlap túlsó oldalán, végül elérkezik egy második papírlaphoz, amelyre valamilyen mintázatot rajzol ki. A mintában sötét és világos csíkok váltakozását figyelhetjük meg. A XIX. században ezt úgy magyarázták, vagyis értelmezték, hogy a két résből kiindulva szétterjedő hullámok interferálnak egymással, éppúgy, ahogyan az a körhullámok esetében megfigyelhető, ha két kavicsot dobunk egyszerre a sima felszínű pocsolya vizébe. Ahol a hullámok azonos fázisban találkoznak, ott erősítik egymást, ezért az ernyőn fényes csík jelenik meg. Ahol viszont ellentétes fázisban találkoznak, ott kioltják egymást, ezért ott sötét sávot látunk. Ez a kísérlet meggyőző bizonyítéknak tűnt a fény hullámtermészete mellett.

Ám a XX. század elején Albert Einstein bebizonyította, hogy a fény részecskék áramaként viselkedik. A fotoelektromos jelenségnek nevezett folyamatban a fémfelületre eső fény elektronokat lök ki a fémből. A kidobott elektronok energiája csak meghatározott értékeket vehet fel, amit Einstein úgy értelmezett, hogy a fény parányi, ma fotonoknak nevezett részecskék formájában érkezik a fémfelülethez, amelyek mindegyikének meghatározott energiája van. Egyébként Einstein nem a relativitáselméletért, hanem éppen ezért a felismeréséért kapta meg a Nobel-díjat.

Két kísérletet végezhetünk tehát el a fénnyel, az egyik azt mutatja, hogy a fény hullámként viselkedik, míg a másik kísérlet tanúsága szerint részecskék áramaként. Pontosan ugyanez történt az elektronok vizsgálata esetében is, csak éppen fordított irányban.

A XIX. század vége felé J. J. Thomson Cambridge-ben végzett kísérleteivel mindenki megelégedésére bebizonyította, hogy az elektronok részecskék. Ám az 1920-as években több kísérleti fizikus, köztük J. J. Thomson fia, George kimutatta, hogy az elektronok hullámként viselkednek. J. J. Thomson annak bizonyításáért kapott Nobel-díjat, hogy az elektronok részecskék, fia, George Thomson viszont azért kapta meg a Nobel-díjat, mert bebizonyította, hogy az elektron hullámként viselkedik. Kell-e ennél ékesebb bizonyíték arra, hogy menynyire ellentmond a józan észnek a kvantumvilág természete?

Napjainkban a kétréses kísérletnek már olyan kifinomult változatai léteznek, amelyek egyetlen objektummal (fotonnal vagy elektronnal) hajthatók végre, így a lyukakon egyszerre csak egy részecske halad át. A kísérlet eredményét elektronok esetére fogom bemutatni, de pontosan ugyanilyen típusú kísérleteket végeztek el fotonokkal is. Ebben az esetben a réseket tartalmazó ernyő másik oldalán detektorként egy képernyőt helyeznek el, amely fényfelvillanással jelzi minden egyes elektron becsapódását, továbbá lehetővé teszi ezeknek a felvillanásoknak a tárolását, és azokból egy meghatározott minta felépítését, amint egyre több és több elektron érkezik be. Amikor elvégzik a kísérletet, minden egyes elektron részecskeként éri el a képernyőt, így egyetlen fényfoltot hoz létre azon. Amikor azonban elektronok százai és ezrei teszik meg a kísérletben az utat az elektronágyú és a képernyő között, akkor a képernyőn kirajzolódó mintázat jellegzetes interferenciakép lesz, ami a kísérleti berendezésen áthaladó hullámokra jellemző.

Úgy tűnik, mintha minden egyes elektron nemcsak átmenne mindkét lyukon egyszerre, és önmagával interferálna, hanem ezután megtalálja a saját helyét a korábban már beérkezett és a később beérkező elektronokkal közösen kialakított interferenciamintázatban. Úgy néz ki, mintha a kvantumvilág objektumainak tudomásuk lenne a kísérlet egészéről, térben (a két résről) és időben egyaránt.

És ez még mind semmi! A kísérletezők detektorokat állítanak fel közvetlenül a két rés mellett, és figyelik, melyiken haladnak keresztül az egyes elektronok. Ekkor soha nem tapasztalják azt, hogy bármelyik elektron mindkét lyukon egyidejűleg áthaladna. Minden egyes elektron esetében azt látják, hogy vagy az egyik, vagy a másik résen megy át. És amikor így végzik el a kísérletet, akkor nem alakul ki az interferenciakép. A képernyőn megjelenő fénypontok két foltba tömörülnek, mindkét rés mögött kialakul egy-egy, amire akkor számítanánk, ha a kísérletet részecskékkel végeznénk el. Úgy látszik tehát, mintha az elektronok tudnának arról, hogy éppen megfigyeljük-e őket, vagy nem - és ugyanez igaz a fotonokra és minden más kvantumfizikai objektumra is.

Ezért mondta Feynman azt, hogy a kétréses kísérlet a kvantumfizika lelke, és senki nem érti, hogy adhat ilyen eredményt a kísérlet. Ezzel a fáradsággal teljesen mindegy, hogy a két résen áthaladó elektronokról beszélünk vagy pedig arról, hogy a csuszbugó Gimbelt és gált távlengibe - egyetlen dolog kivételével. Még ha nem is érthetjük meg, mi játszódik le a kvantumvilágban, a kvantummechanika egyenletei mégis lehetővé teszik a lejátszódó jelenségek nagyon pontos leírását. Ha például tudjuk, milyen körülmények között látszanak az elektronok hullámként mozogni, és milyen körülmények közepette mutatnak részecskeszerű viselkedést, akkor chipeket tudunk tervezni a számítógépeinkhez. Talán őrültségnek tűnik, mégis működik.

Az elképzelhetetlen értelmezése

Megpróbálkozunk tehát valamilyen képet alkotni arról, miként is működhet a kvantumfizika úgy, hogy az emberi lények fogalmat alkothassanak róla. Ezeket a próbálkozásokat nevezzük a kvantumfizika különböző értelmezéseinek. Az első ilyen, a képzelőerőt segítő próbálkozás az úgynevezett koppenhágai értelmezés, mert legnagyobb részben a dán fővárosban dolgozó fizikusok munkájának eredményeképpen született. Az 1930-as évektől kezdve egészen az 1980-as évekig ez volt a kvantumvilágról alkotott alapvető felfogás, amelyet mind a mai napig széles körben tanítanak. Ez az értelmezés azonban legalább annyi újabb kérdést vet fel, mint amennyit megválaszol.

A koppenhágai értelmezés szerint nincs értelme megkérdezni, mit csinálnak az atomok, az elektronok és az egyéb kvantumfizikai objektumok, amikor nem figyeljük meg őket. Ezenkívül soha nem lehetünk biztosak abban, mi lesz egy kvantummechanikai kísérlet pontos kimenetele. Mindössze annyit tehetünk, hogy kiszámítjuk, milyen valószínűséggel ad valamely kísérlet egy bizonyos eredményt. Ez tehát pontosan úgy működik, mint a kockadobás, ha két szabályos kockával dobunk, akkor bizonyos valószínűsége van annak, hogy a két dobás összege 12 lesz, más valószínűsége annak, hogy 5 lesz az összeg, és így tovább. Abban bizonyosak lehetünk, hogy az összeg soha nem lehet mondjuk 17 vagy 4,3. Ugyanez a helyzet a kvantummechanikai kísérletek esetében is. A kísérlet bizonyos kimenetelei valószínűbbek, mások kevésbé valószínűek, és vannak nem lehetséges eredmények.

A kockadobás esetében nem tudjuk ugyan előre, mennyi lesz az összeg, de azt legalább bizonyosan tudjuk, hogy a kockák akkor is ott vannak, ha nem nézünk oda. Amikor viszont a kvantumfizikai objektumokat nem figyeljük meg, akkor a koppenhágai értelmezés szerint azok feloldódnak a hullámok valamiféle keverékében (ezt néha hullámfüggvénynek nevezik), ami a különböző valószínűségeket mutatja meg. Ezt a keveréket az állapotok szuperpozíciójának nevezzük. Ha végrehajtunk egy mérést, akkor a mérés művelete arra készteti a kvantumobjektumot, hogy a különböző valószínűségekkel összhangban válasszon ki egyet a lehetséges állapotok közül, és ebben a pillanatban a hullámfüggvény összeomlik. Mihelyt végrehajtottuk a mérést, az objektum ismét feloldódik ebben a keverékben, az állapotok új szuperpozíciójában.

Ha most konkrétan a kétréses kísérletről beszélünk, akkor a koppenhágai értelmezés azt állítja, hogy mihelyt az elektron kilép az elektronágyúból a kísérleti berendezés egyik oldalán, azonnal feloldódik az állapotok szuperpozíciójában, vagyis olyan hullámokká válik, amelyek mindkét résen áthaladnak. Mihelyt a hullámok áthaladtak a réseken, interferálnak egymással, és az állapotok új szuperpozícióját hozzák létre. Ezután, amikor ez a szuperpozíció eléri a képernyőt, a hullámfüggvény egyetlen ponttá omlik össze, és az elektron - legalábbis átmenetileg - valóságos részecskévé válik. Ha viszont olyan kísérleti elrendezést használunk, amelyikben megfigyeljük, melyik résen megy át az elektron, akkor a megfigyelés művelete az egyik lyuknál összeomlásra készteti a hullámfüggvényt, amelyik azután a másik oldalon egyetlen pontból kiindulva halad tovább, vagyis nem lép fel interferencia, és másmilyen kép jelenik meg az ernyőn.

A helyzetet kitűnően foglalta össze Heinz Pagels The Cosmic Code (A kozmikus kód) című könyvében. Érdemes idézni a megjegyzéseit, mert abban az időben a New York-i Tudományos Akadémia elnöke volt, így bizonyára tudta, miről beszél. Azt állította, hogy a koppenhágai értelmezés szerint:

Nincs értelme az elektronnak a tér egy bizonyos pontjában, például a két rés egyikénél való objektív létezéséről beszélni a tényleges megfigyeléstől függetlenül. Úgy tűnik, mintha az elektron csak akkor válna valóságos objektumként létezővé, amikor megfigyeljük ...a valóságot tehát részben a megfigyelő hozza létre.

Önök úgy gondolhatják, hogy ez képtelenség. És ha így gondolják, akkor ismét nem akármilyen társaságba kerültek. Erwin Schrödinger, egy másik fizikus, aki ugyancsak a kvantummechanika területén végzett munkásságáért kapott Nobel-díjat, ki nem állhatta a koppenhágai értelmezést (egyszer azt mondta a kvantumelméletről, amelynek megszületésénél ő maga is bábáskodott, hogy „nem szeretem, és azt kívánom, bárcsak soha semmi közöm ne lett volna hozzá”), és arról álmodozott, hogy híres, „macska a dobozban” kísérlete rávilágít a képtelenségére. Ez egy teljes mértékben elképzelt forgatókönyv - egy úgynevezett „gondolatkísérlet”. Soha egyetlen macskának sem kellett még elszenvednie azokat a megpróbáltatásokat, amelyeket Schrödinger kitalált. Ez azonban semmivel sem teszi kevésbé hatásossá ezt a koppenhágai értelmezés ellen készített vádiratot.

A példabeszéd Schrödingertől származó, eredeti változatában radioaktív atomok szerepeltek, amelyeket bonyolult Geiger-Müller-számlálók tartottak szemmel. Az én változatom ettől kissé különbözik, és felbukkan benne a kísérteties kvantumvilág még egy sajátossága.

Az összes kvantummacska anyja

Képzeljünk el egy dobozt, akkorát, mint egy cipősdoboz, amelyik teljesen üres, csak egyetlen elektron van benne. A koppenhágai értelmezés szerint az elektron hullámfüggvénye betölti az egész dobozt, így a belsejének bármely pontjában ugyanakkora valószínűséggel találjuk meg az elektront. Ezek után gondolatban csúsztassunk be a dobozba pontosan a közepén egy az oldalfalakra merőleges elválasztófalat, mint ahogyan a bűvészek teszik, amikor ketté akarnak fűrészelni egy dobozba zárt nőt. A józan eszünk azt diktálja, hogy ilyenkor az elektron vagy a doboz egyik, vagy a másik felébe kerül - legalábbis ez lenne a helyzet, ha egy parányi golyócska pattogna ide-oda a doboz belsejében. A koppenhágai értelmezés szerint ugyanis az elektron hullámfüggvénye továbbra is betölti a doboz mindkét felét. Ez felel meg annak a helyzetnek, hogy ha belepillantanánk a dobozba, akkor azonos valószínűséggel találjuk meg az elektront a fal mindkét oldalán.

És most jön a varázslat! Képzeljük el, hogy a dobozt ténylegesen kétfelé vágjuk, mint ahogyan az illuzionista teszi a dobozba zárt nővel, a két részt teljesen elválasztjuk és eltávolítjuk egymástól. A koppenhágai értelmezés szerint az elektron hullámfüggvénye továbbra is egyenlő mértékben tölti ki a két féldobozt. A doboz egyik felével akár a Holdra is elutazhatunk, vagy még távolabbra, a helyzet akkor is változatlan marad, noha a két féldoboz közötti térben nem létezik az elektron hullámfüggvénye. A hullámfüggvény csak akkor omlik össze, és az elektron akkor válik egyetlen pontba lokalizálttá, amikor belenézünk az egyik fél dobozba. Nem számít, melyikbe! Ha belenézünk az A dobozba, és ott megtaláljuk az elektront, akkor a hullámfüggvény egyidejűleg a B dobozból is eltűnik. Ha viszont az A dobozba belenézve ott nem látjuk az elektront, akkor a hullámfüggvény eltűnik az A dobozból, és bizonyosak lehetünk abban, hogy az elektron a B dobozban van. Ha észrevesszük az elektront, de abbahagyjuk a megfigyelését, akkor attól a pillanattól kezdve a hullámfüggvénye csak azt a fél dobozt tölti be, amelyikben megfigyelésünk eredménye szerint az elektron tartózkodik.

A kvantumfizika kísértetiességének ez a sajátossága volt Schrödinger legfőbb aggálya, amikor kigondolta az 1935-ben publikált, úgynevezett „macskaparadoxonát”. Ő a kvantummechanika rejtélyességének egy másik vonását emelte ki, az állapotok szuperpozícióját. A téma általam kigondolt változatában térjünk vissza a kétfelé osztott cipős dobozhoz, amelyikben 50-50% valószínűséggel találjuk meg az elektront a válaszfal egyik vagy másik oldalán. Képzeljük el most azt, hogy a doboz egy nagy, légmentesen lezárt szobában található, amelyben egyetlen macska él, teljes kényelemben, megfelelő mennyiségű élelemmel és itallal ellátva. A doboz azonban összeköttetésben áll egy detektorral, amelyik egy előre meghatározott pillanatban megállapítja, hogy az elektron a doboz egyik, előre kiszemelt felében tartózkodik-e. Ha a doboznak ebben a felében nincs jelen az elektron, akkor semmi sem történik. Ha viszont a detektor észleli az elektron jelenlétét, akkor a Schrödinger által „ördögi szolgálatnak” nevezett szerkezet egy adag mérget önt a szobába, amelyik ott szétáradva elpusztítja a macskát.

De valóban ez történik? A józan eszünk azt diktálja, hogy a macskának 50% esélye van a túlélésre, és 50% esélye a pusztulásra. A koppenhágai értelmezés szerint, mivel egyetlen külső megfigyelő sem láthatta, mi történik, ezért amikor a detektor a kiválasztott féldobozt megvizsgálja, akkor ahelyett, hogy az elektron hullámfüggvénye összeomlana, az egész szoba hullámfüggvénye az állapotok szuperpozíciójának állapotába kerül, ahol az egyik állapot az élő macskának, a másik pedig az elpusztult macskának felel meg. Schrödinger szavaival: „az egész rendszer hullámfüggvénye azt fejezi ki, hogy egymással összekeveredve vagy összekenődve, azonos mértékben van ott jelen az élő és a döglött macska (bocsánat a kifejezésért).” A macska tehát élő és halott egyidejűleg (vagy ha úgy jobban tetszik, akkor se nem élő, se nem holt), és mindaddig ebben a különös állapotban marad, amíg valaki be nem nyit a szobába. Amikor viszont valaki benéz, akkor a hullámfüggvény összeomlik - de nem abban a pillanatban, amikor az ajtó kinyílik, hanem oly módon, mintha a hullámfüggvény összeomlása abban a pillanatban történt volna, amikor az automatikus detektor megvizsgálta a dobozt - mindazzal együtt, ami ebből az esetleg elpusztult macska kinézetét illetően következik.

A hátborzongató események azonban ezzel még mindig nem érnek véget. Más fizikusok siettek rámutatni arra, hogy mindez végtelen lépések sorozatához vezethet. Ha Ön az egyetlen személy, aki benéz a szobába, akkor előidézi-e Ön a hullámfüggvény összeomlását, vagy pedig Ön is az állapotok szuperpozíciójának részévé válik? És ha egy barátja felhívja Önt, és telefonon érdeklődik a kísérlet kimeneteléről, akkor ennek hatására összeomlik-e a hullámfüggvény, vagy a barátja is a szuperpozíció részévé válik? A sort logikailag a végtelenségig folytathatjuk, ami felveti azt a - kozmológusok által komoly formában is megvitatott - kérdést, hogy ki (vagy mi) lehet képes megfigyelni az egész Világegyetemet, és ezáltal előidézni hullámfüggvényének egy meghatározott állapotba történő összeomlását? Miért ne fordulhatna elő, hogy minden az állapotok szuperpozíciójában lebeg?

A koppenhágai értelmezést már réges-régen elvetették volna, ha létezne valami alkalmasabb megoldás. Azonban nem létezik semmi jobb. Csak alternatív értelmezések vannak, amelyek abban az értelemben pontosan ugyanolyan jók, mint a koppenhágai értelmezés, hogy ugyanolyan pontosan megjósolják a kvantummechanikai kísérletek eredményeit. (A kérdést Schrödinger kiscicái és a valóság keresése című könyvemben tárgyalom [Magyarul: Akkord Kiadó, Budapest, 2004]) Semmivel sem jobbak azonban, mert semmi olyasmit nem jósolnak meg, amit a koppenhágai értelmezés ne jelezne. Emellett mindegyik tartalmazza a kvantumfizika titokzatosságának az olyan elkerülhetetlen velejáróit, mint a jelek időben visszafelé utazása, vagy az egymástól nagy távolságra lévő kvantummechanikai objektumok közötti pillanatszerű kommunikáció. Pusztán ízlés kérdése tehát, hogy a kvantummechanika melyik értelmezésével dolgozunk szívesebben, attól függően, hogy a kvantumvilág hátborzongató sajátosságai közül melyiket találjuk kellemesebbnek (vagy éppen kellemetlenebbnek) a többinél. A multiverzum keresése szempontjából egyedül releváns értelmezés, amelyik ugyanolyan jó, mint az összes többi, a koppenhágai értelmezést is beleértve, a Hugh Everett által az 1950-es években kidolgozott sokvilág-értelmezés.

Hugh Everett sokvilága

Everett Washington városában született, 1930. november 11-én. Már kora ifjúságában egyértelműen az élet nagy kérdései, a Világegyetem és a mindenség foglalkoztatták. Még tizenhárom éves sem volt, amikor 1943. június 11-én levelet írt Albert Einsteinnek, hogy megtudakolja, mi tartja össze a Világegyetemet. Einstein válasza szerint „nincs semmi olyan, mint egy ellenállhatatlan erő vagy egy elmozdíthatatlan test”. Miután leérettségizett, az ugyancsak Washingtonban (D. C.) lévő Amerikai Katolikus Egyetemen vegyészmérnöknek tanult, itt szerezte meg 1953-ban az első diplomáját. Egyik egyetemi barátja, Karen Kruse, később felesége lett Poul Anderson sci-fi írónak, aki maga is fizikus volt, és a multiverzum Everett-féle elképzelésének lelkes hívévé vált. Ezek a gondolatok számos írását színesítették.

Mire megszerezte a bachelor fokozatot, Everett érdeklődése az elméleti fizika felé fordult, de tanulmányai folytatásához anyagi támogatásra volt szüksége. Kitűnő eredményeire való tekintettel felajánlották neki a Nemzeti Tudományos Alap megtisztelő ösztöndíját, hogy Princetonban matematikai témában doktori disszertációján dolgozhasson, amit ő nagy örömmel elfogadott. Akkoriban tetőfokán járt a hidegháború, ezért az ösztöndíj feltétele volt, hogy játékelmélettel kellett foglalkoznia, amely terület kellemes megnevezése nem nélkülözte a fontos katonai alkalmazásokat. Everett hozzáfogott a munkához, amit elvártak tőle, de mihelyt megszilárdította helyzetét Princetonban, azonnal keresni kezdte a lehetőséget, hogy átkerüljön a Fizikai Tanszékre. Második princetoni éve kezdetén, 1954 szeptemberében sikerült is átmennie, ahol Frank Shoemakert jelölték ki témavezetőjének. Bár ettől kezdve Everett doktori értekezésének a fizika volt a témája, ennek ellenére folytatta játékelméleti munkáját.

Fizikussá válása után Everett csaknem azonnal előállt azzal a nagy ötlettel, amelyik máig ismertté tette a nevét. Miután egy partin tekintélyes mennyiségű sherryt fogyasztottak, Everett, valamint diáktársa, Charles Misner (aki később a relativitáselmélet egyik kiemelkedő szakértőjévé vált) és egy vendégkutató, Aage Petersen azzal szórakoztak, hogy a kvantummechanika rejtélyeinek, mint amilyen Schrödinger macskájának az esete is, egyre mulatságosabb következményeit találták ki. A témaválasztás Petersen jelenlétének volt köszönhető, aki abban az időben a kvantummechanika egyik úttörője és a koppenhágai értelmezés vezető teoretikusa, Niels Bohr asszisztenseként dolgozott. Schrödinger macskájának rejtélye és a hozzá hasonló furcsaságok mind abban gyökeredznek, hogy nehéz megérteni és értelmezni, mi történik, amikor a hullámfüggvény összeomlik. Everett nagy ötlete, amelyet először csak viccként dobott be, az volt, hogy feltette a kérdést, mi van, ha a hullámfüggvény nem is omlik össze. Mi történik akkor, ha az állapotok szuperpozíciója örökké megmarad?

A másnap józan fényében a vad ötlet végül is nem tűnt már annyira vadnak, ezért Everett elhatározta, hogy a kvantumelmélet egyenleteit felhasználva alaposabban is megvizsgálja. Előbb azonban más feladatai voltak - 1954 decemberében előadást kellett tartania a játékelmélet katonai alkalmazásairól, majd olyan apróságok következtek, mint az egyetemi záróvizsgái, amelyeket 1955 tavaszára ütemezett be. Miután sikeresen letette ezeket a vizsgákat, megkapta a master fokozatot. Így aztán 1955 nyaráig hozzá sem fogott ahhoz, hogy a nagy ötletét és annak következményeit megfelelő matematikai nyelven leírja. Munkája eredményeképpen előállt egy doktori értekezés vázlata, amelyet barátnője, Nancy Gore gépelt le, akit Everett a következő évben feleségül vett. A dolgozat témájában Frank Shoemaker nem számított szakértőnek, ezért hóna alatt a dolgozat vázlatával Everett átkerült John Wheeler irányítása alá, aki Shoemaker helyett a témavezetője lett - bár valójában a kérdést még a vázlat papírra vetése előtt megvitatta Wheelerrel.

Erre a feladatra Wheeler volt a tökéletes választás, aki 1911-ben született, majd az 1930-as évek közepén, röviddel saját doktori disszertációja elkészítése után néhány évig Koppenhágában dolgozott Niels Bohr mellett. Miután visszament Amerikába, rövid időn belül Richard Feynman témavezetője lett, amikor Feynman doktoranduszként Princetonban dolgozott. Az általános relativitáselmélet szakértőjeként 1967-ben ő alkotta meg modem csillagászati értelemben a „fekete lyuk” kifejezést. Wheeler mindig nyitott volt az új ötletek irányában, és még akkor is boldog volt, ha ösztönzést adhatott azok kidolgozásához, bár ő maga nem mindig értett egyet az ötlettel.

Harmadik princetoni éve kezdetén, 1955 szeptemberében Everett két rövid feljegyzést írt Wheelernek, amelyekben kidolgozta az ötletét. Ezek az írások az Everettre vonatkozó számos további dokumentummal együtt ma az Amerikai Fizikai Intézet (American Institute of Physics) Niels Bohr Könyvtárában találhatók. Az egyik dolgozatban Everett először ír a megfigyelő „kettészakadásáról”, ami minden alkalommal bekövetkezik, amikor valaki végrehajt egy kvantummechanikai mérést (például megkeresi az elektront a cipősdobozban). Wheeler a margón megjegyezte. „Kettészakadás? Jobb kifejezés kellene.” Everett azonban nem értett egyet, és egy „jó emlékezőtehetségű, intelligens amőba” kettészakadására vagy osztódására hivatkozott, jóllehet Wheeler nem lelkesedett érte. Ma viszont úgy tűnik, ez a csaknem ideális magyarázat arra, hogy miként működik a kvantumfizika Everett-féle változata.

E kép értelmében például a cipősdobozba zárt elektron esetében a következő történik. Amikor behelyezzük az elválasztófalat, majd a megfigyelő kinyitja a doboz fedelét, és belenéz, nem omlik össze a hullámfüggvény. A megfigyelés mindkét lehetséges eredménye egyformán valószínű, tehát mindkettő egyformán valóságos. A hullámfüggvény nem omlik össze, hanem az egész Világegyetem, a megfigyelőt is beleértve, két részre szakad. A valóság egyik ágában egy olyan megfigyelő helyezkedik el, aki látja az elektront. A valóság másik ágában viszont egy olyan megfigyelő található, aki minden szempontból azonos az előzővel, kivéve azt a körülményt, hogy ő nem látja az elektront. Az amőbák osztódással szaporodnak. Ha létezne egy jó emlékezőtehetségű, intelligens amőba, akkor az osztódás előtt egyetlen egyed lenne, az osztódás után viszont kettő, amelyek teljesen azonosak egymással, sőt addig a pontig az emlékeik is teljesen azonosak, ám az osztódás után különböző utat bejárva, egymástól független életet élnek. A különbség az, hogy a kvantummechanikai esetben nemcsak arról van szó, hogy a Világegyetem vagy a megfigyelő kettéválik, hanem arról is, hogy az egész hullámfüggvénynek, vagyis az állapotok szuperpozíciójának bele kell építenie saját magába ezt a megkettőződést, abban a pillanatban, amikor a megfigyelő végrehajtotta a mérést vagy megfigyelést. Everett jelentős eredménye volt, hogy mindezt pontos matematikai nyelven tudta kifejezni, és bebizonyította, hogy a kvantummechanika általa kidolgozott értelmezése minden ellenőrizhető szempontból egyenértékű a kvantumfizika Bohr-féle változatával, azaz a koppenhágai értelmezéssel.

A Wheeler megjegyzései nyomán kissé módosított, Nancy által legépelt, 137 oldalas disszertációt 1956 januárjában számos szakértőnek, köztük Niels Bohrnak is elküldték, megjegyzéseiket kérve. Everett 1956 tavaszán elhagyta Princetont, és a Pentagonba került, ahol a fegyverrendszereket értékelő csoport munkatársaként, szigorúan titkos anyagokon dolgozva folytatta pályafutását. Itt hamarosan a matematikai osztály vezetője lett. Legtöbb munkája még ma is a titkos anyagok közé tartozik, azt azonban tudjuk, hogy egyebek között részt vett a nukleáris támadás célpontjainak meghatározására szolgáló optimális módszer kidolgozásában és a kölcsönösen biztosított megsemmisítés elve (Mutually Assured Destruction, MAD-doktrína) koncepciójának kifejlesztésében. Szeptemberben Everett visszatért Princetonba, hogy letegye a záróvizsgáit. 1957 márciusában nyújtotta be disszertációjának egy lényegesen lerövidített változatát. A dolgozat átalakítása során figyelembe vette a beérkezett megjegyzéseket és Wheeler tanácsait a téma bemutatására vonatkozóan. A „szétszakadás” nem jelent meg a dolgozat végső változatában, Wheeler ugyanis meggyőzte Everettet, hogy a legfontosabb cél a doktori cím megszerzése, amihez célravezetőbb némi mértéktartást tanúsítani.

Everett formálisan 1957 áprilisára teljesítette a doktori cím megszerzéséhez szükséges összes feltételt, ugyanazon év júliusában pedig „Relative State” Formulation of Quantum Mechanics (A kvantummechanika „relatív állapotú” megfogalmazása) címmel megjelent egy cikke a Reviews of Modern Physics című folyóiratban, amelyik lényegében azonos volt a doktori disszertációja végleges változatával. A cikkre azonban szinte senki sem figyelt fel. A néhány ember egyike, aki érdeklődését fejezte ki a munka iránt, a fizikus Bryce DeWitt volt, de eleinte még ő is szembehelyezkedett azzal az elgondolással, hogy a fizikai világ újra meg újra kettészakadhat, mindannyiszor, amikor egy kvantumszintű választással találjuk szembe magunkat. Everett azonban meggyőzte őt arról, hogy az elképzelés több mint elvont filozofálgatás, így aztán DeWitt végül tevékenyen közreműködött abban, hogy a szélesebb közvélemény figyelmét felhívja a sokvilág-elgondolásra - ehhez azonban egy évtizednél is hosszabb időnek kellett eltelnie.

Everett a „relatív állapot” kifejezést választotta, hogy hangsúlyozza saját elképzelései kapcsolatát Einstein általános relativitáselméletével. Einstein elméletében a Világegyetemben nem létezik kitüntetett hely - minden megfigyelő egyenértékű és egyformán jogosult a saját nézőpontra. Everett elméletében, bár ő ezt nem pontosan így fejezte ki, nincs kitüntetett univerzum a multiverzumban - minden kvantumállapot egyformán valóságos. Ezt Einstein meglátásával kombinálva megállapíthatjuk, hogy a multiverzumban minden megfigyelő egyenértékű és egyformán jogosult a saját nézőpontra. Wheeler erre hívta fel a figyelmet egy cikkében, amelyik Everetté mellett, ugyancsak a Reviews of Modem Physics 1957. júliusi számában jelent meg. „Semmi ehhez foghatót sem említhetünk a fizika történetéből - írta - kivéve az általános relativitáselméletet, miszerint minden szabályos koordináta-rendszer egyenértékű. Minden megfigyelő egyformán valóságos. Bár a sokvilág-értelmezés nem a multiverzum egyetlen változata, a téma variációi között egyetlen olyan sincsen, amelyik ellentmondana ennek a megállapításnak.

Ezt érdemes hangsúlyozni, mert egyesek még mindig úgy érvelnek azzal kapcsolatban, hogy mit jelenthet ténylegesen fizikailag a „relatív állapot” kifejezés, mintha legalábbis Everett bármilyen vonatkozásban kétségeket hagyott volna. Ez azonban távolról sem így van. Teljesen függetlenül a szétszakadástól és az intelligens amőbáktól, amiket Wheeler meggyőzése hatására hagyott ki a disszertációjából, a tételei alapján a Reviews of Modem Physics-ben megjelent cikke egyik lábjegyzetében Everett így fogalmazott: „Az elmélet szempontjából a szuperpozíció minden eleme (minden »ág«) ténylegesen létezik, és egyik sem »valóságosabb« a többinél. Szükségtelen feltételezni, hogy egy kivételével az összes többi valamilyen formában lerombolódik.” A tervezet eredeti, hosszú változatában pedig így írt:

E helyütt nyelvi nehézséggel találjuk szembe magunkat. Míg a megfigyelés előtt egyetlen megfigyelőnek egyetlen állapota volt jelen, addig a megfigyelés után a megfigyelő számára számos különféle állapot létezik, amelyek mindegyike egymásra rakódik (szuperponálódik). E különálló állapotok mindegyike egyetlen megfigyelő állapota, ezért úgy fogalmazhatunk, hogy a különböző megfigyelőket különböző állapotok írják le. ... Ebben a helyzetben egyes számot fogunk használni, ha azt akarjuk hangsúlyozni, hogy egyetlen fizikai rendszerről van szó, és többes számot használunk, ha a szuperpozíció különböző elemeire vonatkozó különböző tapasztalatokat akarjuk hangsúlyozni. (Például: „A megfigyelő végrehajt egy megfigyelést az A mennyiségen, miután az ennek eredményeképpen előálló szuperpozíció minden egyes megfigyelője az egyik sajátértéket észleli.”)

Készen állt a válasszal azok számára is, akik megkérdezték, miért nem érezzük ezeket a szétválásokat. Ismét a Reviews of Modern Physics-ben megjelent cikkéből idézünk:

Egyik ág sem képes semmiféle hatást gyakorolni egyetlen másikra sem, amiből az következik, hogy egyetlen megfigyelő sem lesz tudatában bármilyen „szétválási” folyamatnak.

Azok az ellenérvek, amelyek szerint ez az elmélet ellentmond a józan észnek, mert nem érzékelhetjük a szétszakadás folyamatát, olyanok, mint a kopernikuszi rendszer ellenében felhozott azon érvek, amelyek szerint a Föld mozgása, mint valóságos fizikai tény, összeegyeztethetetlen a természet józan ésszel történő értelmezésével, hiszen semmiféle ilyen mozgást sem érzünk.

Az érvelés mindkét esetben megdől, amikor megmutatjuk, hogy maga az elmélet kijelenti, hogy azt fogjuk észlelni, amit ténylegesen észlelünk. (Kopernikusz esetében a newtoni fizikát is segítségül kellett hívni, és úgy lehetett bebizonyítani, hogy a Föld lakói nem érzékelhetnek semmit bolygójuk mozgásából.)

Az univerzumok azonban teljes mértékben elszakadnak egymástól a szétválás után: „nem áll fenn a kommunikáció lehetősége a különálló állapottal jellemzett megfigyelők között” - írta Everett disszertációja tervezetében.

A történelem ágas-bogas fája

Everett multiverzumának különböző ágai, az úgynevezett „párhuzamos világok” között lehetetlen bármiféle kommunikáció ugyanazon egyenletek miatt, amelyek leírják az ilyen sokszoros valóságok létezését. Egyetlen kivétel létezik, amelyik ugyan teljes mértékben kívül esik jelen könyvünk tárgyán, mindamellett túlságosan izgalmas, így nem állhatok ellent annak, hogy legalább röviden megemlítsem.

Ez a lehetőség az időutazás. A párhuzamos világok elgondolása egyike azoknak az ötleteknek, amelyek a sci-fi irodalomban már jóval korábban megjelentek, mint ahogy tudományos körökben elfogadottá váltak volna. Egy másik ilyen ötlet az időutazás elgondolása. A párhuzamos univerzumokról szóló számtalan történetben fordul elő, hogy vagy a főszereplők tolódnak el valahogyan „oldalirányban az időben” egy másik univerzumba, vagy az egész cselekményt helyezi át a szerző egy párhuzamos valóságba, egy alternatív történelembe, amelyik a múlt egy kritikus pontjában kiágazott az általunk ismert történelemből - például oly módon, hogy a másik történetben a Tengelyhatalmak nyernék meg a II. világháborút.

Az ennek eredményeképpen előálló történelem képe egy olyan fára hasonlít, amelyiknek rengeteg ága van, és ezek mindegyike különböző univerzumokat jelent. Ezek azért léteznek, mert különböző események kimenetelének következtében, különböző időpontokban ágaztak ki. A hasonlat távolról sem tökéletes, mivel ha Everettnek igaza van, akkor nincs a fának „törzse”, és az elágazások rendszere sokkal bonyolultabb, de valahogy mégis működik a hasonlat. Sok időutazásos történetben szerepelnek olyan utazók, akik visszamennek az időben, akár szándékosan, akár véletlenül, ott megváltoztatják a történelem menetét, majd visszajönnek egy olyan "jelenbe”, amelyik lényegesen eltér attól, amelyikből elindultak.

Ezt a két elképzelést kombinálva elképzelhető, hogy az utazó a történelem egyik ágán (az egyik univerzumban) visszamegy az időben, majd egy másik ágon (másik univerzumban) előremegy az időben. Nincs arról szó, hogy megváltoztatná a történelmet, hiszen mindkét változat már eleve létezett. A klasszikus „nagymama-paradoxon” szerint például az időutazó visszamegy a múltba, ahol véletlenül saját nagyanyja halálát okozza, még mielőtt az utazó édesanyja megszületett volna. Ebben az esetben, ha az időnek csak egyetlen vonulata létezik, akkor az utazó soha nem születhetne meg, így soha nem utazhatna vissza a múltba, a nagyi tehát életben marad - és így tovább. A történet sokvilág-változatában az időutazó visszamegy a múltba, a nagymama meghal, de ez az esemény egy új univerzum kiágazásának a pillanatát jelenti. Az időutazó megteheti, hogy az alternatív ágon jön vissza a jelenbe, ahol egy olyan jelent talál, amelyikben ő soha nem is létezett. Ám visszamehet a jelenbe az eredeti ágon is, ahol a legnagyobb meglepetésére azt tapasztalja, hogy a nagymama nem is halt meg. Akármelyik lehetőséget választjuk, nincs paradoxon.

Mindez nagyon szórakoztató regények alapját képezheti. A meglepő a dologban az, hogy a fizika ismert törvényei között egyetlen olyan sincs, amelyik tiltaná az időutazást, jóllehet az időgép megépítése rendkívül bonyolult feladat lenne. Az általános relativitáselmélet (a tér és az idő rendelkezésünkre álló legjobb elmélete, amelyik eddig minden próbát kiállt) egyenletei megengedik az időutazás lehetőségét; nem engedik meg viszont azt, hogy az időgép megépítésénél korábbi időpontba utazzunk vissza a múltba. Ezért nem árasztanak el minket a jövőből érkező látogatók. Eddig ugyanis még nem építettünk időgépet.

Visszatérve azonban a multiverzumhoz, a nagymama-paradoxon Schrödinger macskájának példájára emlékeztet minket. Ez tipikusan az a fajta rejtély, amelyet Everett sokvilág-értelmezése megold.

A macska eredeti problémáját úgy vetettük fel, hogy az eseményeknek csak két lehetséges kimenetele van - vagyis a fizika nyelvén szólva a rendszernek két „sajátértéke” van. A macska vagy él, vagy kimúlt. Everett értelmezése szerint ez azt jelenti, hogy egymásra szuperponálódva, de egymásra soha hatást nem gyakorolva, két, egyaránt valóságos világ létezik - az egyik univerzumban a macska él, a másik univerzumban elpusztult. Könnyű elképzelni egy bonyolultabb szituációt, ahol az események menetét mondjuk kockadobással vagy valamilyen hasonló módszerrel határozzuk meg, így az eseményeknek több kimenetele lehetséges. Schrödinger ötletét továbbfejlesztve akár az is elképzelhető, hogy több tucat macskánk van, amelyek mindegyike a saját lakosztályában él, és kockadobások eredményétől függ, hogy melyiküknek kell elpusztulnia. Miután a kísérletet végrehajtottuk, megfelelő számú párhuzamos univerzum jön létre, a kvantummacskák teljes változatosságával. Ám a gyakorta feltételezettel ellentétben, ez a „megfelelő” szám nem végtelen számú párhuzamos univerzumot jelent. Bár a „sok” a sokvilág-értelmezésben akár egy felfoghatatlanul nagy számot is jelenthet, nincs okunk feltételezni, hogy ténylegesen végtelen lenne. A párhuzamos univerzumok végeláthatatlan sokaságában a szomszédos univerzumok szinte megkülönböztethetetlenek a miénktől, a valamivel távolabbi univerzumok már kicsit jobban eltérnek, míg a multiverzum távoli univerzumai merőben mások, mint a mi Világegyetemünk.

A legjobb ok, amiért érdekes a sokvilág-értelmezést komolyan venni, az, hogy soha, senki nem talált még más módszert a Világegyetem leírására a kvantumfizika fogalmaival. Wheeler ezt már a kezdet kezdetén felismerte, hiszen a Reviews of Modern Physics 1957. júliusi számában megjelent cikkének utolsó mondata így szól:

Everett relatív állapotokról szóló koncepcióján kívül nem áll rendelkezésünkre más, önmagában ellentmondásmentes rendszer, amely magyarázatot adna arra, hogy mit jelent az, ha kvantálunk egy olyan zárt rendszert, mint amilyen az általános relativitáselmélet univerzuma.

Ez a kijelentés 1957-ben sokkal kisebb feltűnést keltett, mint ma. Ötven évvel ezelőtt a Világegyetemre vonatkozó ismereteink sokkal korlátozottabbak voltak, mint napjainkban - olyannyira, hogy még arról is élénk vita folyt a kozmológusok körében, hogy vajon a Világegyetem története valóban egy meghatározott időpontban bekövetkezett Ősrobbanással kezdődött, vagy pedig öröktől fogva létezett (állandó állapotú Világegyetem). A XX. század végének és a XXI. század elejének egyik jelentős tudományos eredménye annak megállapítása, hogy a Világegyetem története valóban egy Ősrobbanással kezdődött, csaknem pontosan 13,7 milliárd évvel ezelőtt. Azóta a Világegyetem tágul, összhangban a tér és az idő általános relativitáselmélet által adott leírásával. Minél inkább biztosak a kozmológusok abban, hogy értik a minket körülvevő Világegyetemet, annál nyilvánvalóbb, ezt a képet csak egyetlen módon lehet összeegyeztetni a kvantumfizikával, éspedig úgy, ahogyan azt a sokvilág-értelmezés kínálja - ezért örvend Everett elképzelése ma sokkal nagyobb elismertségnek, mint korábban bármikor.

Everettet befogadja a társaság

Bryce DeWitt volt az, aki előbb a szakembereket, majd közvetve a nagyközönséget is megismertette Everett munkájával. DeWitt kezdettől fogva tudott Everett eredményeiről, és 1957 óta levelezett vele, valójában a Reviews of Modern Physics-ben megjelent cikk lábjegyzetében szereplő utalás a szétválás érzésének hiánya, illetve a Föld mozgásának érzése hiánya közötti párhuzamra ugyancsak ebből a levelezésből származott. DeWitt csaknem nyolc évvel idősebb volt Everettnél (1923. január 8-án született), és a Harvardon végzett, 1943-ban. A háború következtében a doktori értekezését (szintén a Harvardon) csak 1949-ben fejezte be, majd rövid időt Indiában és Franciaországban töltött (Cecile Morette francia fizikust vette feleségül), és végül Chapel Hillben az Észak-Karolinai Egyetemen (University of North Carolina) kötött Id, ahol a gravitáció kvantumelméletével foglalkozott.

1968-ban, amikor DeWitt már a terület elismert szaktekintélyének számított, meglátogatta őt Max Jammer fizikus és tudományfilozófus, aki azt tervezte, hogy könyvet ír a kvantumfizika történetéről és különböző értelmezéseiről. DeWitt legnagyobb meglepetésére kiderült, hogy Jammer még egyáltalán nem hallott Everett munkájáról, amiből arra következtetett, hogy az 1957-es cikk szinte teljesen feledésbe merült (véletlenül Jammer egyik korábbi könyvében az egyik lábjegyzetben volt egy hivatkozás az 1957-es cikkre, persze nem ő volt az első szerző, aki anélkül hivatkozott egy cikkre, hogy ténylegesen elolvasta volna). Minthogy Everett már nem a fizika területén dolgozott, DeWitt elhatározta, hogy ő maga próbálja meg helyrehozni a dolgot, ezért írt egy cikket a sokvilág-értelmezésről, amelyik a Physics Today 1970. szeptemberi számában jelent meg. Ez volt az a cikk, amelynek köszönhetően nagyon sok fizikus (köztük e sorok írója is) tudomást szerzett Everett munkájáról. A cikkben leírja, hogy „az univerzum folyamatosan kölcsönösen megfigyelhetetlen, de egyformán valóságos világok sokaságára szakad szét”, tárgyalja Schrödinger macskájának problémáját, és kijelenti, hogy „minden kvantumfizikai átmenet, amelyik bármely csillagon, bármelyik galaxisban, az univerzum bármely, távoli zugában végbemegy, a mi helyi világunkat önmaga másolatainak miriádjaira szakítja szét”.

DeWitt szavai szerint „sokkoló hatással volt rám, amikor először találkoztam ezzel a sokvilág-koncepcióval. Nem könnyű összeegyeztetni a józan ésszel azt az elgondolást, hogy 10100+ enyhén tökéletlen másolatunk folyamatosan további másolatokra szakad. Ez már skizofrénia a javából.” Analógiája szerint „az állapotvektor olyan, mint egy rendkívül sokágú fa”, de arra is rámutat, hogy „egy véges univerzum hullámfüggvénye csak véges számú ágat tartalmazhat”. A feljegyzések szerint (lásd Shikhovtsev cikkét) Everett azon az állásponton van, hogy „természetesen elfogadja azt, ahogyan DeWitt bemutatta az ő elméletét”.

Az elképzelések közül DeWitt tanítványa, Neill Graham a doktori értekezésében nagyon sokat részletesen kidolgozott. DeWitt és Graham közösen összeállítottak egy könyvet is The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics (A kvantummechanika sokvilág-értelmezése) címmel, amelyik 1973-ban jelent meg, és tartalmazta Everett disszertációjának hosszabb változatát, valamint Everett és Wheeler cikkeit, amelyek a Reviews of Modern Physics-ben jelentek meg, továbbá a Physics Today cikkét. Ez a könyv tette népszerűvé a sokvilág-értelmezés kifejezést, az előszó első bekezdésében pedig a szerkesztők egy „sok világból összeálló valóságra” hivatkoznak, amelyik „az univerzum folyamatos szétszakadását tükrözi”. 1974-ben megjelent Jammer könyve, a munka egy jelentősebb fejezete a sokvilág-értelmezéssel foglalkozott. „A multiverzum elmélete - írta a szerző - kétségtelenül a tudomány történetében megalkotott összes elmélet közül az egyik legmerészebb és legambiciózusabb”.

A fizikusok körében DeWitt és Graham már elterjesztették Everett és a sokvilág-értelmezés hírét, azonban 1976 decemberében szélesebb körben is elterjedt a hír, amikor megjelent egy cikk az Analog című sci-fi magazin „Tudományos tények” rovatában „Kvantumfizika és valóság” címmel. A cikk alcíme így szólt: „Az alternatív univerzumok nem csupán a sci-fi írók trükkjei - a kvantumfizikusok megmentéséhez is szükség van rájuk!” A cikk szerzői, Michael Talbot és Lloyd Biggie, Jr. közérthetően számoltak be az elképzelésről.

Minthogy az Analog magazint többen olvasták (elsősorban egyetemisták), mint ahányan A kvantummechanika sokvilág-értelmezése című könyvet megvásárolták, ezért Everett ismertsége a tetőfokára hágott. Addigra DeWitt és Wheeler egyaránt Austinban a Texas Egyetemen (University of Texas at Austin) dolgozott, ahol 1977-ben összejövetelt szerveztek a tudatosság problémájának megtárgyalására, és annak a kérdésnek a megvitatására, hogy lehet-e egy számítógép tudatos. Everettet is meghívták, ő volt a sztárvendég, aki zsúfolásig megtelt teremben tartotta az előadását, és az ő kedvéért a négy óra hosszat tartó előadás idejére még a dohányzási tilalmat is felfüggesztették a teremben - Everett ugyanis láncdohányos volt, aki nem tudott cigaretta nélkül dolgozni.

Ez lett Everett utolsó nyilvános szereplése, és az egyetlen, ahol híres tudósként léphetett fel. De az austini kiruccanás talán legfontosabb eseményének mégis az bizonyult, hogy találkozott Wheeler egyik tanítványával, az angol David Deutsch-csal. Deutsch valójában DeWitt tanítványa is volt, és mélyen érdeklődött a kvantumfizika egyenletei által leírt „univerzumok” természete iránt. Ők ketten az egyik napon, ebéd közben alaposan megtárgyalták a kérdést, amire Deutsch úgy emlékszik vissza, hogy Everett rendkívül lelkesen fogadta a „sok univerzum” kifejezést, viszont nem ragaszkodott az „állapotvektor” sokkal elvontabb szakkifejezéséhez.

A továbbiakban Deutsch a sokvilág-elgondolás egyik legjelentősebb szószólójává vált. Jelenleg az Oxford Egyetemen dolgozik, és a közelmúltban jelentős áttörést sikerült elérnie, amikor kimutatta, hogy a sokvilág-értelmezésben miként bukkannak fel maguktól értetődően a kvantumvilág valószínűségi szabályai - vagyis azt, miként keltik bennünk az elágazódások a mérések valószínűségi kimenetelének illúzióját.

Miközben tehát a kvantumfizika Everett-féle változatának története happy enddel fejeződött be, sajnos ugyanez nem mondható el magáról Everettről, az emberről. Egy volt kollégája, John Barry úgy írta le őt, mint aki „ragyogó, minden hájjal megkent és megbízhatatlan”. Rideg személyiség volt, aki imádta a számítógépeket, de saját családja számára szinte idegen volt, túlzásba vitte a dohányzást és az ivást (valószínűleg alkoholista volt), és egészségtelenül táplálkozott - bizonyára hevesen veszekedett volna bárkivel, aki felhívta volna a figyelmét arra, hogy az orvostudomány nem tévedett a koleszterin káros hatását illetően. 1982. július 19-én az orvostudomány mondta ki az utolsó szót, amikor Everettet 51 éves korában szívroham érte, és holtan találták az ágyában. Csaknem napra pontosan 25 évvel azután halt meg, amikor megjelent a cikke a Reviews of Modem Physics-ben. Everett lánya, Liz, 1996-ban öngyilkos lett, felesége pedig 1998-ban tüdőrákban hunyt el - valószínűleg férje dohányzási szokásainak vált a passzív áldozatává. A család egyetlen élő tagja, Hugh Everett fia, Mark dalszerzőként és az Eels együttes vezetőjeként lett híres. Melankolikus zenéje érzékelteti a legjobban, milyen lehetett az élete annak, akinek úgy kellett felnőnie az apja mellett, mintha nem lett volna apja. Csak reménykedhetünk abban, hogy valahol, egy másik univerzumban mindegyikük sorsa jobbra fordult.

És ezzel visszajutottunk ahhoz a ponthoz, ami miatt sokan nagyon nehezen fogadják be a sokvilág-értelmezést. Az elgondolás túlságosan tékozlónak tűnik, legalábbis ami az univerzumok számát illeti! Fizikailag és matematikailag teljesen rendben van az elképzelés, sőt még a szükséges feltevések száma is meglehetősen csekély - tulajdonképpen Everett egyetlen feltevése az volt, hogy az egyenletek igazat mondanak. Azonban DeWitt már idézett szavai szerint „nem könnyű összeegyeztetni a józan ésszel azt az elgondolást, hogy 10100+ enyhén tökéletlen másolatunk folyamatosan további másolatokra szakad, amelyek ráadásul észlelhetetlenekké válnak”.

Nézzünk szembe a tényekkel - minket, embereket az érdekel igazán, hogy kerülünk mi ebbe a képbe, és merre tart a mi világunk. Valóban csak egyetlen fizikai világra van szükségünk ahhoz, hogy e világi jelenlétünkről számot adjunk? Ez az, amire az emberek általában gondolnak. Ám az elmúlt két évtized alatt egyre inkább világossá vált, hogy a mi Világegyetemünknek van valamilyen különlegessége - valamilyen furcsa tulajdonsága, amely lehetővé teszi, hogy mi magunk itt legyünk és kérdéseket tegyünk fel. Mindez határozottan arra ösztönöz, hogy vegyük komolyan a multiverzumot, függetlenül a téma Everett-féle ősváltozatának érdemeitől. A kvantumfizika az, ami a multiverzum elgondolásának szilárd tudományos alapot teremt, ugyanakkor a véletlen kozmikus egybeesések egész sora mutat arra, hogy milyen nagy szükségünk van egy ilyen elképzelésre.

2. Még egyszer a kozmikus egybeesésekről

Mi az, ami különlegessé teszi a mi Világegyetemünket? 1989-ben Cosmic Comcidences (Kozmikus egybeesések) című könyvünkben Martin Reesszel áttekintettük azokat a bizonyítékokat, amelyek szerint van valami különös a természeti törvényekben, ami a mi Világegyetemünket alkalmassá teszi arra, hogy otthont adjon az életnek. Rees, aki jelenleg Királyi Csillagász és a Royal Society elnöke, később ezeket a gondolatokat Csak hat szám (Just Six Numbers) [Magyarul: Vince Kiadó, Budapest, 2001] című könyvében továbbfejlesztette. Ebben a fejezetben csak rövid összefoglalást szeretnék adni ezekről a véletlen kozmikus egybeesésekről - valójában hatnál több van belőlük, de a Rees által kiválasztott hat bőségesen elég a lényeg érzékeltetéséhez. Éppen ezek az egybeesések mutatnak rá minden másnál erőteljesebben arra, hogy a multiverzum elképzelését ilyen vagy olyan formában komolyan kell vennünk.

Ezeknek a kozmikus egybeeséseknek a vizsgálatát néha „antropikus kozmológiának” nevezik, mert létezésünk ezeknek az egybeeséseknek a fennállásán múlik. Az elnevezés azonban nem szerencsés, mert arra enged következtetni, mintha az emberi lények valamilyen szempontból különlegesek lennének, holott csak arról van szó, hogy az egybeesések létfontosságúak a Világegyetemben az élet, pontosabban szólva az élet általunk ismert formájának a létezése szempontjából. Az antropikus kozmológia fogalmát Brandon Carter alkotta meg 1973-ban, és abban az előadásában hangzott el először, amelyet Nikolausz Kopernikusz születésének 500. évfordulója alkalmából rendezett konferencián tartott. A kifejezés 1974-ben a konferencia kiadványában nyomtatásban is megjelent. Mindez magyarázatot ad Carter szóhasználatára, amelyet azóta ő maga is megbánt, ugyanis a kopernikuszi forradalmat úgy tekintjük, mint ami kiemelte az „emberiséget” a Világegyetem középpontjából, márpedig Carter éppen arra mutatott rá, hogy bár jelenlétünk nem foglal el központi helyet a Világegyetemben, mégis bizonyos értelemben kitüntetett. A kifejezést 1979-ben Bernard Carr és Martin Rees Nature-ben megjelent cikke népszerűsítette, amelyben összefoglalták az addig megismert összes véletlen egybeesést. De a két legjobb és legkönnyebben érthető példát a ma antropikusnak nevezett érvelésre már jóval a fogalom megszületése előtt felismerték - az egyiket a brit elméleti csillagász Fred Hoyle, a másikat pedig az amerikai Robert Dicke.

A szén különös rezonanciája

Ezek az egybeesések csak akkor váltak nyilvánvalóvá, amikor a XX. század második felében kialakult a Világegyetem modern képe. Ma már bőséggel állnak rendelkezésünkre a bizonyítékok amellett, hogy a körülöttünk látható Világegyetem története egy forró, sűrű tűzgömbben - közkeletű nevén az Ősrobbanásban - kezdődött, mintegy 13,7 milliárd évvel ezelőtt. Azóta a Világegyetem folyamatosan tágul és hűl, de a Világegyetem egészének tágulásán belül a gázfelhőket a gravitáció összehúzza, így csillagok és galaxisok jönnek létre. Az anyag, amelyből a csillagok és a galaxisok - valamint a bolygók és az emberek is - felépülnek, a sötét anyag tengerébe ágyazódik be. A sötét anyag jelenléte viszont csak gravitációs hatása alapján mutatható ki - ez a hatás segített a most megfigyelhető formában elrendezni a dolgokat. A sötét anyagról és a Világegyetem nagy léptékű szerkezetéről később majd részletesebben is kell írnom, azonban ennek a szóban forgó két koincidencia szempontjából nincs jelentősége. Valójában sem Hoyle, sem pedig Dicke nem tudott a sötét anyag létezéséről, amikor felfigyeltek ezekre az egybeesésekre.

Testünk atomokból áll, az atomok pedig protonokból és neutronokból (az atommagban található, viszonylag nehéz részecskékből), valamint elektronokból állnak (amelyeket ebben az összefüggésben viszonylag könnyű „részecskéknek” tekinthetünk az atom külső részén). Az anyagnak erre a fajtájára gyakran barionos (vagy atomos) anyagként hivatkozunk, a sötét anyagtól való megkülönböztetésül. Az Ősrobbanásból visszamaradt sugárzás (a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás) megfigyelésének és az elméleti számításoknak az összevetéséből tudjuk, hogy az Ősrobbanás során létrejött atomos anyag csaknem teljes egészében a két legkönnyebb elemből, hidrogénből és héliumból állt. Az anyag 75%-át hidrogén alkotta, ennek az elemnek minden atomja egyetlen protonból és egy elektronból áll. A további 25%-ot hélium tette ki, amelynek atommagjában két proton és két neutron található, körülötte, az atom külső részén pedig két elektron. Ezt a legöregebb, a Világegyetem fiatal korában keletkezett csillagok spektroszkópiai vizsgálata is megerősíti. Az összes többi kémiai elemet a csillagok belsejében építette fel a magfúzió, majd az így létrejött elemeket az öregedő és pusztulófélben lévő csillagok szétszórták a térben, ezáltal nyersanyagot szolgáltatva a csillagok későbbi generációi és végső soron az olyan bolygók számára, mint amilyen a Föld is. Ez azonban lassú folyamat. Ezek a nehéz elemek - a hidrogén és a hélium kivételével az összes többi - még ma is csak a Világegyetem összes atomos anyagának kevesebb mint két százalékát teszik ki. Ez a viszonylag csekély mennyiségű nehéz elem az, ami lehetővé teszi bolygók és emberek létezését. Mindamellett a Naprendszer tömegének a legnagyobb részét a Nap teszi ki, amelyik szintén túlnyomórészt hidrogénből és héliumból áll.

A kémiai elemek közül négy különösen fontos az élet szempontjából, maga a hidrogén, valamint a szén, az oxigén és a nitrogén. Ezek közül kettő, a szén és az oxigén szerepel Hoyle antropikus felismerésében.

A nehéz elemek felépülésének legfőbb módja a csillagokban a héliummagok egyesülése egymással, lépésenként, egyre nagyobb atommagokat hozva létre. A szén atommagja például hat protont és hat neutront tartalmaz, ezért lényegében három héliumatommagnak kell összetapadnia a létrehozásához. Az oxigén atommagjában nyolc proton és nyolc neutron található, vagyis lényegében négy héliummagnak kell összetapadnia - vagy ami még lényegesebb, minden egyes oxigénatommag úgy jön létre, hogy a szénatommaghoz hozzáadódik egy héliummag. Más folyamatok hatására más elemek atommagjai is felépülnek, amelyek nem ilyen nyilvánvalóan származtathatók a héliummagokból, de a részletek jelenleg nem fontosak. A mi szempontunkból most csak az az érdekes, hogy az egész folyamatnak rögtön az elején van egy nagyon szűk keresztmetszete.

Akkor hát honnan ered végeredményben a szén? Arra gondolhatnánk, hogy egy héliumatommag hozzáadódik a sorban a szén alatt álló elem, vagyis a berillium négy protont és négy neutront tartalmazó magjához. A berillium atommagja - vagyis az a mag, amelyik két héliummag összetapadása által jönne létre - azonban rendkívül instabil, ezért szinte abban a pillanatban szétesik, ahogy létrejött. Ha véletlenül mégis összeütközik egymással két héliummag, és összetapadnak, akkor is bizonyos időbe telik, mire egy harmadik héliummag is nekiütközik a berilliummagnak. Az 1950-es évek elején azonban sokkal valószínűbbnek tűnt, hogy ez az ütközés szétszakítja az egyébként is instabil berilliummagot ahelyett, hogy hozzá kapcsolódva szénatommagot hozna létre. Ha viszont nem jön létre szén, akkor nem alakulhat ki az oxigén sem, mint ahogy a többi nehéz elem sem. Ebben az esetben viszont nem létezhetne élet - legalábbis a hozzánk hasonló élőlényeket alkotó, szén alapú formában.

Fred Hoyle azzal érvelt, hogy mivel mi mégiscsak létezünk, ezért kell lennie valamilyen mechanizmusnak, amelyik megkerüli ezt a szűk keresztmetszetet. 1954-ben előállt egy, a héliumtól a szénig vezető másik útvonal lehetőségével. Ennek létezése azon múlt, hogy a szénatommagnak úgynevezett gerjesztett állapotban kell léteznie, amelynek energiája pontosan akkora, ami rezonál a berillium-és a héliummagok együttes energiájával. Semmilyen más alapja nem volt ezen rezonancia feltételezésének, csak az a puszta tény, hogy létezünk. A szén jelen van a Világegyetemben, jelentette ki Hoyle, ezért az atommagnak pontosan ilyen módon kell rezonálnia.

Ez a rezonancia kicsit ahhoz hasonlóan működik, ahogyan ugyanazon a gitárhúron különböző magasságú hangokat tudunk megszólaltatni. A húr alaphangja a lehetséges legmélyebb hang, ugyanezen a húron azonban megszólaltathatók ennek az alaphangnak a felharmonikusai is. Mint ahogy egyetlen gitárhúr sem alkalmas az összes lehetséges zenei hang, csak az alaphangja és annak felharmonikusai megszólaltatására, éppen úgy az atommagnak sem lehet tetszés szerinti energiája. Az atommag azonban képes energiát elnyelni, például az őt érő gamma-sugárzásból, aminek hatására rövid időre „gerjesztett” állapotba kerül, majd kibocsátja a felvett többletenergiát, és visszaesik legalacsonyabb energiaállapotába, az úgynevezett alapállapotba. Ez a folyamat azonban csak akkor működik, ha a beeső gammafoton energiája pontosan akkora, mint amekkora az alapállapot és valamelyik lehetséges gerjesztett állapot közötti energiakülönbség, és ez utóbbiak olyanok, mint a húr esetében a felharmonikusok. Hasonlóképpen, ha valaki letesz egy gitárt egy erősítő mellé, és az erősítőn keresztül hangosan megszólaltat egy bizonyos zenei hangot és annak a hangnak a magassága pontosan megfelelő egy vagy több húr számára, akkor ezek a húrok a hang rezgésével szinkronban maguk is rezegni kezdenek - rezonálnak.

A részecskefizikusok az energiát elektronvoltokban (eV) vagy annak többszöröseiben, például megaelektronvoltban (MeV millió eV) mérik. 1954-ben már tudták, hogy a berillium-és a héliummagok együttesének energiája 7,3667 MeV Hoyle azt állította, hogy a szénmagnak kell lennie egy olyan energiaállapotának, amelyiknek az energiája csak hajszálnyival magasabb ennél, ezért a beérkező héliummag kinetikus energiája elegendő lenne ahhoz, hogy a rendszer teljes energiáját éppen a rezonancia létrehozásához szükséges szintre emelje. Ha ez így történik, akkor a bejövő héliummag nem szakítja szét az instabil berilliummagot, hanem gerjesztett állapotú szénmagot hoz létre, amelyik azután kisugározza a fölösleges energiát, és a szokásos módon visszaesik az alapállapotába.

Amikor Hoyle beszámolt erről az ötletéről a részecskefizikusoknak, azok szó szerint a képébe nevettek. Nevetségesnek tűnt azt képzelni, hogy pusztán saját magunk létezésének ténye alapján megjósoljuk egy atommag tulajdonságait, és ezek után még azt is elvárjuk, hogy a magot pontosan ezek a sajátosságok jellemezzék. Hoyle-nak azonban sikerült rábeszélnie a magfizikus kollégáit, hogy hajtsák végre a szükséges kísérletet. Amikor ezt megtették, akkor azt tapasztalták, hogy a gerjesztett energiaszint energiája pontosan 7,6549 MeV azaz éppen megfelelő ahhoz, hogy az egyesült hélium/berilliummag esetében a rezonancia működjék. A zenei hasonlatot kiterjesztve, a későbbi számítások azt mutatták, hogy a magfizikai kölcsönhatásnak 0,5% pontossággal kell „finomhangolva” lennie, ha azt akarjuk, hogy a rezonancia működjék.

Ez azonban még nem minden. Amint korábban már említettem, az oxigén atommagja a csillagok belsejében úgy jön létre, hogy a héliummagok egyesülnek a szénatommagokkal. Minthogy a szén magja stabil, ezért hosszú időn keresztül megmarad a csillagok belsejében, és ha ezen folyamat esetében is létezne hasonló rezonancia, akkor az összes szén rövid időn belül oxigénné alakulna. Véletlenül a szén és a hélium magjának egyesített energiája 7,1616 MeV. Ugyanakkor az oxigén atommagjának a gerjesztett szintje 7,1187 MeV energiájú, vagyis egy hajszálnyival alacsonyabb annál, amennyi a rezonancia létrejöttéhez szükséges. Ha ehhez még hozzávesszük a bejövő héliummag kinetikus energiáját, akkor a különbség még nagyobb. Ebben az esetben a rezonancia tehát nem lép fel - csak néha.

A két egybeesés igen figyelemreméltó. Ha a gerjesztett szénmag energiája csak egy hajszálnyival kisebb lenne, akkor azért nem lenne szén a Világegyetemben, mert létre sem jönnének a szénatomok. Ha viszont az oxigén energiaszintje kicsit magasabb lenne, akkor azért nem lenne szén a Világegyetemben, mert ami létrejönne, az rögtön, maradéktalanul oxigénné alakulna. Akármelyik is lenne a helyzet, a hozzánk hasonló, szén alapú életformák nem létezhetnének. Hoyle saját szavaival: (Galaxies, Nuclei and Quasars. Az egyetlen általam végrehajtott változtatás, hogy az „univerzum” szót „multiverzumra” cseréltem.)

Az egyik álláspont szerint a kérdéses számok értéke fluktuál, vagyis az univerzum más tartományaiban esetleg eltérő lehet az értékük. A magam részéről ezen álláspont felé hajlok. ... Ettől kezdve a C^12 és az O^16 energiaszintjeinek különös helyzetét nem kell valamilyen kozmikus véletlen megnyilvánulásának tekinteni. Egyszerűen arról lehet szó, hogy a hozzánk hasonló teremtmények létezése a szén és az oxigén érzékeny egyensúlyán múlik, mi magunk csakis az univerzum azon tartományaiban létezhetünk, ahol ezek az energiaszintek pontosan a megfelelő helyen helyezkednek el.

Nem ez volt azonban a Hoyle által felkínált egyetlen szempont. Azt is kijelentette, hogy más szempontból úgy tűnik, mintha „a fizika törvényei szándékosan úgy lennének megtervezve, mintha előre figyelembe vennénk, milyen következményekkel jár ez a csillagok belsejében”, és így az egész Világegyetem olyannak látszik, mintha „meg lenne bundázva”. 1965-ben sok fizikus számára meglehetősen szélsőséges álláspontnak tűnt a Tervezőt segítségül hívni a szén és az oxigén atommagjai energiaszintjeinek magyarázata érdekében, ám amint azt a 7. fejezetben kifejtem, ma már úgy tűnik, a helyzet kissé megváltozott.

Miért olyan nagy a Világegyetem?

Dicke koincidenciáját még könnyebb megérteni, mint Hoyle-ét (ennek ellenére ez az egybeesés sem kevésbé lenyűgöző), ha már tudjuk, hogy a nehéz elemek a csillagok belsejében épülnek fel. A koincidencia valószínűleg nem a megfelelő kifejezés, mert Dicke valójában szintén saját létezésünk tényéből kiindulva arra adott magyarázatot, amelyet 1961-ben publikált részletesen, hogy miért olyan nagy és öreg a Világegyetem, amelyet magunk körül látunk.

A Világegyetem 13,7 milliárd éve létezik, a fénysugár pedig egy év alatt éppen egy fényév távolságot tesz meg, így a legtávolabbi objektumok, amelyeket a tér bármely irányában láthatunk, legfeljebb 13,7 milliárd fényévre lehetnek. Létezhetnek ezen a határon túli tartományok is a Világegyetemben - talán végtelenül sok de ezeket nem láthatjuk, mert a fényük a rendelkezésre álló idő alatt még nem érhetett ide hozzánk. Érvelésünk egyszerűsítése kedvéért tekintsük ezt a távolságot kereken 10 milliárd fényévnek. A múltban a kozmikus horizont közelebb volt hozzánk, a jövőben távolabb lesz. Akkor hát miért nem elég, ha egyszerűen csak körülnézünk, ha meg akarjuk állapítani, milyen nagy a látható Világegyetem, legalábbis fejlődése pillanatnyi állapotában?

Arra gondolhatunk, hogy ez csak egyike azoknak a dolgoknak, amelyeket előbb vagy utóbb kifejleszthetünk. Ám a nehéz elemeket (mint például a szenet) felépítő csillagok sok milliárd év alatt járják be teljes életútjukat, és csak ezt követően, pusztulásukkor szórják szét a nehéz elemeket a térben. Ezután további néhány milliárd évbe telik, mire egy (vagy több) későbbi generációs csillag körül, az egyik (vagy néhány) bolygón kifejlődik az értelem. Hozzávetőlegesen azt mondhatjuk, hogy körülbelül 10 milliárd évbe telik, mire a hozzánk hasonló életformák megjelennek a Világegyetemben, és tudomást szereznek saját környezetükről.

Ha előre tekintünk a távoli jövőbe, akkor azt látjuk, hogy a csillagok mind kiégnek, és így nem lesznek már körülöttük az élet hordozására alkalmas bolygók. Mi tehát nagyjából a lehető legkorábbi időpontban vagyunk jelen a Világegyetemben, amikor csak lehetőség nyílt a megjelenésünkre. A látható Világegyetem óriási mérete, amely első pillanatban látszólag az emberi lények jelentéktelenségét hangsúlyozza a dolgok kozmikus léptékében, valójában létezésünk alapvető feltétele.

A nukleáris hatásfok

A Martin Rees által felsorolt koincidenciák sokkal inkább technikai jellegűek, mint az eddig említett egyszerű példák az élet és a Világegyetem közötti bensőséges kapcsolatra, mindamellett érdemes valamivel részletesebben megtárgyalni ezeket is, ha hangsúlyozni akarjuk, milyen furcsa szerzet valójában a Világegyetemünk. E speciális számok közül az első szoros kapcsolatban áll Hoyle antropikus érvével, valamint azoknak a magreakcióknak a hatásfokával, amelyek segítésével a magreakciók Einstein híres E=mc^2 formulájának megfelelően a tömeget energiává alakítják.

A dolgok természetes törekvése, hogy a legalacsonyabb energiájú állapotot akarják felvenni. A legismertebb példa erre az, hogy a víz lefolyik a hegyoldalon. Minél magasabban helyezkedik el valami a gravitációs térben, annál nagyobb az energiája - ha egy tárgyat felemelünk, akkor az általunk végzett munka átalakul a felemelt test gravitációs potenciális energiájává. Ha a test leesik, vagy ledobjuk, vagy amikor a víz lefolyik a völgybe, akkor a gravitációs energia felszabadul, és átalakul mozgási (kinetikus) energiává. A könnyű atommagok azért egyesülnek egymással, nehezebb magokat hozva létre, mert a nehezebb magokban minden egyes elemi részecskére (protonra vagy neutronra) kevesebb energia jut.

A protonokat és a neutronokat együttesen nukleonoknak nevezzük, így azt mondhatjuk, hogy a héliumban kevesebb energia jut egy nukleonra, mint a hidrogénben, az oxigénben, mint a szénben, és így tovább, egészen a vasig. Feltéve, hogy le tudják győzni a pozitív töltésük miatt fellépő kölcsönös taszítóerőt, az atommagok egymáshoz tapadnak, és a folyamatban energia szabadul fel. Pozitív töltésük ellenére az erős magerőnek (vagy erős kölcsönhatásnak) nevezett erő tartja őket össze, amely erősebb az elektromos erőnél, de nagyon rövid a hatótávolsága, ezért az atommagok csak akkor tudnak egyesülni, ha nagyon közel jutnak egymáshoz, ami csak a csillagok belsejében, rendkívül nagy sűrűség és magas hőmérséklet mellett fordul elő. Amikor viszont elegendően közel kerülnek egymáshoz, akkor megragadják és attól kezdve szorosan tartják egymást.

A vasnál nehezebb atommagok esetében a leírtak már nem érvényesek. Itt a vashoz képest egy nukleonra már több energia jut, ezért ezek az elemek csak akkor jöhetnek létre, amikor a szupernóvának nevezett, hatalmas erejű csillagrobbanások óriási energiával egymáshoz préselik őket. Ezért olyan ritkák ezek az elemek mondjuk az oxigénhez vagy a vashoz viszonyítva, de ez nem befolyásolja, mi történik a könnyebb atommagokkal.

A legtöbb energia lényegében a lánc első lépésében szabadul fel. Bár nagyon sok hélium keletkezett magában az Ősrobbanásban, még ennél is több jön létre mostanában a Naphoz hasonló csillagok belsejében, ahol a hidrogén atommagjai egy többlépcsős folyamat eredményeképpen héliummagokká egyesülnek. A hidrogén atommagját egyetlen proton alkotja, ezek közül néhánynak azonban menet közben át kell alakulnia neutronná, ám mindannyiszor, amikor két protonból és két neutronból létrejön egy héliummag, akkor az utóbbi tömege csak a 99,3%-a lesz a két proton és a két neutron együttes tömegének. A tömeg további 0,7%-a energiává alakul, ennek köszönhetően sugároz a Nap és a többi csillag. A 0,007 tényezőt a folyamat „nukleáris hatásfokának” nevezhetjük. Ez a legfontosabb lépés, ami a csillagok belsejében a tömeg energiává történő átalakulását illeti. Az összes többi folyamat, egészen a vas létrehozásáig csak további 10%-kal járul hozzá az energia termeléséhez. Ezért a lánc első lépésének a hatásfoka a legfontosabb tényező, amelyik meghatározza, miként él a csillag - amikor a csillag az összes hidrogénjét elhasználta, akkor a fúziós folyamatok már nem képesek hosszú ideig életben tartani a csillagot.

Még fontosabb, hogy a lánc első lépésének a hatásfoka, a 0,007-es tényező, összefügg az atommagokat egybetartó erős kölcsönhatás erősségével. Ha ez a 0,007-es érték ennél csak néhány százalékkal nagyobb vagy kisebb lenne, akkor az erős kölcsönhatás elrontaná azt a rezonanciát, amelyik lehetővé teszi a szén kialakulását, amikor a rövid élettartamú berillium-atommagba beleütközik egy héliummag. Ez a számérték arra is hatással van, milyen módon keletkezik a hélium. Amint említettem, ez egy soklépéses folyamat. Az első lépésben keletkező atommag csak egyetlen protont és egy neutront tartalmaz, amelyeket az erős kölcsönhatás tart össze. Ez az úgynevezett nehézhidrogén vagy deutérium atommagja. Ha a nukleáris hatásfok csak 0,006 lenne, akkor az erős kölcsönhatás túlságosan gyenge lenne ahhoz, hogy össze tudjon tartani egyetlen protont egy neutronnal, így sem deutérium, sem hélium nem lenne jelen a Világegyetemben, nem is beszélve a nehezebb elemekről.

Másrészt viszont, ha a nukleáris hatásfok értéke 0,008 lenne, akkor az erős kölcsönhatás olyan erős lenne, hogy két protont is egymáshoz tudna kapcsolni, egyetlen neutron nélkül, ami a hélium meglehetősen furcsa változata lenne. Ebben az esetben már az Ősrobbanás során minden hidrogén maradéktalanul a hélium ezen változatává alakulna. Ennek a következményei bonyolultak, egyebek között azt jelentené, hogy nem létezhetnének a Naphoz hasonló csillagok, hiszen nem lenne hidrogén, amelyik az imént leírt módon héliummá alakulhatna. Bármely létező csillag sokkal gyorsabban kiégne, mint a mi Világegyetemünkben található csillagok, így talán még időt sem hagynának arra, hogy értelmes élet fejlődjön ki az ilyen csillagok körül keringő bolygók valamelyikén. Akárhogy is, nem létezne víz, amelyik azonban jelenlegi ismereteink szerint az élet létrejöttének egyik alapvető feltétele.

Egy ilyen hipotetikus univerzumban az elemek tényleges keveréke a nukleáris hatásfok pontos értékétől függne, ám Rees összegzése szerint „nem létezhetne szén alapú bioszféra, ha ez a szám 0,007 helyett 0,006 vagy 0,008 lenne.” [Gajzágó Éva fordítása, a fejezet elején hivatkozott magyar kiadásban.] És ez csak egyetlen kozmikus szám, sok további van még, amelyeknek éppilyen pontosan kell behangolva lenniük ahhoz, hogy létezhessünk.

A gravitáció hihetetlen gyengesége

Az erős kölcsönhatás - nevéhez méltóan - az anyagi világban működő négy kölcsönhatás közül a legerősebb. Létezik egy másik kölcsönhatás is, amelyik szintén csak az atommagok és az elemi részecskék léptékében működik, az úgynevezett gyenge kölcsönhatás, továbbá a hétköznapi életben is jól ismert két jelenség, az elektromágnesség és a gravitáció. Bár a hétköznapi életben az utóbbi a legismertebb, mégis messze ez a leggyengébb a négy közül. Ennek ellenére rendkívül fontos a számunkra, hiszen saját súlyunk a Föld csaknem hatbilliószor billió kilogramm tömegű anyaga együttes gravitációs vonzásának köszönhető. Az ilyen nagy számokat egyszerűbb hatványkitevős alakban kifejezni, ilyen formában a Föld tömege 6 x 10^24 kg, ami azt jelenti, hogy a hatost 24 darab nulla követi. Ennek az egész tömegnek a gravitációs vonzására szükség van ahhoz, hogy a földön tartson bennünket az általunk érzékelt testsúlyunk.

A szemléletesség kedvéért érdemes a gravitáció erősségét az elektromágnességével összehasonlítani - vagy legalábbis az elektromágnesség egyik megnyilvánulásával, az elektromos erővel. Mindkét erő a fordított négyzetes törvényszerűségnek engedelmeskedik, ami azt jelenti, hogy két test közötti erőhatás a közöttük lévő távolság négyzetével arányosan csökken, ami megkönnyíti az összehasonlításukat. Bármekkora is például két proton között a távolság, a közöttük ható elektromos taszítóerő 36 nagyságrenddel (10^36-szorosan) múlja felül az ugyanezen két részecske között fellépő gravitációs vonzást.

Az atommagok és az atomok mérettartományában a gravitáció teljességgel elhanyagolható. A molekulákat az elektromos erő tartja össze, de az atomok közötti gravitáció itt sem okoz semmiféle bonyodalmat. Az elektromos erő sajátossága, nemcsak taszító, hanem vonzó jellegű is lehet, utóbbi tartja össze az atommagokat az elektronokkal, illetve az atomokat a molekulákon belül. Néhány (legalábbis a Földet alkotó atomok számához képest kevés) atom közötti elektromos erő tartja meg például a fán az almát a száránál fogva, ellensúlyozva ezzel a Föld összes atomjának együttes gravitációs vonzását. Ezen a szinten „versengés” van a dolgokat összetartó elektromos erő, és a testeket szétszakítani igyekvő gravitáció között. Amikor az almafán növekedő alma súlya elér egy bizonyos határt, és a földre hull, akkor a Föld gravitációja diadalmaskodik ebben a csatában, de csak annak köszönhetően, hogy a szó szoros értelmében minden erejét erre az egy szem almára képes összpontosítani.

Mindez csak azért történhet meg, mert a gravitáció és az elektromosság között van egy nagyon fontos különbség. Az elektromos töltés kétféle lehet, pozitív és negatív, amelyek kioltják egymást. Az atomnak összességében nincs elektromos töltése (elektromosan semleges), mint ahogyan a Földnek sincs. A gravitáció ezzel szemben mindig összeadódik, minél több atom alkot egy testet, annál erősebb gravitációs vonzást fejt ki. Amikor egy test tömege eléri a Holdét vagy egy bolygóét, akkor saját gravitációja elegendően erőssé válik ahhoz, hogy gömb alakban tartsa össze az anyagát. Bár az egyes atomok a gömbön belül megőrzik saját identitásukat, ha viszont a test tömege eléri mondjuk a Napét, akkor a saját gravitációja elég erős ahhoz, hogy a gömb középpontjában szétmorzsolja az atomokat, és elég közel préselje egymáshoz az atommagokat ahhoz, hogy beindulhasson az atommagok egyesülése, vagyis a magfúzió. A gravitáció ereje (vagyis gyengesége) határozza meg, mekkora lehet egy csillag, és milyen gyorsan használja el nukleáris üzemanyagát.

A tíz hatványaival számolva (vagyis a hatványkitevők skáláján) mi, emberek, éppen fele úton vagyunk az atomok és a csillagok nagysága között. A Nap tömege körülbelül 2 x 10^30 kg. Egy átlagos atom, például egy szénatom tömege 10-26 kg, ahol a hatványkitevőben a mínusz előjel azt jelenti, hogy ezt a számot úgy kellene leírni, hogy a tizedesvessző után 25 darab nulla következik, majd ezután írunk le egy 1-est. Egy felnőtt ember tömege kis kerekítéssel 100 kg, vagyis 10^2 kg. Ez azt jelenti, hogy egy ember tömege körülbelül 10^28-szor akkora, mint egy atomé, egy átlagos csillag pedig 10^28-szor nagyobb tömegű egy embernél. Eszerint ugyanannyi ember együttes tömege tenné ki a Nap tömegét, mint ahány atom alkotja a testünket.

Önmagában ez a tény még nem tekinthető koincidenciának. Az ember az egész Világegyetem legbonyolultabb teremtménye, mert testünk roppant nagyszámú (nagyjából 10^28) atomból épül fel, amelyek bonyolult módon kapcsolódnak össze egymással. Testünk körülbelül százezer milliárd sejtből épül fel, amelyek egymással összehangoltan működve alkotnak egyetlen élő rendszert. Legalább százszor annyi sejt található a testünkben, mint ahány fényes csillag a Tejútrendszerben. Az atomok egyszerű képződmények, a molekulák bonyolultabbak, a sejtek és az emberek még összetettebbek. A csillagban azonban megint egyszerűek a viszonyok. Ha össze tudnánk terelni 10^28 embert egy helyre (ez több mint a Föld jelenlegi népessége egymilliárdszorosának egymilliárdszorosa - a fordító megjegyzése), akkor sem állna elő azonban valamilyen szuperkomplex élő rendszer. Mindent széjjelmorzsolna ugyanis a gravitáció, a bonyolult szerkezetek szétesnének, és egy a Naphoz hasonló méretű csillag állna elő, amelynek középső tartományában nem fordulnának elő az atommagoknál bonyolultabb képződmények.

Mi, emberek, nemcsak bonyolult teremtmények vagyunk azonban, hanem közel vagyunk ahhoz a mérethatárhoz, amekkora lények még életképesek a Föld felszínén. A dolgokat összetartó elektromos és az azokat szétszakítani igyekvő gravitációs erő közötti versengés következtében a kisebb testek könnyebben túlélnek például egy zuhanást - még a kisebb gyermekek is sértetlenül vészelnek át akár többszöri elesést is. A nagyobb testűeknek azonban könnyen eltörhetnek a csontjaik, ha elesnek, nem is beszélve arról, ha leesnek egy fáról vagy egy sziklaszirtről. Ahhoz, hogy egy állat sokkal nagyobb testű legyen az embernél, és mégis életben maradhasson, testének robusztus felépítésűnek és nehézkesnek kell lennie, mint az elefánté, vagy pedig a tengerben kell élnie, mint a bálnák, ahol a víz felhajtóereje támogatja őket. A hozzávetőlegesen a test térfogata (és ennek megfelelően a tömege) a lineáris méretének (magasságának) köbével arányos, ám csontjainak szilárdsága azok keresztmetszetével, vagyis a lineáris méret négyzetével arányos. Minthogy a tömeg a térfogattal, a testre ható gravitációs erő (a test súlya) pedig a tömegével arányos, ezért a test méretének növekedésével egyre nagyobbak lesznek az esés vagy elesés esetén ható erők a csontok ezen hatásokkal szembeni ellenálló képességéhez viszonyítva. Ezt Galilei már a XVII. században felismerte. Ő így fogalmazott:

A Természet nem alkothat mérhetetlenül nagy fákat, mert ágaik letörnének a saját súlyuk alatt. Hasonlóképpen lehetetlen lenne megalkotni az ember, a ló vagy más állatok csontvázát, amely arányos mértékben ellátná feladatát, ha az ilyen állatok tömegét hatalmasra növelnénk.

Mindezt jól összegzi a régi közmondás: „minél magasabbra mászol, annál nagyobbat eshetsz”.

Ezek a tények más megvilágításba helyezik a gravitáció hihetetlen gyengeségét. Tételezzük fel, hogy a gravitáció egymilliószor erősebb lenne a jelenleginél, ami azt jelentené, hogy még mindig 10^30-szor gyengébb lenne az elektromos erőnél. Ez nem lenne elegendő ahhoz, hogy befolyásolni tudja az atomi és molekuláris szinten lejátszódó folyamatokat, ezért az atomok és a molekulák szintjén - például a kémiában - minden ugyanúgy működne, mint a mi Világegyetemünkben. Ugyanakkor a fordított négyzetes erőtörvény és a térfogati szabály kölcsönhatásának eredményeképpen a működőképes csillagok létrehozásához egymilliárdszor kevesebb anyagra lenne szükség, mint a mi Világegyetemünkben (az egymilliárd az egymillió négyzetgyökének a köbe), és a bolygók is ugyanilyen arányban lennének kisebbek. Bármely élőlénynek egy ilyen bolygó felszínén ugyancsak nagyon parányinak kellene lennie, ha el akarná kerülni, hogy darabokra törjön, ha elesik. Semmilyen, hozzánk hasonló méretű élőlény nem létezhetne, mint ahogy a hasonló komplexitást sem lehetne elérni.

Mégis a legfontosabb az, hogy egy ilyen erős gravitációjú univerzumnak a saját ősrobbanását követő tágulása során a gravitáció sokkal hatékonyabban tartaná össze a galaxisokat létrehozó anyagcsomókat. Emiatt ott a galaxisok sokkal kisebbek lennének, mint a mi Világegyetemünkben, és a parányi csillagok oly mértékben lennének összezsúfolva, hogy gyakran összeütköznének egymással. A mi Világegyetemünk Naphoz hasonló csillagainak mintegy 10 milliárd év körüli várható élettartamával szemben ezek a csillagok mindössze körülbelül tízezer év alatt teljes nukleáris üzemanyagukat felhasználnák. Minthogy a kémia egy ilyen univerzumban ugyanúgy működne, mint a mi Világegyetemünkben, ezért még az evolúció elkezdődéséhez sem lenne elég idő. Ahhoz, hogy létezhessünk, a gravitációnak tehát olyan gyengének kell lennie, mint amilyen. Ez viszont már igazi kozmikus koincidencia.

A kozmológiai állandó legmegfelelőbb értéke

Egy másik, igazi kozmológiai koincidencia a Világegyetem tágulási ütemére vonatkozik. Az általános relativitáselmélet egyenletei leírják a gravitáció, az anyag, a tér és az idő közötti kapcsolatot, vagyis a táguló Világegyetem pontos leírását is magukban foglalják. Az egyenletekben előfordul egy állandó számérték, az úgynevezett kozmológiai állandó, amelyet a görög nagy lambda betűvel (A) jelölünk. Egészen a közelmúltig úgy tűnt, hogy ennek az állandónak az értékét nullának kell venni. A lambda tényező nélkül az egyenletek olyan Világegyetemet írnak le, amelyik az Ősrobbanáskor rohamosan tágulni kezdett, azonban az idő múlásával tágulásának üteme fokozatosan lassult, ahogyan a gravitáció visszafogta a tágulást, éppúgy, ahogyan a magasba feldobott labda kezdetben gyorsan emelkedik, majd a gravitáció hatására mozgása lelassul. Ám az 1990-es évek végén a távoli galaxisok megfigyelése azt mutatta, hogy viszonylag nem túl régen (legalábbis a Világegyetem korához viszonyítva) a tágulás gyorsulni kezdett. Ennek a jelenségnek a legegyszerűbb és legtermészetesebb magyarázata annak feltételezése, hogy bár a kozmológiai állandó értéke kicsiny, de nem nulla.

A gravitáció, a tér, az idő és az anyag viselkedését leíró egyenletekben a kozmológiai állandó a tér rugalmasságának a mértéke, hasonlóan egy összenyomott rugó rugalmasságához - vagyis magának az üres térnek az energiáját fejezi ki, amely energia tágulásra készteti a teret. Ezt az energiát szokás A-térnek vagy -mezőnek nevezni. A kozmológusok úgy gondolják, hogy valami nagyon hasonló létezhetett a Világegyetem születésekor is, ami egy sokkal nagyobb erejű, de rövid ideig tartó lökéssel elindította a Világegyetem tágulását. A különbség az, hogy a kozmológiai állandó értéke nagyon kicsi, és úgy tűnik, hogy a tér minden egyes köbcentiméterében az Ősrobbanás óta állandó az értéke.

Amikor a Világegyetem fiatal volt, és nagy sűrűségű anyaga szorosan összezsúfolódott, akkor a gravitáció ereje felülmúlta az üres tér rugalmasságát, ezért a Világegyetem szinte pontosan a kozmológiai állandó nélküli Einstein-egyenletek által leírt módon tágult. A Világegyetem tágulásával azonban anyagának átlagsűrűsége csökkent, ami azt jelentette, hogy az idő múlásával a tér minden egyes köbcentiméterére jutó gravitációs vonzás egyre kisebb lett. Végül elérkezett az a pillanat, amikor a Világegyetem tágulását fékező gravitációs vonzás gyengébb lett a Világegyetem tágulását gyorsítani szándékozó, a kozmológiai állandóval összefüggő erőnél. Ez néhány milliárd évvel ezelőtt történt - hogy pontosan mikor, annak megállapításához további észlelések szükségesek.

Minden más energiához hasonlóan a Λ-térnek is tömeg felel meg. A Világegyetem tágulásának mikéntjére vonatkozó megfigyelésekből a kozmológusok kiszámították, hogy ez a tömeg a tér minden egyes köbcentiméterében 10-29 gramm tömegnek felel meg, ami azt jelenti, hogy négy-öt hidrogénatom tömege jut a tér minden köbméterére (emlékeztetőül: egy köbméter egymillió köbcentiméterrel egyenlő). A Világegyetemnek azért kellett átbillennie a lassulva tágulóból a gyorsulva táguló állapotba, mert jelenleg a Világegyetem átlagsűrűsége a fentinél valamivel kisebb (annak körülbelül a harmada), de hozzávetőlegesen azt mondhatjuk, hogy az anyag sűrűsége és a Λ-mező sűrűsége nagyságrendileg azonos. Ez különleges időszak a Világegyetem történetében, márpedig a kozmológiai állandó rejtélyének az a körülmény is része, hogy mi véletlenül éppen ebben a különleges, átmeneti időszakban élünk.

Ennél is nagyobb rejtély azonban, hogy miért ilyen kicsi a Λ-tér értéke. A részecskék és a terek viselkedését leíró egyenletek megengedik egy olyan Λ-tér létezését, amelyik a kvantummechanikai bizonytalanság szabályaival áll kapcsolatban. A probléma az, hogy a tér egyenletekből adódó legtermészetesebb értéke óriási nagy - 10^120-szor akkora, mint a Λ-mező tényleges értéke. Ez az a rövid élettartamú tér, amelyik szépen megmagyarázza, miként kezdődött a Világegyetem tágulása, éppen ezért a fizikusok megbíznak az egyenletekben. Boldogok lennének, ha a Λ-tér értéke nagy lenne, de akkor is, ha pontosan nulla lenne (mindig kellemes dolog, ha az egyenletekben valamelyik állandó nullának adódik), azt azonban nagyon nehéz az alapelvekből kiindulva megmagyarázni, miért kellene a kozmológiai állandó értékének nagyon kicsinek, de nem nullának lennie. Ezt a helyzetet az egyenletek megengedik ugyan, de bekövetkezte nem túl valószínű.

A válasz ezúttal is kapcsolatban áll a létezésünkkel. Ha a kozmológiai állandó értéke csak kissé nagyobb lenne a tényleges értékénél, akkor a Világegyetem történetét kezdettől fogva a Λ-tér által létrehozott kozmikus taszítóerő uralná, vagyis erősebb lenne a gravitáció hatásánál, ami megakadályozná, hogy az anyag csillagokká, galaxisokká, bolygókká és emberekké tömörüljön össze. Csak azért létezhetünk, mert a kozmológiai állandó értéke kicsi. Ez a felismerés vezetett a Λ-mező megfigyelt értékének magyarázatául szolgáló antropikus érvelés kidolgozásához. A gondolatmenetet eredetileg Steven Weinberg vázolta fel, majd később mások, mindenekelőtt Alex Vilenkin az 1990-es évek közepétől kezdődően finomították.

Az érvelés szerint, ha azt akarjuk, hogy valamely univerzumban jó eséllyel létrejöhessenek értelmes megfigyelők, akik képesek elgondolkozni az efféle kérdéseken, akkor a kozmológiai állandónak elegendően kicsinek kell lennie ahhoz, hogy csak akkor váljék uralkodóvá az univerzum tágulása során, amikorra a galaxisok kialakulásának folyamata már nagyjából befejeződött. Az állandó ezen határ alatt tetszőleges értéket felvehet, de ha van valamilyen megfontolás a háttérben, amelynek alapján egy értéket a lehetőségek sokaságából „kiválaszthatunk”, akkor statisztikai érvelés alapján azt mondhatjuk, hogy a legvalószínűbb érték nem lesz sokkal kisebb ennél az antropikus határnál. Ugyanezen statisztikai megfontolás alapján jelenthetjük ki, hogy ha egy nagy embertömegből véletlenszerűen kiválasztunk egy személyt, az nagy valószínűséggel nem lesz törpe. Ne lepődjünk meg tehát azon, ha azt fedezzük fel, hogy olyan Világegyetemben élünk, amelyikben a kozmológiai állandó csak valamivel, és nem sokkal kisebb annál a maximális értéknél, amelyik még megengedi intelligens megfigyelők létezését. Ez egy példa arra, amit Vilenkin előszeretettel nevez a „földi középszerűség elvének”. Meglehetősen biztosak lehetünk abban, hogy a Λ-tér maximális értéke, amelyik még megengedi a galaxisok létezését, nagyjából tízszerese a Világegyetem ma megfigyelhető sűrűségének, az állandó tényleges értéke viszont a jelenleg megfigyelhető anyagsűrűség mintegy háromszorosának felel meg. Mi pedig azért éppen valamivel a lassulva tágulóból a gyorsulva táguló Világegyetembe való átmenet időszaka után élünk, mert ez az a korszak, amikor a galaxisok a Világegyetem uralkodó objektumai.

Ha választani lehet az univerzumok közül - vagyis, ha a multiverzum valóságos akkor a kozmológiai állandó megfigyelt értéke pontosan akkora lesz, mint amekkorának a multiverzum azon univerzumai esetében lennie kell, amelyek megfelelőek ahhoz, hogy a hozzánk hasonló élőlényeknek otthont adjanak. Egyre szaporodnak tehát a multiverzum létezése mellett szóló érvek. Ez azonban még mindig nem minden!

Fodrozódások a kozmikus óceán sima felszínén

A következő két kozmikus számot párként érdemes tárgyalni, mert a kettő együtt arról árulkodik, hogy a Világegyetem meglepően sima szerkezetű, de ahhoz éppen elegendő mennyiségű irregularitást tartalmaz, hogy létezhessen. Ez a simaság nem nyilvánvaló, ha az éjszakai égboltra tekintünk, vagy megnézzük az éjszakai égboltról érzékeny csillagászati műszerekkel készített felvételeket. Ezeken a képeken fényfoltokat látunk - csillagokat és galaxisokat - a sötétség tengerében. Ez a látvány azonban félrevezető lehet.

A csillagászok nem látják az égen elmozdulni a galaxisokat, ehhez nemcsak egy emberi élet kevés, de még ezer emberöltő sem lenne elég. Bár a galaxisok emberi fogalmaink szerint óriási sebességgel mozognak, egyszerűen túlságosan messze vannak ahhoz, hogy elmozdulásuk közvetlenül kimutatható legyen. Az egyes galaxisok mozgását és forgását azonban a Doppler-hatás alapján ki lehet mutatni. A Dopplerjelenség következtében az objektumok színképében a mozgásukat leleplező, árulkodó jelek ismerhetők fel. Az egyes galaxisok forgásából, a galaxisoknak a galaxishalmazoknak nevezett csoportjaikon belüli mozgásából, valamint a gravitáció vonzó hatására a táguló Világegyetemben létrejövő galaxisok kialakulására vonatkozó számítógépes szimulációkból nagyon pontosan tudjuk, mennyi anyagot tartalmaz a Világegyetem, és milyen ennek az anyagnak a térbeli eloszlása.

Ahelyett, hogy összeadogatnák a Világegyetemben található összes objektum tényleges tömegét, a kozmológusok inkább a Világegyetem átlagsűrűségének fogalmával dolgoznak, amelyet a görög nagy ómegával (Ω) jelölnek. Ω pontos értéke közvetlen kapcsolatban áll a Világegyetem tágulásának sebességével és végső sorsával. Félretéve egy pillanatra a kozmológiai állandót, állandó versengés folyik a Világegyetemet egyre nagyobbá tenni akaró tágulás, illetve a gravitáció között, amely utóbbi meg akarja állítani a tágulást, és elő akarja idézni a Világegyetem összeomlását. Ha a sűrűség elegendően nagy, akkor a gravitáció diadalmaskodik, ha viszont a sűrűség kicsi, akkor a tágulás győz, és a Világegyetem mindörökké tágulni fog. Van azonban a sűrűségnek egy speciális értéke, az úgynevezett kritikus sűrűség, ahol a két hatás pontosan kiegyenlíti egymást. Ebben a helyzetben a Világegyetem örökké tágul, azonban egyre lassabban, míg végül előáll egy, az összeomlás határán lebegő állapot.

A gravitáció működéséből következően, ha a Világegyetem sűrűsége valaha is felvette a kritikus értéket, akkor az mindvégig ebben a borotvaélen táncoló állapotban marad, mert bár a sűrűség egyre csökken, ahogy a Világegyetem tágul, ám ennek értelmében a gravitáció is gyengül. A gravitáció gyengülésével párhuzamosan a tágulás is lassul, méghozzá éppen a megfelelő mértékben ahhoz, hogy az egyensúly fennmaradjon. Kényelmi szempontból a kozmológusok a kritikus sűrűséget Ω= 1 értékűnek választják. Ennek megfelelően a Világegyetem tényleges sűrűségét a kritikushoz viszonyítva fejezik ki. A kritikus sűrűség körülbelül öt hidrogénatom jelenlétének felel meg a tér minden köbméterében - márpedig ez a szám emlékeztethet minket valamire.

A megfigyelések és a számítógépes szimulációk azt mutatják, hogy napjainkban a Világegyetem átlagos anyagsűrűsége valamivel több a kritikus sűrűség negyedénél. Pontosabban Ω (anyag) = 0,27, ami nagyjából egyetlen hidrogénatomnak felel meg a tér minden egyes köbméterében. Ezt az egyetlen bizonyítékot figyelembe véve első pillanatban úgy tűnhet, mintha a Világegyetem örök tágulásra lenne ítélve. Van azonban valami nagyon különös ezzel a számmal kapcsolatban, amit a kozmológusok már évtizedek óta tudnak.

A gravitáció és a tágulás közötti egyensúly csak abban az esetben működik, ha Ω értéke pontosan 1. Ha a Világegyetem a kritikusnál csak hajszálnyival nagyobb sűrűséggel került volna ki az Ősrobbanásból, akkor a gravitáció nagyon hamar együvé vonzotta volna a dolgokat, visszatartva ezáltal a Világegyetem tágulását, ami egyre nagyobbá növelte volna Ω értékét. Ennek következtében a Világegyetem az ún. „Nagy Reccs” állapotba omlott volna össze. Ha viszont a Világegyetem az akkor érvényes kritikus sűrűségnél akár csak egy hajszálnyival kisebb sűrűséggel került volna ki az Ősrobbanásból, akkor a tágulás következtében az anyag egyre jobban ritkult volna, ezért Ω értéke egyre csökkent volna. Mindkét folyamat megszaladó jellegű (az idő múlásával egyre gyorsabb tempójúvá váló), ezért az Ω = 1 értéktől való eltérés nagysága az idő múlásával gyorsan növekszik.

Jelenleg 13,7 milliárd év távolságra vagyunk az Ősrobbanástól, és eddig az ideig mindvégig úgy folyt a tágulás, mintha alig lenne rá hatással a kozmológiai állandó. Ahhoz, hogy a Világegyetem ilyen sokáig létezhessen, és eközben az anyaga ne híguljon fel annyira, hogy ne alakulhassanak ki a csillagok és a galaxisok, Ω értékének a kezdetet követő első másodpercben valóban nagyon közel kellett lennie az 1-hez. Valójában az 1-től való eltérésnek 10-15 résznél (egy a milliószor milliárdhoz arány) kisebbnek kellett lennie. A kezdet kezdetén tehát a kozmikus sűrűség különbözött 1-től, és olyan számmal írható le, amelyikben a tizedesvessző után 14 nulla következik, és csak ezután írunk egy 1-est. Ez a létezésünk esélye, ha a kezdeti sűrűséget véletlenszerűen „választjuk meg”. Minthogy a kritikus sűrűség az egyetlen kitüntetett sűrűség, könnyű lenne elképzelni, hogy valamilyen természeti törvény pontosan megköveteli az Ω=1 értéket, azt azonban nagyon nehéz elképzelni, hogy létezne olyan természeti törvény, amelyik pontosan az Ω=0,27 értéket írja elő. Az 1990-es évekre már sok kozmológus meg volt győződve arról, hogy az egyetlen lehetséges magyarázat az, hogy értéke pontosan 1, és mindig is ennyi volt. Ebben az esetben viszont felmerül a kérdés, hogy hol lehet az a „hiányzó” tömeg, amelyik a Világegyetem fennmaradó háromnegyed részét alkotja?

Van még egy további bonyodalom is. A magreakciókra vonatkozó ismeretek segítségével a fizikusoknak sikerült kiszámítaniuk, hogy az Ősrobbanás eredményeképpen előálló anyagkeveréknek 75% hidrogént és 25% héliumot kellett tartalmaznia. Ugyanilyen sikeresen magyarázatot adtak arra is, miként épülnek fel a nehezebb elemek a csillagok belsejében, és azt is megmondják, mennyi atomos (barionos) anyag keletkezhetett az Ősrobbanás tűzgömbjében. Sűrűségre átszámítva, a Világegyetemben található atomos anyag teljes mennyisége - mindaz, amiből a csillagok, a bolygók és az emberek állnak -, nem tehet ki többet a kritikus sűrűséghez szükséges mennyiség 4%-ánál. Az anyag többi része, amelynek jelenlétére csak a galaxisok mozgásából tudunk következtetni, a kritikus sűrűség további 23%-át teszi ki - ennek a sötét anyagnak olyan fajtájúnak kell lennie, amelyet eddig még nem sikerült a Földön azonosítani. Ennek a sötét anyagnak a keresése napjaink részecskefizikájának egyik legsürgetőbb feladata, mindamellett jelenleg csupán annyit mondhatunk, és könyvünk szempontjából amúgy is csak ez számít, hogy létezik, hogy eloszlása egyenletes a térben, valamint azt, hogy a sötét anyag gravitációja vonzza az atomos anyagot (főként hidrogént és héliumot) azokba a gravitációs gödrökbe, ahol a galaxisok kialakulnak, mint a tócsák a rosszul karbantartott utakon.

Bizonyos vagyok benne, hogy Önök már látják, hová akarok kilyukadni. A megfigyelők, akik az 1990-es évek végén észrevették, hogy a Világegyetem tágulása gyorsul, megdöbbentek. Azért lepődtek meg, mert nem kozmológusok voltak, ezért nem tudtak arról, hogy a kozmológusok már egy ideje próbálnak rájönni, miként lehet a Világegyetem átlagsűrűségét éppen a kritikus értéken tartani. Sok kozmológus azonban megelégedettséget érzett a hír hallatán. Az Ω=1 értékkel leírható univerzumról az is elmondható, hogy „térbeli szerkezete sík”. 1996-ban, mindössze két évvel a Világegyetem gyorsuló tágulásának felfedezése előtt Companion to the Cosmos (Útikalauz a kozmoszhoz) című könyvemben, miután a fentiekhez többé-kevésbé hasonlóan összefoglaltam a helyzetet, a következőket írtam: „ha a kozmológusok meg akarják őrizni a térben sík Világegyetem elképzelését ... akkor talán újra be kell vezetniük a kozmológiai állandó fogalmát.” A kép akkor áll tökéletesen össze, ha létezik egy Λ-mező, amelyiknek az energiasűrűsége egyenértékű a kritikus sűrűség 73%-ával. Ez az a Λ-mező, amelyikre mostanában „sötét energiaként” szoktak hivatkozni. Ez azonban még mindig megválaszolatlanul hagyja azt a kérdést, hogy miért van Ω értéke megkülönböztethetetlenül közel az 1-hez. Ez a kérdés legjobban úgy ragadható meg, ha szemügyre vesszük, mit értenek a kozmológusok azon, hogy a Világegyetem térbeli szerkezete sík.

A Világegyetem sík szerkezete három dimenzióban ugyanazt jelenti, mint az, hogy az íróasztalomra fektetett papírlap két dimenzióban sík. A Föld felszíne egy többé-kevésbé kétdimenziós felület, abban az értelemben, ahogyan egy papírlap is az, bár eközben önmagában meggörbül, hogy gömbfelületet alkothasson. Az ilyet zárt felületnek nevezzük, mert sehol nincs pereme, és ha bármelyik pontjából elindulunk egy bizonyos irányban, és mindvégig arra megyünk, akkor visszaérkezünk a kiindulási helyünkre. Az általános relativitáselmélet szerint a háromdimenziós tér is hasonló módon meggörbülhet, amely állítást sikerült igazolni is, megfigyelték ugyanis, amint a fénysugár haladási iránya elgörbülni látszik, a nagy tömegű égitestek, mint például a Nap mellett. A fény útjának elgörbülése tulajdonképpen annak a következménye, hogy a fénysugár a görbült térben a legrövidebb útvonalat követi. Három dimenzióban a gömb görbült felületének megfelelője egy zárt univerzum, amely ugyancsak önmagában meggörbül, nincsenek oldalai, és ha egy irányban útnak indulunk, és mindvégig ugyanarra megyünk, akkor egyszer majd vissza fogunk érkezni oda, ahonnan elindultunk. Egy ilyen univerzum hatalmas fekete lyukra emlékeztet. A másik lehetőség két dimenzióban a görbült felületre a nyereg felületére, vagy a hegységekben kialakuló hágóra emlékeztető alakú felület, amelyik minden irányban végtelen kiterjedésű. Ez a felület nyílt, azért nincs pereme, mert végtelen, és hiába tartunk mindig ugyanabba az irányba, soha nem jutunk el kétszer ugyanabba a pontba. Ennek a háromdimenziós megfelelője a nyílt univerzum. Ha nem lenne kozmológiai állandó, akkor a zárt univerzum tágulásának egyszer abba kellene maradnia, és a rendszernek önmagába kellene zuhannia. Egy nyílt univerzumnak az örökkévalóságig tágulnia kell, de ha létezik kozmológiai állandó, akkor a zárt univerzum is örökké tágulhat.

A háromdimenziós tér alakja a benne lévő anyag (vagy anyag és energia együtt) sűrűségétől függ, ezért a zárt, sík és nyílt univerzumok leírása ilyen módon megfelel a táguló Világegyetem sorsával kapcsolatban az imént ismertetett három lehetőségnek. A sík univerzum pontosan olyannak felel meg, amelyikben a kritikus sűrűség Ω=1.

A tágulás kisimítja az univerzum irregularitásait, és síkabbá teszi azt. Közismert hasonlat az aszalt szilva ráncos felülete. Amikor az aszalt szilvát vízbe tesszük, megszívja magát, és a gyümölcs felülete kisimul (ugyanezen az elven működnek bizonyos szépségkúrák, amelyeket az emberi arc ráncainak kisimítása érdekében alkalmaznak). Ha elképzeljük, amint egy szem aszalt szilvát Föld méretűre fújunk fel, akkor a felülete valóban nagyon sima lesz, és a felületén járva senki számára sem lesz nyilvánvaló, hogy milyen ráncos volt valaha - éppúgy, ahogyan elődeink számára sem volt nyilvánvaló, hogy a Föld gömb alakú és nem lapos.

A Világegyetem sík szerkezetére a legjobb magyarázat az, hogy valami hasonló történt, amikor a Világegyetem született, létezésének első töredék másodpercében. Abban az időben a jelenlegi Λ-tér erős, de rövid ideig tartó megfelelője drámai mértékű tágulást okozott, amelynek során az egész látható Világegyetem mérete a másodperc törtrésze alatt a nagyon sokszorosára növekedett. Nyilvánvaló okok miatt ezt a folyamatot felfúvódásnak nevezzük, és az 5. fejezetben fogom részletesen bemutatni. A Világegyetem a felfúvódás végén még mindig csak 1 másodperc korú volt, a forró, táguló tűzgömb belsejében a tér közel sík szerkezetű volt (ami megmagyarázza az Ω=1 értéket), és csak kicsiny irregularítások maradtak vissza, amelyek később a galaxisok növekedésének a csírái lettek. Bár a felfúvódást később fogom részletesen tárgyalni, egy dolgot érdemes már most megjegyezni. Noha a folyamat magyarázatot ad a Világegyetem sík szerkezetére és simaságára, az egész folyamat hamarabb is leállhatott volna az univerzum olyan állapotában, amikor az irregularitások még nagyobbak voltak, Ω értéke pedig még jelentősen különbözött 1-től. Ezúttal tehát bizonyos értelemben ismét az univerzumok közötti választásról van szó.

Ma a Világegyetem csomósságát azzal mérjük, ahogyan a galaxisok halmazokba tömörülnek. A galaxishalmazok olyan csoportok, amelyekhez a Tejútrendszerhez hasonló galaxisok ezrei is tartozhatnak, mindegyik galaxisban akár csillagok százmilliárdjaival. A halmazhoz tartozó galaxisokat a gravitáció tartja össze, a rendszer tagjai a halmaz közös tömegközéppontja körül keringenek, mozgásuk sebessége a Dopplerjelenség alapján határozható meg. Ennek az információnak a birtokában egyszerűen kiszámítható, mennyivel gyorsabban kellene az egyes galaxisoknak keringeniük, hogy kiszakadjanak a halmazból, és a halmaz felbomoljon. Ehhez bizonyos mennyiségű energiát kell bevinni a halmazba mint teljes rendszerbe. A halmaz feloszlatásához szükséges energia mennyisége annak a mértéke, hogy milyen szorosan köti egymáshoz a gravitáció a halmaz galaxisait, ami viszont azt fejezi ki, hogy milyen mértékben tér el a Világegyetem a homogenitástól.

Ezt az energiát azután összehasonlíthatjuk a halmaz teljes energiájával - ez a halmaz „nyugalmitömeg-energiája”, amelyet Einstein E=mc^2 formulája határoz meg. Szerte a Világegyetemben, bármerre is nézünk, minden megvizsgált nagy galaxishalmazban a két energia aránya egy a százezerhez. A Világegyetem átlagos sűrűségétől a legnagyobb eltérések ma csupán átlagosan 10-5 (0,00001) nagyságrendűek. Egy Föld nagyságú gömbön ez a simaság azt jelentené, hogy nem fordulnak elő 60 méternél magasabb dombok. Ez a 10-5 szám annak a mértéke, hogy milyen kicsik a fodrozódások a kozmikus óceán sima felszínén.

A galaxisok az egyedüli látható objektumok, amelyek segítségével nyomon követhetjük a Világegyetem anyagának nagy részét kitevő sötét anyag elhelyezkedését. A galaxisok rajzolják ki azoknak a helyeknek a körvonalait, ahol a legnagyobb koncentrációban fordul elő a sötét anyag, hasonlóan ahhoz, ahogyan a karácsonyfára aggatott lámpácskák a sötétben is kirajzolják, hol van a fa. Ez azt jelenti, hogy azok a „gödrök”, amelyekben a galaxishalmazok létrejönnek, tulajdonképpen azok a helyek, ahol a sötét anyag sűrűsége eltér az átlagostól, ám ez a többletsűrűség mindössze egy százezred résznyi (az átlagos sűrűség 1,00001-szerese). A megfigyelő kozmológia egyik nagy diadala volt a XXI. század első évtizedében ezeknek a pontosan ilyen nagyságú irregularitásoknak a kimutatása a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásban. Ez azt jelenti, hogy ezek az irregularitások, amelyek a galaxisok növekedésének a csírái voltak, valóban nagyon régen, még a Világegyetem fiatal korában megjelentek.

Tételezzük azonban fel, hogy az irregularitások különböző méretűek voltak. Ha a kritikus érték (az eltérésük az átlagtól) 10-5-nél kisebb volt, akkor aligha indulhattak növekedésnek. Ha csupán 10-6 lenne az eltérés, vagyis a tényleges érték egytizede, akkor egyáltalán nem kezdődhetne meg a csillagok és a galaxisok növekedése. Másrészt viszont, ha az irregularitások sokkal nagyobbak lennének, akkor könnyebben létrejöhetne a szerkezet - de túlságosan könnyen, mert az anyag nagyon nagy tömegű koncentrációi gyorsan kialakulnának, és szupernagy tömegű fekete lyukak formájában összeomlanának, esélyt sem hagyva a galaxisok kialakulásának és az élet kifejlődésének. Ha az eltérés 10-4 lenne, vagyis tízszer akkora, mint a mi Világegyetemünkben, akkor érdekes dolgok történhetnének: hatalmas, magányos galaxisok alakulhatnának ki, amelyek mindegyike annyi anyagot tartalmazna, mint egy egész galaxishalmaz a mi Világegyetemünkben. De ha az arány elérné a 10-3-t, vagyis csupán százszor akkora lenne, mint a mi Világegyetemünkben, akkor abban az univerzumban fekete lyukakon és sugárzáson kívül semmi más sem fordulna elő.

Újabb véletlen kozmikus egybeeséssel találtuk tehát szembe magunkat. A fizika törvényei alapján nem nyilvánvaló, miért olyannak alakult ki a Világegyetem az Ősrobbanás után (a felfúvódás után), hogy ez a kozmikus szám meghatározott értéket vegyen fel, mindenesetre értéke éppen abba a tartományba esik, amely megengedi a galaxisok, a csillagok és az emberek létezését. Ha kisebbek lennének a fodrozódások, akkor semmi érdekes nem történne, nagyobb fodrozódások esetén viszont túlságosan hevesek lennének az univerzum folyamatai.

A kozmikus koincidenciák sora immár elegendően hosszú, így akár be is fejezhetném a bemutatásukat. Azonban, mielőtt rátérek ezek következményeire a multiverzumra nézve, megemlítem a Világegyetem egy további sajátosságát, egy nagyon alapvető furcsaságot. Miért kell ezeknek a fodrozódásoknak és minden másnak, amit eddig tárgyaltam, éppen a háromdimenziós térben bekövetkezniük?

Három dimenzió jó, több dimenzió rossz

A legtöbb ember soha nem vonja kétségbe, hogy a Világegyetem három térbeli és egy időbeli dimenzióban létezik. A dolgok éppen ilyenek. A tudomány legfontosabb felfedezései közül jó néhány azonban éppen azért született, mert valaki feltette a kérdést, hogy miért éppen úgy működnek egyes dolgok, mint ahogyan azt eleve adottnak fogadjuk el? Közismert példaként említhetjük, hogy miért esik le az alma a fáról, és miért kering a Hold a Föld körül? Ezeknek a kérdéseknek köszönhetően nyerhetett Isaac Newton bepillantást a gravitáció természetébe. A példa azért is helyénvaló, mert az, hogy a tér éppen háromdimenziós, szoros összefüggésben van az egyik legfontosabb dologgal, ami lehetővé teszi, hogy a Föld és a hozzá hasonló bolygók stabil pályákon keringjenek a Nap körül - nevezetesen a gravitáció fordított négyzetes erőtörvényével, amelyet Newton az 1680-as években fogalmazott meg. A törvény értelmében a két test között fellépő gravitációs vonzás fordítottan arányos a két test közötti távolság négyzetével (vagyis arányos azzal a számmal, amelyet akkor kapunk, ha az 1-et elosztjuk a testek távolságának a négyzetével). Einstein általános relativitáselmélete ezt az összefüggést a tér görbületével magyarázza, ez azonban mit sem változtat a törvény megfigyelt működésén. Az általános relativitáselmélet nem veti el a gravitáció Newton-féle leírását, hanem tartalmazza, magában foglalja azt - az alma Einstein színre lépését követően is ugyanúgy esik le a fáról, és a Hold is ugyanúgy kering a Föld körül, mint annak előtte.

Furcsa módon a fordított négyzetes erőtörvény az egyetlen olyan törvényszerűség, amelyik lehetővé teszi a stabil pályák létezését. A mi Világegyetemünk úgy működik, hogy ha a Föld Nap körüli pályája valamilyen okból kismértékben megváltozik, és ezáltal a Nap körüli keringése kissé felgyorsul vagy lelassul, akkor a fordított négyzetes erőtörvény működése következtében a pálya lassanként visszatolódik az eredeti helyzetébe, ami jó példa a negatív visszacsatolás működésére. Ez azért van így, mert bizonyos összjáték áll fenn a Föld pályamenti sebessége és a Nap által a Földre kifejtett gravitációs vonzóerő nagysága között - hétköznapi nyelven szólva, a centrifugális erő egyensúlyt tart a gravitációval. Ezzel szemben egy olyan univerzumban, ahol a gravitációs erő mondjuk a távolság köbével arányosan csökkenne, a bolygópályák instabilak lennének. Ha ilyen világban egy bolygó kicsit közelebb kerülne saját csillagához, akkor erősebb gravitációs vonzást érzékelne, ami spirális pályán a pusztulásba rántaná (a gravitáció diadalmaskodna), ha viszont a bolygó kissé felgyorsulna, és emiatt távolabb kerülne a csillagától, akkor gyengébb lenne a rá ható gravitáció, így a bolygó kisodródna a tér távoli részeibe (a centrifugális erő győzne). A pozitív visszacsatolás következtében még a parányi változások is, mondjuk egy meteor becsapódása, katasztrofális következményekkel járnának. Hasonló lenne a helyzet akkor is, ha a gravitáció valamilyen más törvényszerűségnek engedelmeskedne. Az erők bolygópályák stabilitását lehetővé tevő összjátéka csakis a fordított négyzetes erőtörvény esetén működik.

Egyebek mellett az általános relativitáselmélet is magyarázatot ad arra, miért fordított négyzetes a gravitáció erőtörvénye, Einstein elmélete szerint ugyanis a gravitációs törvény dimenziója mindig eggyel kisebb, mint a tér dimenzióinak száma. Kétdimenziós térben a két test között ható gravitációs erő a testek közötti távolság reciprokával lenne arányos; négydimenziós tér (négy térbeli dimenzió) esetén viszont a gravitációs erő a testek közötti távolság köbével lenne fordítottan arányos, és így tovább. Eszerint a bolygópályák csakis három térbeli dimenzió esetén stabilak.

Valamikor a XX. század első negyedében, amikor a kutatók a fentiekre rájöttek, azt is felismerték, hogy az elektromágnesség alapegyenletei, amelyeket a skót James Clerk Maxwell írt fel elsőként a XIX. században, csak olyan univerzumban működnek, amelyben három térbeli és egy időbeli dimenzió létezik. A mi Világegyetemünkben a gravitáció tartja pályáikon a bolygókat, és az elektromágnesség tartja össze az embereket is felépítő atomokat. Gerald Whitrow brit kozmológus 1955-ben, vagyis éppen azelőtt, hogy Hugh Everett előállt volna a sokvilág-ötletével, felvetette, hogy talán azért észleljük háromdimenziósnak azt a Világegyetemet, amelyikben élünk, mert megfigyelők csak olyan univerzumokban létezhetnek, amelyekben három térbeli (plusz egy időbeli) dimenzió van. Ha az élet csak háromdimenziós térben létezhet, és mi élünk, akkor egyáltalán nem meglepő, hogy éppen egy három (térbeli) dimenziós Világegyetemben találjuk magunkat. (Nem tűnik valószínűnek, hogy az élet egyáltalán létezhet egy kétdimenziós univerzumban, mert a komplex szerkezetek ott nem jöhetnek létre. Nem alakulhat ki például a huzalok (mint az idegek) hálózata, anélkül, hogy a huzalok ne keresztezzék és érintsék egymást, továbbá a testen nem haladhat át semmiféle csatorna, például tápcsatorna, mert ebben az esetben a test szétesik. Amint Gerald Whitrow rámutatott, „három vagy több dimenzióban tetszőleges számú sejt páronként összeköthető egymással, anélkül, hogy az összeköttetések metsszék egymást, míg két dimenzióban ugyanez a feladat maximum négy sejt esetében hajtható végre.”)

Nem állítottuk azonban, hogy nem létezhetnek más dimenziószámú univerzumok - csupán azt mondtuk, hogy ezek terméketlenek, élet nélküliek lennének. Ez az elgondolás vezetett az 1950-es évektől kezdve az univerzumok „együttesének” koncepciójához, amely szerint minden lehetséges univerzum létezik valahol, de az élet csak azokban alakult ki, ahol ehhez kedvezőek a feltételek. Az univerzumok együttesének ez a gondolata a sokvilág-elképzelés kvantumfizikai változatától teljesen függetlenül merült fel, és még azt megelőzően, hogy a multiverzum fogalmát a mai értelemben kezdték volna használni. Alapvető formájában az elgondolás semmit sem mond arra vonatkozóan, hogy hol találhatók a további univerzumok, mindamellett magyarázatot kínál a véletlen kozmikus egybeesések előfordulására.

Az élet: főnyeremény

A legjobb analógia a lottósorsolás, ahol 90 közül 5 számot kell kiválasztani, hogy megnyerhessük a főnyereményt. Tételezzük fel, hogy egymillió ember mindegyike kiválasztja a saját öt számát, majd kisorsolják a nyerő számcsoportot. Ezt követően a nyertes szelvény kitüntetett helyzetben lévőnek tűnik. (Végig azt feltételezve, hogy akad ilyen szelvény, és csakis egy öttalálatos van - a lektor megjegyzése.) Ha viszont kicsit alaposabban megvizsgáljuk, akkor kiderül, hogy semmi különleges nincs ebben a számcsoportban. A lottójáték természetéből adódóan a húzás előtt minden szelvénynek azonos esélye van a nyerésre. Valakinek azonban szerencsésnek kell lennie.

Talán hasonló a helyzet a kozmikus paramétereknek azzal a csoportjával is, amelyek lehetővé teszik, hogy a mi Világegyetemünkben hozzánk hasonló élőlények létezzenek. Ha létezik az univerzumok egész rendszere, amelyekben ezek a kozmikus számok mind különbözőek, akkor az értelem csak azokban az univerzumokban jelenik meg, amelyekben a kozmikus egybeesések éppen a nyerő kombinációt alkotják. Ezek az univerzumok azonban csak utólag visszatekintve különböznek a többitől - éppen azért, mert mi, vagy a nekünk megfelelő intelligens megfigyelők jelen vannak, hogy megfigyeljék ezeket az univerzumokat. Alapvetőbb megközelítésben azonban semmi különleges nincs ezekben a meghatározott univerzumokban, ezek csak a kozmikus koincidenciák számtalan, egyenlő valószínűséggel megvalósuló kombinációi közé tartoznak. Talán a mi Világegyetemünk véletlenül éppen a nyertes szelvényt tartja a kezében az élet lottójátékában. Ha ez így van, akkor a véletlen egybeesések semmiféle további "jelentést” sem hordoznak.

Rees szívesen hivatkozik egy másik analógiára is, egy nagy, készruhákkal teli üzlet példáját említi. Ha az üzletben a vállfákon elegendően sok, különböző méretű ruha lóg, akkor nem meglepő, ha az utcáról besétáló vevő megtalálja a számára éppen megfelelő darabot. Ez nem jelenti azt, hogy a ruhát pontosan rá szabták, éppígy, a kozmikus koincidenciák létezése sem jelenti azt, hogy a Világegyetemet pontosan ránk szabták. Ha a vállfákon végtelenül sok különböző méretű ruha lógna, akkor egészen bizonyosak lehetnénk abban, hogy mindenki megtalálja a tökéletesen rá illő darabot. Ha végtelen számú univerzum létezik, akkor szükségszerűen van közöttük legalább egy, amelyik éppen alkalmas az élet számára. Carl Pantin angol zoológus 1968-ban valamivel szabatosabban ezt így fogalmazta meg:

Az anyagi univerzum tulajdonságai egyedien alkalmasak az élőlények evolúciója számára. Ha tudnánk azt, hogy a mi univerzumunk csupán egy a végtelen sok közül, amelyek mindegyikét különböző tulajdonságok jellemeznek, akkor talán kidolgozhatnánk egy a természetes kiválasztódás elvével analóg megoldást, amely szerint a körülmények csak bizonyos univerzumokban alkalmasak az élet számára, a mi univerzumunk pedig véletlenül éppen ezek közé tartozik. Ha viszont ezek a feltételek nem teljesülnek, akkor nincsenek jelen megfigyelők, akik erről a körülményről tudomást szereznének.

Egy kozmológus egészen a logikus konklúzióig kidolgozta a természetes kiválasztódás analógiáját, amint azt a 7. fejezetben részletesen is bemutatom. Ez annak a számtalan próbálkozásnak az egyike, amelyek során meg akarták magyarázni hol (és mikor) van a többi univerzum. A kozmikus koincidenciák szilárd bizonyosságot jelentenek számunkra arra vonatkozóan, hogy a többi univerzum is létezik, még ha fogalmunk sincs arról, hogy hol lehetnek. A kvantumfizika sokvilág-értelmezése megalapozott tudományos mechanizmust kínál más univerzumok létrejöttére, még akkor is, ha azokra a legkevésbé sincs „szükség”. Ha a két érvelést egymás mellé tesszük, akkor a más univerzumok létezése mellett szóló bizonyítékaink több mint kétszerte erősebbek lesznek. Könyvem hátralévő részében további módszereket is bemutatok más univerzumok létrehozására, de mielőtt erre rátérek, szeretném végigvinni a sokvilág-értelmezést, egészen a logikus végső konklúziójáig, amelynek révén új szemlélettel közelíthetjük meg a tér és az idő problémáját anélkül, hogy figyelembe kellene vennünk a fizikai „állandók” változását. Eközben útba ejtjük azt, ami hamarosan a sokvilág-elmélet legnagyobb diadalát és a multiverzum létezésének bizonyítékát jelentheti - a kvantumszámítógépet.

3. Kvantumbitek és időcsúszások

Lehet-e a Hugh Everett által leírt világok létezésének közvetlen hatása a mi világunkra? A kérdésre általában nemmel válaszolunk. A sokvilág-elmélet jelenlegi legtekintélyesebb szószólója, David Deutsch az Oxfordi Egyetemen azonban úgy véli, hogy ez rendszeresen megtörténik. Sőt mi több - állítja Deutsch - elvben lehetséges olyan intelligens (vagy legalábbis öntudattal bíró) számítógépet építeni, amelyik érzékelni képes az egymással kölcsönható sok világ közül néhánynak a hatását, és erről az érzékeléséről tájékoztatni tud bennünket.

Deutsch teljes mértékben meg van győződve e multiverzum valóságosságáról, és készpénznek veszi a sokvilág-értelmezést. Elfogadja például, hogy létezik az univerzumok hatalmas rendszere, amely univerzumokban ő maga különböző változatokban fordul elő, egyesekben nem Oxfordban tanít, hanem a Cambridge-i Egyetem professzora (nem „talán”, hanem határozottan és bizonyosan), míg másokban nem is tudományos munkát végez. Jobban körbenézve számtalan sci-fi történettel találkozunk, amelyekben „alternatív történelmek” bukkannak fel, és ezekben mondjuk soha nem pusztultak ki a dinoszauruszok, hanem kifejlődött bennük az emberi szintű értelem, és a miénknek megfelelő civilizációt hoztak létre. Deutsch szerint az ilyen esetek nem csupán az írói fantázia szüleményei, hanem „kétségtelenül” léteznek olyan univerzumok, amelyekben a dinoszauruszok városokat, űrhajókat és szilíciumcsipekkel működő számítógépeket építettek, mert „ezt állítják a fizika törvényei”. „Nem fordulhat elő, hogy az atomok szintjén létezzenek sokszoros univerzumok, a macskák szintjén azonban csak egyetlen univerzum létezzen”.

Van azonban egy fontos különbség a multiverzum képének Deutsch-féle, illetve az Everett által javasolt változata között. A sokvilág-értelmezés eredeti és ma már hagyományosnak számító szóhasználata szerint az univerzum mindannyiszor „szétszakad”, amikor a kvantumos lehetőségek közötti választási helyzetbe kerül, ami a sokfelé ágazó fa képének kialakulásához vezetett, amely viszont burkoltan azt a szerencsétlen következtetést tartalmazza, mintha létezne egy „törzs”, amelyikből az ágak kiindulnak. Egyúttal felmerül az a zavaró rejtély is, hogy miként lehet felelős egy elektron, amelyik itt a Földön a kétréses kísérletben az egyik vagy a másik résen halad keresztül, az egész univerzum kettészakadásáért, az összes távoli kvazárt is beleértve. A Deutsch által favorizált kép értelmében eredendően létezik az univerzumok hatalmas rendszere, amelyek a kvantumszintű választás pillanatáig azonos történelem mentén haladnak. Az egyik univerzumban azonban az elektron az A résen megy át, a másik univerzumban a B résen, és attól kezdve ennek a két univerzumnak különböző lesz a történelme, miközben semmi sem szakad ketté. Olyan ez, mintha rendelkezésünkre állna egy végtelenül sok kötetet tartalmazó könyvtár, amelyben az első oldalon mindegyik könyvben ugyanúgy kezdődik a történet, később azonban az egyik könyvben itt, a másikban ott a történet eltérő fordulatot vesz, és a könyvek egyre jobban eltérnek egymástól, minél tovább haladunk az olvasásban. Ha megbarátkozunk a végtelen fogalmával - amit meg kell tennünk, ha ezekről az elképzelésekről akarunk beszélni -, akkor ez sokkal kielégítőbb kép, mintha egy olyan könyvet képzelnénk el, amelyik folyamatosan újabb és újabb könyvekre szakad szét, miközben megpróbáljuk elolvasni. További csavarként Deutsch rámutat arra, hogy a sokvilág-értelmezés megengedi az univerzumok újraegyesülését (a régi szóhasználat szerint), illetve az újabb, Deutsch által inkább kedvelt terminológia szerint azt, hogy egy idő után a két univerzum ismét azonossá váljék, mintha a könyvtár két könyve különböző úton ugyanahhoz a happy endhez jutna el. A különbség abból ered, hogy Deutsch másképp fogja fel azt, ami a kvantuminterferencia folyamatában történik.

Létezés két elmében

A kvantumos kétréses kísérlet legalapvetőbb változatában a fotonokat egyenként engedik át a két rést tartalmazó kísérleti berendezésen. Everett értelmezése szerint ennek hatására az univerzum univerzumok két csoportjára válik, közülük az egyikben egy bizonyos foton az egyik, a másikban a másik résen megy át. Deutsch azonban hozzáteszi, hogy bármelyik lyukon megy át a foton, végül a kísérlet másik oldalán az interferenciaképnek ugyanabba a pontjába érkezik, mintha az univerzumok két csoportja egybeolvadt volna. A „szétszakadás” csak arra vonatkozik, ami a kísérleten belül történt, nem pedig az univerzumok egész, nagy léptékű rendszerére. Csak ha a két rés közötti „választás” kivált valamilyen más eseményt (például a macska halálát vagy túlélését), akkor válik szét az univerzumok két csoportja, és megy tovább mindkettő a maga útján.

A Deutsch által kedveltebb szóhasználattal olyan ez, mintha két könyv ugyanazt a történetet mondaná el a főhős kalandjairól, egészen addig a pontig, amikor a főhősnek át kell kelnie egy folyón, amelyen átgázolhat, de átmehet egy hídon is. Az egyik könyvben a hidat választja, a másikban viszont átgázol a folyón. Ettől kezdve a két történet megint azonos. Ebben az esetben is igaz az, hogy az univerzumok két csoportja - a két történet - csak akkor válik szét, és folytatódik két külön úton, ha a „választás” valamilyen további esemény okozója (például a főhős meghal, mert miközben átgázol a folyón, elesik és belefullad).

Deutsch a következőképpen látja az interferenciát. Amint The Fabric of Reality (A valóság szövete) című könyvében kifejti, egy nemcsak két, hanem sok réssel végrehajtott kísérletre hivatkozva, amikor egyetlen foton lép be a kísérleti berendezésbe:

áthalad az egyik résen, majd valami interferál vele, és az, ahogyan eltéríti, attól függ, mely további rések vannak nyitva;

az interferáló objektumok áthaladtak a többi rés némelyikén;

az interferáló objektumok pontosan úgy viselkednek, mint a fotonok...

...attól eltekintve, hogy nem láthatóak.

Abból az alapelvből kiindulva, hogy ha valami úgy néz ki, mint egy kacsa, úgy hápog, mint egy kacsa és tojásokat tojik, akkor az egy kacsa, Deutsch kijelenti, hogy ezek az „interferáló objektumok” fotonok - mégpedig a multiverzum párhuzamos valóságaiban létező fotonok. Az alábbi következtetésre jut:

Minden szubatomi részecskének megvan a maga párja a más univerzumokban, és csak e párjukkal interferálnak. Közvetlenül nincs rájuk hatással azoknak az univerzumoknak egyetlen más részecskéje sem. Ezért a (kvantumos) interferencia csak olyan speciális helyzetekben figyelhető meg, ahol a részecske és árnyék-partnerrészecskéjének pályái szétválnak, majd újra egyesülnek ... az interferencia elég erős jelenség ahhoz, hogy csak egymáshoz nagyon hasonló univerzumok között lehessen kimutatni.

Deutsch megpróbált egyértelmű módszert találni annak bizonyítására, hogy az események lefolyásának ez az értelmezése helytálló, ezért felvetette egy olyan mesterséges agy létrehozásának az ötletét, amely emlékezni tudna arra, ha egy kvantumkísérlet valamilyen befolyást gyakorol rá. Ez a szó szoros értelmében két elme lenne egyidejűleg, miközben egy elektron vagy egy foton áthaladna a kétréses kísérlet megfelelőjén.

Deutsch egy olyan mesterséges agy megalkotásának a lehetőségéről is beszél, amelyiknek a memóriája kvantumszinten működik, ezért közvetlenül érzékelni tudná a kvantumfizikai jelenségeket. Ez a számítógép nemcsak feljegyezné a kísérletek lefolyását, amelyeket saját magán végrehajt, hanem arról is be tudna számolni, mit érzett a kísérlet lefolyása során annak egyes pillanataiban - egyszerűen kinyomtatna egy folyamatos tudósítást arról, mi történik. Ismerve a számítástechnika jelenlegi fejlődési ütemét, egy ilyen számítógép valószínűleg jóval a XXL század vége előtt megépíthető lenne. A kísérletek, amelyeket saját magán végre tudna hajtani, valamivel bonyolultabbak lennének a kétréses kísérlet alapváltozatánál. Képzeljünk el egy számítógépet, amelyiken belül van egy áramkör, és ez egyenként képes elektronokat vagy fotonokat átereszteni két lyukon, miközben a mesterséges értelem érzékeli a kísérlet lefolyásának hatását. Deutsch arra számít, hogy egy ilyen értelem érzékelni képes annak a hatását, hogy a részecske egyidejűleg mindkét úton végigmegy, aminek hatására (Everett szóhasználatával élve) két másolatra szakítja szét önmagát, majd ismét egybeforr önmagával.

Ez azonban az emberi megfigyelők számára elképzelhetetlen, ők ugyanis nem képesek ilyen dolgok érzékelésére. Amikor a szétválás bekövetkezik, a megfigyelőből két példány létezne, akárcsak a gépi intelligenciából, amelynek ugyancsak két példánya lenne. A kísérlet végrehajtása közben az emberi operátor megkérdezné a gépet, hányat érzékel az elektron vagy a foton két lehetséges útvonala közül. A kísérlet lényege, hogy Deutsch várakozása szerint a számítógép azt válaszolná, hogy „egyet és csakis egyet figyelek meg a két lehetőség közül”, de a gép két különböző univerzumban ugyanezt a választ adná. Ezután, a kísérlet végén, amikor ez a két univerzum ismét eggyé válik, akkor az ember és a gép egyaránt interferenciamintázatot lát, ami azt bizonyítaná, hogy az Everett-féle sokvilág-értelmezés helytálló. Ha viszont a sokvilág-értelmezés hibás, akkor nem lépne fel interferencia.

Döntő jelentőségű azonban, hogy a megfigyelő nem kérdezi meg a számítógépet arról, hogy a két belső útvonal közül melyiket követte az elektron vagy a foton. Amint ugyanis ez az információ kiderül, a világok szétszakadása állandósul, nem lép fel az interferencia, éppúgy, ahogyan a klasszikus kétréses kísérletben sem látjuk az interferenciamintázat megjelenését, ha megfigyeljük, melyik résen haladt át az elektron. Ez a jó öreg koppenhágai értelmezés szemléletének megfelelően a hullámfüggvény összeomlásának felel meg. A koppenhágai értelmezés szerint a számítógép vagy arról számol be, hogy mindkét lehetőséget egyszerre érzékelte, és ez esetben fellép az interferencia, vagy pedig arról tudósít, hogy csak az egyik lehetőséget érzékelte, és ebben az esetben nincs interferencia. Soha nem fordulhatna elő, hogy a gép csak az egyik lehetőséget érezte, és mégis kialakul az interferenciakép.

A számítógép értelme azonban még a multiverzumban sem emlékezhet sohasem arra, hogy kettészakadt. Ez a kísérlet működésének szükségszerű következménye - tartja Deutsch -, mert az interferencia miatt „a memóriából ki kell törlődni annak az információnak, hogy a két lehetőség közül melyiket észlelte [a gép]”. Ha a gép valóban intelligens, akkor a kísérlet lefolyására vonatkozó feljegyzésekből következtetni tud arra, hogy ő maga kettévált, azonban nem emlékezhet vissza arra, milyen érzés volt két elmének lenni egyidejűleg.

Maga Deutsch azért kezdett mélyen érdeklődni a gyakorlatban kvantumelvek alapján működőképes számítógépek építésének mechanikai kérdései iránt, mert ezek a működési alapelvek mély igazságokat tárhatnak fel a multiverzum természetére vonatkozóan. Deutsch már 1977-ben rájött annak az eszköznek az ötletére, amelyet ma kvantumszámítógépnek nevezhetünk, bár abban az időben elsősorban azon töprengett, miként lehetne egy valóságos, fizikailag létező gépet építeni a sokvilág-elképzelés ellenőrzésére. Kevésbé érdekelték egy ilyen gép gyakorlati alkalmazásának a lehetőségei, ám később kiderült, hogy vannak ilyen alkalmazások, amelyek ráadásul elég fontosak ahhoz, hogy pénzt fektessenek a gyakorlatban működőképes kvantumszámítógép fejlesztésébe. Deutsch már az 1980-as évek eleje óta jelentős eredményeket ért el a kvantum-számítástudomány elméletében. Az elmélet mára gyakorlati valósággá vált, bár ezek a gépek még túlságosan egyszerűek ahhoz, hogy a sokvilág-értelmezés ellenőrzésére vonatkozó kísérleteket el lehessen velük végezni. Mindamellett, az a körülmény, hogy ezek a rendkívül egyszerű gépek működőképesek, Deutsch érvelése szerint meggyőző bizonyítékot jelent a multiverzum valóságossága mellett.

A kvantumszámítógép nyomában

A hagyományos számítógépek - amelyeket gyakran „klasszikus” számítógépeknek nevezünk - bináris (kettes számrendszerbeli) számjegyek, más néven bitek formájában tárolják és dolgozzák fel az információt. Ezek olyanok, mint a hagyományos kapcsolók, amelyek két állás (be vagy ki, fel vagy le) valamelyikében lehetnek. A kapcsoló állapota a 0 vagy az 1 számmal jellemezhető, és a számítógép egész tevékenysége abban merül ki, hogy ezeknek a kapcsolóknak a beállításait megfelelő módon változtatgatja. Az én számítógépem, amikor ezeket a sorokat írom, egy szövegszerkesztő programot használ, közben lejátszik különböző zeneszámokat, a képernyő sarkában élő kapcsolatban mutatja a fiam brightoni üzletében lévő számítógéphez csatlakoztatott kamera képét, a háttérben pedig dolgozik a levelezőrendszeremet kezelő program, amelyik figyelmeztető jelzést küld, ha új üzenetem érkezik. Mindez és mindaz a sok más, amit a számítógépek el tudnak végezni, azért lehetséges, mert a számítógép az „agyában” megfelelő módon tologatja és kezeli a 0-kból és 1-esekből álló sorozatokat.

Nyolc bit alkot egy bájtot (byte), és mivel nem 10-es, hanem 2-es alapú számrendszerben dolgozunk, ezért az alapszám természetes többszörösei nem 10, 100, 1000 és így tovább, hanem 2, 4, 8, 16 és így tovább. Mivel 2^10 = 1024, ami jó közelítéssel 1000, és gondolkodásunk a 10-es alapszámhoz szokott, ezért az 1024 bájtot egy kilobájtnak nevezzük. Hasonlóképpen, 1024 kilobájt tesz ki egy megabájtot, 1024 megabájt pedig egy gigabájtot. Hordozható számítógépem merevlemeze 160 gigabájt információt képes tárolni, a gép „agya”, a processzor pedig egyidejűleg akár 2 gigabájt információt is tud kezelni, természetesen mindezt 0-kból és 1-esekből álló sorozatok formájában.

A kvantumszámítógép azonban valami egészen más. A kvantumvilágban az objektumok, például az elektronok az állapotok szuperpozíciójában lehetnek. Ez azt jelenti, hogy a kvantumkapcsoló mindkét állapotban, a két állapot szuperpozíciójában, ki és be állapotban is lehet egyidejűleg, akárcsak Schrödinger macskája. Maguknak az elektronoknak például van egy spinnek nevezett tulajdonságuk, amely nem azonosítható egyetlen hétköznapi fogalmunkkal sem, de úgy lehet elképzelni, mintha az elektron felfelé vagy lefelé mutatna. Ha megállapodunk abban, hogy a „fel” a 0-nak, a „le” pedig 1-nek felel meg, akkor létrehoztunk egy bináris kvantumkapcsolót. Megfelelő körülmények között a kapcsoló olyan állapotba kerülhet, hogy egyidejűleg mutat felfelé és lefelé.

Egyetlen, az állapotok szuperpozíciójában lévő kvantumkapcsoló a 0 és az 1 számokat egyidejűleg tudja tárolni. A klasszikus számítógépekkel kapcsolatos fogalmakat kiterjesztve, az ilyen kvantumkapcsolót kubitnek nevezzük, a kvantum és a bit rövidített összevonása alapján. A kubit létezésének szédítő következményei vannak. Két klasszikus bit például a 0 és 3 közötti négy szám bármelyikét jelölheti, mert a két bit értékének négy kombinációja lehetséges: 00, 01, 10 és 11. Ha mind a négy számot (0, 1, 2 és 3) egyidejűleg meg akarjuk jeleníteni, akkor négy számpárra van szükségünk - lényegében tehát egy bájtra. Ezzel szemben mindössze két kubit egyidejűleg meg tudja jeleníteni ezt a négy számot. A bitek (kubitek) számok tárolására alkalmas csoportját tárolóegységnek (regiszternek) nevezzük. A nyolc kubitből (egyetlen kubájt) felépülő tárolóegység nem négy, hanem 2^8 számot képes egyidejűleg tárolni. Eszerint 256 szám tárolható egyetlen kubájtban. Vagy Deutsch nézőpontjából úgy is fogalmazhatunk, hogy ez az egyetlen kubájt a multiverzum 256 különböző univerzumát képviseli, amelyek valamilyen formában ugyanazon az információn osztoznak.

Egy működő kvantumszámítógépben bármely művelet, amelyiket az adott kubájtban tárolt 256 szám bármelyikével végrehajtunk, egyidejűleg mind a 256 univerzumban végrehajtódik, mintha 256 önálló, klasszikus számítógépünk lenne, amelyek mindegyike a mi univerzumunkban a probléma egy-egy aspektusán dolgozna, vagy pedig, mintha egyetlen számítógépünk lenne, amelyen 256-szor végrehajtjuk ugyanazt a műveletet, a tárolt szám minden egyes értékével. Ha távolabbra tekintünk a jövőbe, akkor egy 30 kubites processzorra alapozott kvantumszámítógép számítási kapacitása egyenértékű egy 10 teraflop (tízbillió lebegőpontos művelet másodpercenként) műveleti sebességű hagyományos számítógépével; napjaink asztali számítógépeinek műveleti sebességét gigaflopban mérik (egymilliárd lebegőpontos művelet másodpercenként), vagyis tízezerszer lassúbbak a 30 kubites kvantumszámítógépnél. (A szerző itt a jövő csúcstechnológiáját a hétköznapi átlaggal hasonlítja össze. A hagyományos elven működő számítógépek azonban már itt, Magyarországon is elérték a teraflopot, és ebben az összehasonlításban csak tízszeres az eltérés - a fordító megjegyzése.) Mindez a kvantumszámítógépek elképesztő teljesítményére utal, azonban használatukhoz még meg kell találni azt a trükköt, ahogyan a számítás végén a hasznos információt megszerezhetjük - ehhez arra van szükség, hogy a különböző univerzumok a megfelelő módon interferálva számunkra is érthető választ hozzanak létre anélkül, hogy eközben a hasznos információ torzulna.

Maga Deutsch volt az, aki egy 1985-ben megjelent tudományos cikkében rámutatott a „kvantumfizikai párhuzamosságokon” alapuló számítógép teljesítőképességére. Már ő is felismerte azonban, hogy egy ilyen számítógép alkalmazásának szigorú korlátai vannak, mert az egyik univerzum lakói nem figyelhetik meg közvetlenül a párhuzamos univerzumokban folyó számítások eredményeit. Csak akkor állhat rendelkezésre korlátozott mennyiségű információ az összes univerzum megfigyelői számára, amikor a kvantumszámítások interferálnak egymással. Szélsőséges példaként, ami a Galaxis útikalauz stopposoknak (The Hitch Hiker’s Guide to the Galaxy) Bölcs Elme (Deep Thought) nevű szuperszámítógépére emlékeztet, az is előfordulhat, hogy működtetjük a kvantumszámítógépet, és kapunk is valamilyen választ, de nem tudjuk, mi volt az a kérdés, amelyikre ez a válasz érkezett, mert a kérdést más univerzumokban dolgozó operátorok tették fel.

Tehát még ha lenne is egy működő kvantumszámítógépünk, akkor sem használhatnánk egyszerűen olyan feladatokra, mint amilyeneket a hagyományos számítógépeinkkel rosszabbul és lassabban végeztetünk el. A kvantumszámítógép nem lenne például alkalmasabb szövegszerkesztőnek. Az egyetlen gyakorlati ok, ami miatt megéri nagy összegeket és sok erőfeszítést fektetni a kvantumszámítógép fejlesztésébe, az lehetne, ha lennének olyan fontos, gyakorlati haszonnal kecsegtető alkalmazások, amelyekre a kvantumszámítógép használható, a hagyományos számítógépek viszont nem. Csaknem tíz éven keresztül a kvantumszámítógép olyan megoldást jelentett, amelyhez még meg kellett keresni a megoldandó problémát. Azután 1994-ben Peter Shor (Bell Laboratóriumok, New Jersey) elővezetett egy ilyen „gyilkos” alkalmazást.

Az idegölő alkalmazás

Az „idegölő alkalmazás” első pillanatban a matematika meglehetősen világias, sőt unalmas területének tűnik. Éppen unalmassága azonban az a tulajdonsága, ami igazán fontossá teszi. A politikai, katonai és kereskedelmi világban rendkívül fontos a titkok megőrzése, ezért az érzékeny információk továbbításánál lényeges és sok pénzt is megér, hogy különböző biztonsági kódokat használjanak, nehogy azok illetéktelen kezekbe kerüljenek. Ha lehet, még értékesebb viszont az ilyen kódok feltörésének a képessége, ezért jelentős, bár jobbára nyilvánosságra nem hozott kutatások indultak ezen a területen. Napjaink legjobb, lényegében feltörhetetlennek tartott kódjai általában azon alapulnak, hogy a nagyon nagy számoknak nehéz megtalálni a prímtényezőit.

A törzstényezőkre bontást mindannyian tanultuk az iskolában, bár sokan közülünk már elfelejtették. Ez a művelet a prímszámok összeszorzásával áll kapcsolatban. Kihagyva fejtegetésünkből a speciális helyzetű 1-es számot, prímszámnak nevezzük mindazokat a számokat, amelyek csak 1-gyel és önmagukkal oszthatók. Ennek megfelelően tehát a 2 prímszám (és az egyetlen páros prímszám, mert minden más páros szám osztható 2-vel), majd ezt a sorban a 3 és az 5 követi, és így tovább. Ha két prímszámot összeszorzunk, akkor olyan számot kapunk, amelyik nem prímszám, de két tényezőjének mindegyike az. Így például 3x5 = 15, ahol a 15 két törzstényezője a 3 és az 5, mindkettő prímszám. Egy számnak természetesen több prímtényezője is lehet, de példánkat szükségtelen ezzel bonyolítani. A prímszámokat egyszerűen össze tudjuk szorozni. Egy szám törzstényezőit viszont csak próbálgatással tudjuk megtalálni - ami a 15 és a hasonlóan kis számok esetében egyszerű, de a feladat annál bonyolultabbá válik, minél nagyobb számokkal dolgozunk. Munkánk során az egyetlen útmutatást az jelenti, hogy a törzstényezők közül legalább egynek kisebbnek kell lennie a szóban forgó (nagyon nagy) szám négyzetgyökénél.

Ez azért fontos a titkosítás szempontjából, mert a kód alapjául két nagy prímszám szorzataként előállított nagyon nagy szám szolgálhat. Ezek a mind a mai napig kifejlesztett legjobb és széles körben használt kódok. A nagyon nagy szám segítségével a kódolt üzenet küldője összekeveri az üzenet tartalmát, azonban a prímtényezők ismeretében fogadó fél helyre tudja állítani az üzenetet. Aki fel akarja törni a kódot, viszonylag könnyen megtalálhatja a kód alapjául szolgáló nagyon nagy számot, azonban a törzstényezők ismerete nélkül nem tudja dekódolni az üzenetet, márpedig a törzstényezők megtalálása még a legjobb hagyományos számítógépek segítségével is hosszú időt vesz igénybe.

Deutsch egy példát is felhoz arra, hogy ami a számítógép számára könnyen megoldható probléma, azzal egy egyedül dolgozó matematikus képtelen megbirkózni. A 10 949 769 651 859 számnak két törzstényezője van, a 4 220 851 és a 2 594 209. Mit gondolnak, mennyi ideig tart ezt a két törzstényezőt megtalálni, ha a 10 949 769 651 859-et a 3-tól kezdve, az 5-tel, a 7-tel és így tovább folytatva elosztjuk az összes prímszámmal, míg eljutunk a 2 594 209-ig? A számítógép egyetlen másodperc alatt végrehajtja a számítást. Ám a 10 949 769 651 859 szám csak 14 jegyű, márpedig ha eggyel növeljük a szám jegyeinek számát, akkor a szám négyzetgyöke körülbelül a háromszorosára nő. Ez azért van így, mert ha a számhoz egy további jegyet hozzáírunk, akkor a számot nagyjából a tízszeresére növeljük, a 10 négyzetgyöke pedig valamivel több 3-nál. Ha tehát eggyel több jegyű a szám, akkor háromszor annyi ideig tart megtalálni a két prím törzstényezője közül a kisebbet. Ha a szám 25 jegyű, akkor a törzstényezőkre bontás az 1997-ben (amikor Deutsch közreadta ezt a példát) a meglévő legjobb számítógépekkel is évszázadokig tartott volna. Ha a számítógépek sebessége növekszik, akkor nem kell mást tennünk üzeneteink titokban tartása érdekében, mint egyre nagyobb számokat használnunk a titkosításhoz.

Shor azonban előállt az ötletek egy csokrával, amelyeket ma Shor-algoritmusnak nevezünk. Ez megmutatja, hogyan tud a kvantumszámítógép nagyon nagy, akár 14 jegyű, mint a 10 949 769 651 859, számokat a hagyományos számítógépeknél könnyebben törzstényezőire bontani. A kvantumszámítógép minden lehetséges osztást lényegében egyidejűleg végez el a párhuzamos univerzumokban, vagyis a válasz egyetlen osztás elvégzéséhez szükséges idő alatt rendelkezésre áll. Az interferenciának köszönhetően Shor annak is megtalálta a módját, miként jelenhet meg az információ az összes párhuzamos világban működő számítógépek mindegyikén. Az interferencia során csak a helyes választ adó számítások adódnak össze, a hibás eredményre vezetők kioltják egymást.

Elméletileg van még egy nagy probléma az ilyen számítógépekkel, azok ugyanis nagyon érzékenyek az interferencia egy másik fajtájára, nevezetesen a külső világból érkező, interferáló jelekre, amelyek a rendszer szempontjából zajnak tűnnek. Ez azt jelenti, hogy nem bízhatunk meg a kapott válaszokban. Az ilyen jellegű problémák esetében azonban ez nem számít! Tételezzük fel, hogy a kvantumszámítógép olyan érzékeny ezekre a külső zajokra, hogy ezer alkalomból csak egyszer ad helyes választ. Na és? Minden egyes futtatás csak a másodperc töredékéig tart. Egyszerűen csak végeztessük el a feladatot a számítógéppel 1000-szer, vagy akár még többször, és egy hagyományos számítógép segítségével szorozzuk össze a kapott számokat, hogy megállapítsuk, melyek az elemzett nagy szám valódi törzstényezői. Szélsőséges példát választva, egy ezerjegyű szám törzstényezőit egy hagyományos számítógép sok milliószor milliárd év alatt találná meg - ami sokkal hosszabb idő, mint amennyi az Ősrobbanás óta eltelt. Ugyanezt a feladatot egy kvantumszámítógép Shor algoritmusát alkalmazva mintegy 20 perc alatt végrehajtja.

Az elképzeléseket hamarosan továbbfejlesztették (többek között Deutsch és munkatársai), és további olyan algoritmusokat találtak, amelyekkel a kvantumszámítógépeken különböző problémákat lehetne megoldani. Már csupán egyetlen feladat végrehajtására alkalmas kvantumszámítógép előnyei is nyilvánvalóak, ezért a XX. század végére megkezdődött a versenyfutás egy működőképes berendezés előállításáért, amelyik ilyen módon képes a számok törzstényezőkre bontására - természetesen előbb csak kisebb, majd egyre nagyobb számok esetében.

Gyakorlatias ügyek

Minden kvantumszámítógép esetében az információhoz való hozzáférés jelenti a legfőbb problémát. A számítógép kvantumszinten teljesen kielégítően működhet, de ha meg akarjuk tudni, mi folyik a belsejében, akkor kívülről interferálnunk kell vele - vagy még inkább, meg kell engednünk, hogy a kvantumfizikai rendszer interferáljon a külső környezettel. Márpedig a külső környezettel való bármely kölcsönhatás megzavarja a kvantumfizikai folyamatokat. A kvantumfizikai interferencia hatása a külső környezetben szétterjed a részecskék egy nagy csoportjában, ezt a jelenséget dekoherenciának (szétcsatolódásnak) nevezzük. A fizikusok általában úgy fogalmaznak, hogy a kvantumfizikai rendszerek a kívülről jövő interferáló hatások következtében esnek szét; Deutsch azonban rámutat arra, hogy ez a szemlélet helytelen, mert valójában a kvantumfizikai folyamatoknak a külvilágra gyakorolt hatása okozza a szétcsatolódást, amikor a kvantumfizikai információ széles körben szétterjed és elvész az egyéb forrásokból eredő zajban. Akármelyik is a helyes megfogalmazás, a lényeg az, hogy a kvantummechanikai rendszert gondosan le kell árnyékolni, hogy mialatt a számítást végzi, semmiféle külső hatás se érhesse, majd pontosan a megfelelő módon kell meglökni, hogy kiolvashassuk a számítás eredményét. A kvantumszámítógép még ebben az esetben is csak egyetlen alkalommal közölheti velünk a választ, mert az információ kiolvasásának művelete egyúttal tönkre is teszi az információt. A hagyományos számítógéppel ellentétben, a kvantumszámítógép nem képes az eredményt a memóriájában tárolni, hogy azt később újra meg újra kiolvashassuk.

Ha az ilyen és hasonló problémákat sikerül legyőzni, akkor a kvantumszámítógép egyes elektronokkal dolgozhat, amelyek mindegyikét - a számítógép „kapcsolóiként” - az atomok csapdájába ejtjük. Egy ilyen „kvantumpont” arra késztethető, hogy egy lézernyaláb fényével ingerelve átbillenjen valamelyik kvantumállapotból egy másikba - vagy természetesen az állapotok szuperpozíciójában is létezhet. Eltekintve attól a problémától, amit az ilyen kis mérettartományban végzett munka okoz, egy ilyen számítógép nagyon érzékeny lenne a dekoherencia által okozott hibákra, mert minden egyes kubitet egyetlen elektron képviselne, amelynek az állapotát bármely, kívülről érkező hatás elronthatná.

A probléma megkerülésének a legjobb módja az, ha az egyetlen kubit állapotára vonatkozó információt több (vagy sok) különböző kapcsoló között szétosztjuk, így ha az egyik hibásan működik, még mindig ott van a többi. Ebben az irányban az első sikereket 1998-ban érték el, amikor az Isaac Chuang (Los Alamos Nemzeti Laboratórium) és Neil Gershenfeld (Massachusetts Műszaki Egyetem) vezetésével dolgozó csoport olyan módszert talál, amellyel egy folyékony oldat minden egyes molekulájában sikerült egyetlen kubitet három kvantumállapot között (szakszerűbben: a mag spinjének három állapota között) szétosztani. A „számítógépet” rádiófrekvenciás elektromágneses impulzusok sorozatával programozták, majd az összes molekula átlagos állapotát - ami a program outputját képviselte -, a magmágneses rezonancia (NMR, nuclear magnetic resonance) néven ismert módszer adaptációjaként, mágneses terek segítségével követték. Az NMR technikát az orvosi gyakorlatban használják, ezáltal sikerül „belátni” a test belsejébe; ott egyébként a módszert mágneses rezonanciás képalkotásnak vagy mágneses magrezonancia képalkotásnak (MRI, magnetic resonance imaging) nevezik, mert sok páciens idegenkedik az eredeti megnevezésben szereplő „nukleáris” szótól.

A Los Alamos/MIT kutatócsoport megoldásának az a különösen szellemes vonása, hogy az NMR-technikának köszönhetően a molekulák átlagos állapota anélkül hasonlítható össze, és állapítható meg, különböznek-e egymástól, hogy eközben ténylegesen mérést kellene végrehajtani rajtuk. (Ha meg akarnánk mérni az egyes kvantumpontok állapotát, azért, hogy eldöntsük, eltorzultak-e, akkor éppen a mérés folyamatával tennénk tönkre a bennük tárolt információt.) Amikor különbséget találunk ott, ahol ilyennek nem szabadna előfordulnia, akkor ebből a kutatók rájönnek, hogy valamilyen hiba lépett fel, így megtehetik a szükséges lépéseket annak kijavítására.

2001-ben következett be az a fordulat, amelyik csak a Wright-fivérek első repülésének a repülés történetében játszott szerepéhez hasonlítható, és ami valószínűleg a legfontosabb mérföldkőként fog bekerülni a kvantum-számítástudomány történetébe. Az IBM Almaden Kutatóközpontjában dolgozó csoport Shor algoritmusának segítségével ténylegesen törzstényezőire bontotta a 15 számot egy kvantumszámítógépen. A gép lelke egy öt fluor-és két szénatomot tartalmazó molekula volt, ennek megfelelően hét atommag spinjével tudtak játszani - vagyis hét kubit állt a rendelkezésükre. Nem egyetlen molekulát használtak azonban, hanem egy gyűszűnyi oldatot, amelyben becslésük szerint milliárdszor milliárd (10^18) volt jelen a szóban forgó molekulából. Az oldatot a magmágneses rezonanciás technikával figyelték, az eredményeket az összes molekulára átlagolták, és hatékonyan korrigálták a dekoherencia következtében fellépő hibákat. Valójában minden egyes molekula egy hét kubites számítógépként működött (ami egy 128 bites hagyományos számítógépnek felel meg), és az összes molekula ugyanannak a problémának a megoldásán dolgozott, miközben válaszaikat a hibák kiszűrése érdekében folyamatosan összevetették.

Hét kubit a minimum, amennyi a 15-ös szám Shor módszerével történő törzstényezős felbontásához szükséges. A számítógép helyesen állapította meg, hogy az eredmény 3 és 5. Ezzel bebizonyították, hogy a kvantumszámítógép működőképes, Shor algoritmusa ugyancsak működik, sőt ezek után nagyon nehézen tudom kétségbe vonni a multiverzum létezését. Ha visszatekintünk arra, mi történt a repülésben egy évszázad alatt a Wright-fivérek repülését követően, akkor talán sejthetjük, meddig juthat el a kvantumszámítógép-tudomány 2100-ra.

Léteznek más molekulák is, amelyek felhasználhatóak egy ilyen folyékony számítógépben. Gershenfeld szívesen szokott rámutatni, hogy az egyik ígéretes jelölt a koffein. A Galaxis útikalauz stopposoknak történetére utalva akár az is lehetséges, hogy a jövő kvantumszámítógépének processzora egy csésze kávé lesz. A folyékony számítógépek kifejlesztésének azonban - legalábbis egyelőre - számos komoly technikai akadálya van.

Sajnos a molekulák állapotának követésére használt rádiófrekvenciás jel erőssége rohamosan csökken, ha a vizsgált atommagok száma nő. A jelenlegi technológiával megépíthető legnagyobb kvantumszámítógép mindössze tíz kubites lenne. A kutatók azonban más módszerek kifejlesztésén is dolgoznak, az egyikkel 2005-ben sikerült létrehozni az első 8 kubites kvantumszámítógépet. Ma még ennél pontosabban nem is sejthetjük, merre fog fejlődni a kvantumszámítástechnika, mint ahogyan a Wright-fivérek sem látták előre a lopakodó bombázót, de az efféle spekulációk nem is tartoznak könyvünk témájába. Minket csak az érdekel, hol hajtja végre a kvantumszámítógép ezeket a számításokat.

Hol történik meg mindez?

A kvantumszámítógépekkel foglalkozók közül sokan mindaddig egyszerűen nem törődnek azzal, hogyan hajtódnak végre ezek a számítások, amíg a számítógép működik. Általában inkább a matematikusok gondolkoznak el az ilyen kérdéseken, mert ők a képzésük során hozzászoktak a képzetes terekhez és az egyéb fiktív konstrukciókhoz, amelyek egyszerűbbé teszik a számításokat. Sajnos ez egyúttal vakká teszi őket, így nem látják, valójában mi játszódik le egy kvantumszámítógépben.

A valóságos világban, a háromdimenziós térben a tárgyak pozícióját három számmal adhatjuk meg, a három koordinátával, amelyek megmutatják a tárgy távolságát egy megválasztott vonatkoztatási ponttól - általában három, egymásra merőleges tengely mentén mért távolságokat használunk, ami a kétdimenziós grafikonok kiterjesztésének felel meg. A testek sebessége ugyancsak háromdimenziós tulajdonság, mert a mozgás irányát is tartalmazza, a matematikusok pedig előszeretettel használják a képzetes „sebességtér” fogalmát, ahol ennek a térnek egyetlen pontja a sebesség három egymásra merőleges tengely mentén mért összetevőit jelenti, ezek összege adja ki a tényleges sebességet. El tudjuk képzelni, hogy megalkotjuk a sebességtér háromdimenziós modelljét, éppúgy, ahogyan egy háromdimenziós domborzati térkép megjeleníti a Föld felszínét.

De ha valaki matematikus, akkor miért állna meg itt? Miért ne képzelhetnénk el, hogy a két információcsoportot egyetlen hatdimenziós térben egyesítjük, amelyben a koordináták egy adott részecske helyét és sebességét is megjelenítik? Még a matematikusok számára sem könnyű hat dimenziót úgy ábrázolni, hogy a dimenziók mindegyike merőleges legyen az összes többire, ezért még senki sem próbálkozott azzal, hogy elkészítse ennek a hatdimenziós térnek a szemléletes modelljét. Ami azonban a számításokat illeti, azok éppen olyan alakúak, mint Püthagorász derékszögű háromszögekre vonatkozó nevezetes tétele, néhány további taggal kiegészítve (egy-egy tag minden egyes extra dimenzióra). Történeti okok miatt az ilyen képzetes tereket „fázistérnek” nevezzük, ebben az esetben azonban a fázis szónak semmilyen kapcsolata sincs a szó eredeti jelenésével, tekintsük csak puszta névnek.

A matematikusok a fázistér fogalmát többé-kevésbé a végtelenig ki tudják terjeszteni. A fogalomnak számos alkalmazása van, de a sebesség/hely példa jelenlegi céljainknak tökéletesen megfelel. Ebben az esetben hatdimenziós fázistérrel dolgozunk egyetlen részecske állapotának leírásához, de ha már két részecske kergeti egymást az egyébként teljesen üres dobozban, akkor 12 dimenziós fázistérre van szükségünk, ha a pillanatnyi helyzet időbeli változását követni akarjuk. A fázistérnek ez a speciális változata mindig hatszor annyi dimenziós, ahány részecske van a dobozban. Az ilyen rendszereknek a fázistérbeli változásait az idő függvényében statisztikus módszerekkel tudjuk leírni, aminek fontos következményei vannak, például a káoszelméletben. Ám az egyetlen, ami most számít, az, hogy a matematikusok ahhoz is hozzászoktak, hogy óriási dimenziószámú (mitikus), képzetes fázisterekkel dolgozzanak. Amikor tehát valaki azt mondja nekik, hogy mondjuk egy kvantumszámítógép úgy keresi meg egy 250 jegyű szám törzstényezőit, hogy eközben 10^500 állapot szuperpozíciójával végez műveleteket, akkor rögtön arra gondolnak, hogy ez ugyanolyan, mint ahogyan ők a fázistereket kezelik.

Van azonban egy lényeges különbség. A dobozban kergetődző részecskék vagy más, hasonló fizikai rendszerek leírására használt fázistér a valódi, fizikai dolgok - ebben az esetben a részecskékkel tele doboz - képzetes ábrázolása. A kvantumszámítástechnika azonban valóságos, fizikai dolog, nem csupán a matematikusok képzeletének szüleménye. A számításban ebben az esetben 10^500 tényleges számítógép vesz részt. És hogy hol vannak ezek a számítógépek? Deutsch határozottan fogalmazza meg véleményét:

Akik még mindig az egyetlen-univerzum világképhez ragaszkodnak, azoknak azt ajánlom, gondolkozzanak el azon a problémán, hogyan is működik Shor algoritmusa... Amikor Shor algoritmusával törzstényezőkre bontunk egy számot, és ehhez talán a jelenleg belátható számítási kapacitás 10^500-szorosát használjuk, akkor hol történik ennek a számnak a törzstényezőkre bontása? A belátható univerzumot mindössze 10^80 atom alkotja, ami a 10^500-hoz képest egy elenyészően csekély szám. Ha tehát a látható univerzum jelentené az egész fizikai valóságot, akkor az távolról sem tartalmazhatná az ilyen nagy számok törzstényezőkre bontásához szükséges erőforrásokat. Akkor hát ki végezte el a törzstényezőkre bontást? Hogyan és hol hajtódott végre ez a számítás?

Megkérdezhetik azt is, hogy miért hajtottuk végre ezt a számítást? Miért engednék meg a 10^500 további univerzum lakói, hogy az ő számítógépeiken futtassuk a programjainkat? Mi a jó ebben a számukra?

Az egyszerű válasz az, hogy számukra ugyanazért jó, mint amiért a mi számunkra is jó. Emlékezzünk vissza a könyvtár analógiájára, amelyben minden egyes könyvben ugyanúgy kezdődött a történet. Mindazok az univerzumok, amelyekben a számítást elvégzik, mindaddig a pillanatig azonosak a mi univerzumunkkal, amikor a törzstényezőket kereső program futása elindul. Ezeknek az univerzumoknak a lakói, minden szándékukat és céljukat tekintetbe véve, mi magunk vagyunk, és ők ugyanazért futtatják ezt a programot, mint mi. A számítási folyamat végrehajtása közben az univerzumok különbözőekké válnak - a könyvnek ezeken az oldalain a történet eltérő lesz.

A számítás végrehajtása után azonban az univerzumok lényegében ismét egymással azonossá válnak.

Természetesen sokkal több olyan univerzum van, amelyiknek a lakói nem építenek kvantumszámítógépet, vagy akik másfajta programokat futtatnak a számítógépeiken. Ezek az univerzumok azonban olyannyira különböznek a mi univerzumunktól, hogy kvantumfizikai értelemben nem interferálnak a mi univerzumunkkal. Csak a miénkhez elegendően hasonló univerzumokban fordulhat elő, hogy amikor lakói ugyanazokat a feladatokat akarják megoldani, mint mi, akkor éppen az adott feladatok megoldásához szükséges módon interferálnak a mi univerzumunkkal.

Ilyen mélységig akartam, vagy tartottam szükségesnek bemutatni a kvantum-számítástechnikát. Számomra az a tény, hogy a kvantumszámítástechnika működik, a multiverzum létezését bizonyítja. A könyvtári könyv analógiája azonban természetes módon a multiverzum egy más nézőpontjához vezet el, amely teljes mértékben ellentmond a józan észnek - ez az idő irányának a kérdése.

A multiverzum metaforája

Amikor először hallunk a párhuzamos univerzumokról, akkor magától értetődően úgy képzeljük el ezeket, mintha egymás mellett feküdnének. A miénkhez nagyon hasonló univerzumok a miénkhez közel („a szomszédban”) helyezkednének el, míg a miénktől különböző univerzumokat egyre eltérőbbeknek találnánk, ahogy „távolodunk” (bármit értsünk is ezen a kifejezésen) a mi univerzumunk világvonalától, bizonyos értelemben időben oldalirányban. Ez az elképzelés számos tudományos fantasztikus történet alapja, emellett a multiverzumról szóló, egyes népszerű ismertetésekben is felbukkan. Semmi okunk sincs azonban feltételezni, hogy a multiverzum ilyen szerkezetű. A párhuzamos univerzumok kifejezés pontatlan és félrevezető, mindamellett sajnálatos módon a multiverzum elméletével összefüggő szóhasználat részévé vált. Helyesebb azonban ezt csak egyfajta hasonlatnak tekinteni, mint ahogyan két emberről, akik soha nem találkoztak egymással, de hasonló karriert futottak be, azt mondhatjuk, hogy életük fonala párhuzamosan futott. Pontosabb hasonlat lenne, ha azt mondanánk, hogy az összes különböző univerzum merőleges egymásra, mint a matematikusok képzetes fázisterében az irányok. Ez sem jelentené a multiverzum pontos leírását, de legalább meglenne az az előnye, hogy valami olyasmit ír le, amire vonatkozóan semmiféle hétköznapi tapasztalatunk sincs, ezért úgy érezhetnénk, hogy a multiverzum ténylegesen olyasvalami, ami semmire sem hasonlít, amit valaha is közvetlenül tapasztaltunk, nem tekinthető barátságos „szomszédságnak”, mint az egymás mellé épült, egymásra hasonlító, kertvárosi sorházak.

Gondoljunk inkább a multiverzum könyvtárra! A rendszerető könyvtáros rendet akar tartani a könyvek között, ezért a hasonló történeteket tartalmazó köteteket egymás közelébe teszi a polcokon, viszont minél távolabbi polcon kutakodunk, annál eltérőbb történetekkel találkozunk. Nem szükségszerű azonban, hogy ez így legyen. A könyvek bármilyen sorrendben elhelyezhetők, sőt akár nagy halomba dobálhatok a földön, ennek ellenére használhatóak maradnak a multiverzum metaforájában. Továbbra is igaz lenne, hogy mindegyik könyvben ugyanúgy kezdődik a történet, majd ahogy lapozgatunk a könyvekben, úgy futnak szét fokozatosan a történetek szálai. Továbbra is igaz az, hogy a 10^500 vagy hasonló számú kötetben a történet egy bizonyos pontig azonos szálon fut, azután 10^500 különböző ágra szakad, amikor egy 250 jegyű számot törzstényezőire akarunk bontani, azután, amikor feljegyeztük a számítás eredményét, a történetek ismét azonosakká válnak. Csak az számít, hogy az összes kötetben a megfelelő sorrendben olvassuk az oldalakat, az teljesen mindegy, hogy magukat a köteteket milyen sorrendben vesszük kézbe.

A könyvben nem nehéz a megfelelő sorrendben olvasni az oldalakat, hiszen azokat megszámozzák. Még ha a kötés tönkremegy, és egyes lapok kihullanak a könyvből, akkor is egyszerűen megtaláljuk ezeknek a helyét. Tulajdonképpen még akkor is el tudnánk olvasni a lapokat a megfelelő sorrendben, ha egyáltalán nem lennének bekötve, hanem csak egy kupacban ott hevernének a földön. Ha a multiverzum könyvtárának összes kötete csak odadobált lapok sokaságából állna, de minden lapon lenne egy szám, amelyik megmutatja, hogy az illető lap melyik kötethez tartozik, és egy másik szám, amelyik azt jelezné, hogy az adott kötet hányadik oldalát tartjuk a kezünkben, akkor hiába lenne az egész halom papír összekeveredve, mégis el tudnánk olvasni a történeteket. Ezek teljes mértékben valóságosak lennének. Még jobb, ha azt is feltételezzük, hogy minden egyes oldal elején rövid bevezetőt találunk, amelyik összefoglalja az addig történteket. Ez az összefoglaló nagyon pontosan beszámolna arról, mi történt a közvetlenül megelőző oldalon, majd fokozatosan egyre homályosabb képet adna az egyre korábbi oldalakon történtekről. Véletlenszerűen kiválasztva egy tetszés szerinti oldalt a kupacból, láthatnánk, melyik „történethez” tartozik, megismernénk a cselekmény addigi menetét és részletes beszámolót kapnánk arról, mi történik éppen most.

Ha minden könyv minden egyes oldala az idő egy pillanatának felel meg, akkor ez pontosan megfelel a saját univerzumunkról alkotott hétköznapi tapasztalatainknak. Léteznek a múltra vonatkozó feljegyzéseink, fizikai formában és emlékeinkben egyaránt, amelyek legrészletesebben a közelmúlt eseményeiről tudósítanak, majd egyre kevésbé részletesen a távolabbi múltról, emellett világos és részletes „képünk” van arról, ami most történik. Az a benyomásunk, mintha az idő „örökké hömpölygő áramlásként” folyna tova, de amit ismerünk, az csupán a jelen pillanat és a múltról szóló emlékeink - az összefoglalók. Valóban olyan nagyon különbözik ez a helyzet attól, amikor egy lebilincselően izgalmas könyvet olvasunk, amelyben percről percre szinte együtt élünk át mindent a szereplőkkel, ahogy lapozunk a könyvben? Azt hiszem, ez azt jelenti, hogy a megszámozott papírlapok összedobált kupaca a könyvtár padlóján nem puszta hasonlat, hanem hiteles bepillantás a multiverzum természetébe.

Elismerem, hogy az ötlet nem teljesen tőlem származik. Először 1966-ban találkoztam valami hasonlóval, amikor elolvastam Fred Hoyle October the First is Too Late című tudományos-fantasztikus regényét. A könyvben Hoyle az idő összekeveredését ábrázolja, a Föld különböző helyein ugyanakkor eltérő időt tapasztalnak. Amint a történetben szereplő egyik tudós elmagyarázza: „Hawaiiban 1966 augusztus közepe van, Nagy-Britanniában 1966. szeptember 19-e, az amerikai kontinensen sejtésem szerint valamikor 1750 előtt járhatnak, Franciaországban viszont 1917. szeptember vége van.” Hoyle az olvasónak szóló jegyzetében megemlíti, hogy bár az írás csupán a képzelet szüleménye, „az idő jelentőségének és a tudatosság jelentésének a tárgyalását teljesen komolyan kell venni”. Szerencsés voltam, hogy közvetlenül is meggyőződhettem arról, mit értett ezen, amikor Cambridge-ben egyetemi hallgatóként az Elméleti Csillagászati Intézet diákja lettem, amely intézetnek akkor Fred Hoyle volt az igazgatója, és személyesen kérdezhettem meg őt erről a könyvről. Mit mondott tehát ebben az írásában Hoyle az idő természetéről?

Mikor történik meg mindez?

Hoyle könyvében az író szavait tolmácsoló tudós, aki azt mondja el, amit Hoyle nekem személyesen is megerősített, a valóság természetével foglalkozó fizikus. Először a relativitáselmélet téridejének fogalmaival írja le a világot. „Tekintsük a Föld mozgását a Nap körül - mondja - ez a négydimenziós téridőben spirális pályának felel meg. Nem vitás, hogy kijelölhetünk egy kitüntetett pontot a spirálon, és kijelenthetjük, hogy az a pont felel meg a jelennek.” Ezt általában a valóság „tömbuniverzum” modelljeként ismerjük, amelynek értelmében az idő minden pillanata a téridő ugyanolyan pontjaként létezik, mint ahogyan a tér pontjai - eszerint az 1452. vagy a 3173. év éppen olyan valóságos, mint a mai nap, bár az előbbiekről nincs közvetlen tapasztalásunk. Hasonlóképpen, New York vagy Mumbai ugyanolyan valóságosak, mint London, még abban az esetben is, ha történetesen éppen Londonban lakunk. Tulajdonképpen a tömbuniverzum a relativitáselmélet egyetlen olyan értelmezése, amelyiknek értelme van, bár a relativitáselmélettel foglalkozó fizikusok közül sokan szeretik figyelmen kívül hagyni ezt a körülményt.

Ezután Hoyle leír egy hasonlatot, amelyben azok a kis, galambdúcszerű osztályozórekeszek szerepelnek, amelyeket a postán a folyamat gépesítése előtt a levelek csoportosítására használtak. Képzeljük el ezeknek a megszámozott és sorba rendezett postai rekeszeknek a végtelen sorozatát! Minden egyes postaláda valamilyen információt tartalmaz, akár papírra nyomtatva, akár számítógépben tárolva, amely leírja a sorozat más rekeszeinek a tartalmát. A kisebb sorszámot viselő rekeszek tartalmára vonatkozó információ meglehetősen pontos, míg a nagyobb sorszámú postaládák tartalmáról csak bizonytalan és néha ellentmondásos információk jelennek meg:

Az általunk éppen most vizsgált rekeszt jelennek nevezzük.

Az ennél alacsonyabb sorszámú rekeszeket, amelyek tartalmáról lényegében helytálló kijelentéseket találunk, múltnak nevezzük.

A későbbi rekeszek, amelyek tartalmáról aligha mondhatunk túl sok biztosat, képviselik a jövőt ... a tényleges világ nagyon hasonló ehhez a képhez. Csak annyi a különbség, hogy galambdúcok, postaládák vagy rekeszek helyett állapotokról beszélünk.

Az „állapotok” szó használatával Hoyle becsempészi a kvantumelmélet gondolatvilágát, bár gondosan ügyel arra, hogy olvasóit ne riassza el az elmélet nevén nevezésével. Egyszerűen annyit mond csak, hogy létezik egy nagyszámú állapotba osztályozás, amelyek közül bármelyiknek a kiválasztása alkotja a jelent. Ezután arról ír, hogy a rekeszek fölött egy fénysugár táncol véletlenszerű összevisszaságban, először egy bizonyos rekeszt világít meg, majd egy másikat, tetszés szerinti sorrendben. Ha a fénysugár „bekapcsol” valamilyen tudatosságot, akkor ez a tudat ugyanolyan módon fogja ismerni a múltat és a jelent, mint mi, ugyanakkor megtapasztalja az idő állandó folyását.

Most képzeljük el a postaládák két, egymástól független rendszerét! Ugyanaz a fénysugár az előbb említett, véletlenszerű módon mindkét csoport rekeszeit megvilágítja, de nemcsak az azonos csoportba tartozó rekeszek között teremt kapcsolatot, hanem a másik rendszerbe tartozó rekeszekkel is. A történet céljai érdekében Hoyle azt is kijelenti, hogy a postaládák minden egyes rendszere különböző emberi tudásnak felel meg: „a rekeszek egyik csoportja az, amelyet Ön Önnek nevez, a másik csoportja az, amelyeket én énnek nevezek.” Ami azonban az általam ebben a könyvben leírt világképet illeti, a rekeszek egyik sorozata az egyik univerzumnak, a másik sorozata egy másik univerzumnak felei meg. A multiverzumban a rekeszek végtelen számú sorozatát kell elképzelnünk, és nem kellene azzal törődnünk, hogy a táncoló fényfolt bármit is bekapcsoljon. Minden egyes kvantumállapot olyan, amilyen, önmagában teljes, a múltra vonatkozó pontos emlékeivel és a jövőt illető, bizonytalan extrapolációival együtt.

Hoyle könyvének alapötlete az, hogy a különböző időpontoknak egyformán valószínű kvantumállapotok felelnek meg. Bár tudományos munkája keretében ő maga soha nem dolgozta ki részletesen ezt az ötletet, más kutatók viszont megtették azt, mindenekelőtt David Deutsch és egy másik oxfordi fizikus, Julian Barbour. Deutsch volt az, aki a következő, emlékezetes kijelentésben tömören összefoglalta ezeket az elképzeléseket: „a más időpontok nem egyebek, mint a más univerzumok speciális esetei”, bár a „speciális” minősítésre talán nincs is igazán szükség.

A legjobb módszer, hogy megértsük az elképzelésnek ezeket a modern változatait, ha Hoyle-hoz hasonlóan mi is a tömbuniverzum modellből indulunk ki. Az elnevezés onnan ered, hogy az univerzumot négydimenziós „tömbként” képzelhetjük el, akár egy tortát. Semmi sem mozog a téridőn belül, ehelyett az egyes pillanatokra a téglatest alakú tortából vágott szeletekként gondolhatunk. Ha az idődimenziót a sütemény egyik oldalával párhuzamos irány jelöli, akkor az álló megfigyelő által észlelt képnek a torta időtengelyre merőleges irányban vágott szeletei felelnek meg. Úgy gondoljuk, hogy a mozgó megfigyelők más képet látnak, mert az általuk észlelt kép a téridő tortából az időtengellyel a merőlegestől eltérő szöget bezáró irányokban vágott szeleteknek felel meg, ahol a szög nagysága a megfigyelő sebességétől függ. Mindez megfelel az Einstein-egyenletek arra vonatkozó leírásának, hogy miként befolyásolja a megfigyelő mozgása az univerzumról alkotott képet, ahol a mozgó órák járása lelassul, a mozgó tárgyak pedig mozgásuk irányában megrövidülnek, azzal a fontos kikötéssel, hogy az oknak mindig meg kell előznie az általa kiváltott okozatot. Nem vághatunk például a téridőből olyan szeletet, amelyikben az észlelő azt tapasztalná, hogy a fénysugár előbb tölti be a szobát, mint ahogy valaki felkapcsolná a lámpát.

Legegyszerűbb formájában a tömbuniverzum modellje kiiktatni látszik a szabad akarat lehetőségét, mert a jövő mindig ugyanolyan stabilan rögzített, mint a múlt - ám, amint látni fogjuk, a kvantumfizika változtat ezen a képen. Ezt egy pillanatra félretéve, a téridő minden szelete tartalmazza a múlt egy történetét, akárcsak Hoyle postaládás analógiájában. Deutsch megmutatta, hogy ha a téridőt nagyon vékony szeletekre vágnánk, majd a szeleteket összekevernénk, mint a kártyalapokat, és a lapokat az összekevert sorrendben összeragasztanánk, akkor a téridő lakói nem vennék észre a különbséget. Ez az összekevert kártyapakli pontosan olyan, mint a korábbi hasonlat kozmikus könyvtára. Akármikor, akármelyik lapját olvassuk vagy éljük át, tudomást szerzünk mindazokról a lapokról vagy szeletekről, amelyeket múltnak nevezünk, de nem szerzünk tudomást azokról az oldalakról vagy szeletekről, amelyek a jövőt alkotják. Deutsch ezeket a szeleteket a téridőről készített pillanatfelvételeknek nevezi, és kijelenti:

A pillanatfelvételek bármelyike, a fizika törvényeivel együtt, nemcsak az összes többiek mibenlétét határozza meg, hanem azok időbeli rendjét is, valamint saját helyét a sorozatban. Más szavakkal, minden egyes pillanatfelvétel a fizikai tartalmában kódolva hordoz egy „időbélyeget”.

Barbour másképpen írja le a pillanatfelvételek gyűjteményét - szerinte egyáltalán nem szükséges azokat összeragasztani, és így létrehozni a téridő egy új tömbjét; elég, ha a pillanatok összekuszált halmaza egy általa „halomnak” nevezett rakást alkotna.

Tegyük most ehhez hozzá a multiverzum koncepcióját. Ha a multiverzum csupán a téridő tömbjeinek sokasága lenne, amely tömböket egymás mellé és egymás tetejére rakva halmozzuk fel, akkor a párhuzamos univerzumok elképzelését kapjuk. Ha viszont minden egyes univerzum a pillanatok kusza halmaza, akkor a multiverzum is a pillanatok kusza halmaza, egy nagyobb halom, amelyet az összes lehetséges univerzum összes lehetséges állapota együttesen alkot. Kívülről (nem is beszélve arról, hogy nem létezik a kint!) semmilyen módszerrel nem lehet eldönteni, hogy melyik univerzum melyik pillanatfelvételnek felel meg, mint ahogy azt sem lehet megmondani, melyik időpont felel meg az egyes pillanatfelvételeknek. Ezért jelenti ki Deutsch azt, hogy a más időpontok csak a más univerzumok speciális esetei (és ezért teszem hozzá azt, hogy nincs is ebben semmi speciális). Minden lehetséges kvantumállapot létezik, és ezek az összes lehetséges univerzum összes lehetséges időbeli pillanatának felelnek meg.

Továbbá a kvantumfizikai kép visszaadja a szabad akarat lehetőségét. Ha a téridő befagyott tömbje csak egyetlen univerzumot tartalmaz, akkor nincs szabad akaratunk. Ha viszont minden lehetséges jövő létezik, akkor ténylegesen és valóságosan választhatunk a jövők közül. Bármi megtörténhet, ami csak lehetséges, ám a mi döntésünkön múlik annak meghatározása, hogy a lehetséges jövők közül melyiket fogjuk átélni. Amikor a Schrödinger macskája nyomában című könyvemet írtam, akkor a kvantumfizika lényegét egy John Lennontól vett idézettel összegeztem: „semmi sem valóságos”. Az elmúlt 25 év alatt megtanultak alapján azonban ezt ma már saját ízlésem szerint módosítanám, ezért Deutsch és Barbour véleményét osztva azt mondanám, hogy minden valóságos. Ha azonban a más időpontok ugyanolyan valóságosak, mint a más helyek, és a más helyekre elutazhatunk, akkor miért ne utazhatnánk el más időkbe is?

Időcsúszások

A tér és az idő rendelkezésünkre álló legjobb leírását az általános relativitáselmélet adja. Az elmélet eddig az ellenőrzés minden próbáját kiállta, pontosan leírja az anyag jelenlétében torzult téridő viselkedését még az olyan szélsőséges helyzetekben is, mint két egymás körül keringő neutroncsillag, amelyek spirális pályán egymás felé közelednek, mert gravitációs sugárzás formájában energiát veszítenek, és az olyan kifinomultan bonyolult esetekben, mint a Föld körül keringő műhold fedélzetén a súlytalanságban pörgő giroszkóp alig kimutatható imbolygása. Az általános relativitáselmélet legfigyelemreméltóbb vonása, hogy megengedi az időutazás lehetőségét. Az időről alkotott jelenlegi felfogásunk szerint semmi sincs, ami lehetetlenné tenné egy utazó számára, hogy a téridőben olyan útvonalat kövessen, amelyiken térben és időben egyaránt ugyanabba a pontba jut vissza, ahonnan elindult. Márpedig ez azt jelenti, hogy az utazás egy részét az időben visszafelé történő utazás alkotja. (Az általános relativitáselmélet azt is állítja, hogy lehetetlen az időben az időgép feltalálásánál korábbi pillanatba visszautazni, ami megmagyarázza, miért nem találkozunk lépten-nyomon a jövőből érkező látogatókkal.)

Természetesen rendkívül bonyolult lenne olyan időgépet építeni, amelyik képes elvinni bennünket egy ilyen utazásra, az ehhez szükséges technológia messze túl van napjaink lehetőségein. A lényeg azonban az, hogy a dolog nem lehetetlen. A részleteket másutt már tárgyaltam, ehelyütt csak az időutazásnak arra a következményeire szeretnék koncentrálni, amelyek a multiverzum megértését segítik. Ezek az időgép egy speciális fajtájának, az úgynevezett féreglyuknak a létezésével állnak kapcsolatban. Ez esetben elkerülhetetlen, hogy az időnek a múlt irányából a jövő felé történő folyásával kapcsolatban a mindennapi tapasztalatainknak megfelelő nyelvezetet használjunk. Mindamellett, a téridőben haladó útvonalakat, amelyeket be fogok mutatni, valóban olyanoknak kell elképzelni, amilyenek, vagyis a multiverzumon belül a különböző kvantumállapotokat összekötő útvonalaknak, nem pedig ezen útvonalak mentén végrehajtott tényleges utazásoknak.

A kvantumfizika rejtélyének lényegét a kétréses kísérlet tartalmazza. A kísérlet időutazásos változatában két lyukat találunk, amelyek azonban egy féreglyuk, vagyis egy a téren és időn keresztül futó alagút átellenes végeit alkotják. A fizika ismert törvényei szerint egy technológiailag kellően fejlett civilizáció megfelelő műveleteket tud végrehajtani fekete lyukakkal, így a téridőben létre tudnak hozni egy olyan féreglyukat, amelyiknek a két „szája” a térben egymáshoz nagyon közel esik, ám az egyik a másikhoz képest a múltban helyezkedik el. Ugyanakkor az is lehetséges, hogy ilyen féreglyukak esetleg a természetben is léteznek, csak fel kellene fedezni őket. Sajnos űrhajózásunk technológiája éppoly alkalmatlan arra, hogy megtaláljunk egy természetes féreglyukat, mint ahogyan az egyéb technológiánk alkalmatlan egy ilyennek az építésére. Ha azonban lenne egy ilyen féreglyukunk - akár természetes, akár mesterséges -, akkor lehetséges lenne úgy beküldeni egy próbatestet az egyik lyukba, hogy az a másikból az előtt lépjen ki, mielőtt belép abba, amelyikből elindul.

Minthogy ez csak egy elképzelt kísérlet, a következményeit akár kényelmesen kis léptékben is áttekinthetjük, ahol a féreglyuk csak ahhoz elég nagy, hogy egy csapágygolyót át lehessen küldeni rajta, így akár laboratóriumban is vizsgálhatjuk az eseményeket. Ez az egyszerű példa is elég ahhoz, hogy rávilágítson az időutazás filozófiai problémájára - az úgynevezett paradoxonok lehetőségére. Mi történik akkor, ha a csapágygolyó pontosan úgy hagyja el a féreglyuk múltbeli száját, hogy összeütközik korábbi önmagával, ezért a korábbi önmaga irányt változtat, és soha nem lép be a féreglyukba? Akkor nem tud úgy kilépni belőle, hogy ezt az irányváltoztatást előidézze, ezért a golyó mégiscsak belép a féreglyukba, és mégis el kell térülnie... és így tovább. Lehetségesek olyan pályák is, amelyeken a féreglyuk múltbeli száján kilépő golyó éppen megfelelően találja el múltbeli önmagát ahhoz, hogy az belépjen a lyuk jövőbeli száján, miáltal egy önmagában ellentmondásmentes hurok alakul ki. A kölcsönhatás után a golyónak a múltbeli szájon kilépő változata a fizika általános törvényeinek megfelelően mozog tovább. Egyes kutatók, például az amerikai Kip Thorne és az orosz Igor Novikov matematikai módszerekkel bebizonyították, hogy minden efféle paradox lehetőség mellett a feladványnak mindig végtelen számú, ellentmondásmentes „megoldása” létezik.

Ezután azt is megmagyarázták, mit látnánk a kvantumfizika sokvilág-értelmezésének szemszögéből nézve, ha egy valódi golyó találkozna egy ehhez hasonló, valódi féreglyukkal. Távolról lehetetlen pontosan megmondani, melyik útvonalat követi a golyó a féreglyukon belül. Csupán annyit látunk, hogy a golyó megközelíti a két lyukat, valamilyen módon kölcsönhat velük, majd elhagyja a két lyuk környékét. Kiderül, hogy egy foton vagy egy elektron pontosan ugyanígy viselkedik a kétréses kísérletben. Megközelíti a két rést, valahogyan kölcsönhat azokkal, majd felbukkan a másik oldalon. Thorne és munkatársai szerint a történtek egyetlen működőképes magyarázata, hogy a golyó számára lehetséges útvonalak interferálnak egymással, aminek eredményeképpen olyan helyzet áll elő, amelyik egyetlen végállapotnak látszik. Novikov és munkatársai bebizonyították, hogy csak az egyenletek ellentmondásmentes megoldásai tesznek eleget a kvantumfizika szabályainak. A paradoxonra vezető útvonalak az interferencia eredményeképpen kioltódnak. Deutsch szóhasználatával, az összes univerzum azonos egymással, mindaddig, amíg be nem következik az időutazás kölcsönhatása. Abban a pillanatban viszont a különböző univerzumokban érvényes történelmek kezdenek eltérni egymástól. A kölcsönhatás másik oldalán a történetek már ismét azonosak, és mindig ellentmondásmentes történetet mondanak el. Vagy talán az univerzumok nem mind azonosak az időutazásos kísérlet másik oldalán; talán ez tényleg megjelöl egy olyan pontot a multiverzumban, ahol a történelmek útjai szétválnak, de a történetek mégis ellentmondásmentesek maradnak.

A sokvilág-értelmezés arra is magyarázatot ad, hogyan tudjuk elkerülni a paradoxonokat, ha az időutazás léptékét felnagyítjuk a csapágygolyó méretéről az emberi lények mérettartományába. A feltételezett paradoxonok számos tudományos-fantasztikus műből jól ismertek. Tételezzük fel, hogy építek egy időgépet, visszamegyek a múltba, és megakadályozom, hogy a szüleim megismerjék egymást. Ebben az esetben soha nem születnék meg, így nem is tudnám a múltba visszamenve megakadályozni szüleim találkozását, és így tovább. Figyelmen kívül hagyva most azt a körülményt, hogy az időgéppel nem lehet az időgép megépítésénél korábbi időpontba visszamenni (talán találtam egy időgépet, amelyiket az ezer évvel ezelőtt itt járt földönkívüliek felejtettek itt), a rejtély a multiverzumban egyszerűen megoldható. Valóban visszautazom a múltba, és valóban megakadályozom, hogy a szüleim találkozzanak - ez azonban egy másik univerzumban történik. Abban a világban, ahonnan én érkeztem, a szüleim találkoznak egymással, és én megszületek. A sci-fi írók az ilyen ötleteket néha úgy használják fel, hogy az univerzumot sokágú faként mutatják be, azt sugallva, mintha az időutazás „a fa törzsén lefelé csúszást” jelentene, az időutazó jelenléte a múltban pedig minden alkalommal azt eredményezi, hogy a történelem egy új ága indul ki a fa törzséből. Amint azonban korábban hangsúlyoztam, nincs törzs és nincsenek „új” ágak. Csak különböző univerzumok és különböző történelmek vannak.

Tételezzük fel, hogy visszautazom 1066-ba, és az angolszászok oldalán titokban részt veszek a hastingsi csatában, miáltal elérem, hogy a normannok veszítsék el a csatát. Ez a fordulat egy új történelmet hozna létre, amelyben Anglia valóban angol maradna. Egy ilyen történelem már létezik - sok olyan univerzumnak kell léteznie, amelyikben Hódító Vilmos vereséget szenved Hastingsnél. Valójában oly sok körülmény szólt Vilmos ellen, hogy szinte már csábító arra gondolni, hogy a mi univerzumunkban éppen ő volt az, aki segítséget kapott egy baráti időutazótól. Ha létezik egy időgép vagy féreglyuk, amelyik elég öreg ahhoz, hogy a gyakorlatban is végre lehessen hajtani ezt az utazást, akkor valóban létezik a történelemnek egy olyan változata, ahol egy a miénkhez nagyon hasonló univerzumban egy időutazó (de valószínűleg nem én) valóban „visszautazik az időben” a multiverzumnak addig a kvantumállapotáig, amelyik azon történelmek egyikének felel meg, amelyekben az angolszászok diadalmaskodtak. Másrészt, a jövőből minket meglátogató időutazó nem a mi jövőnkből, bár minden bizonnyal egy olyan univerzumból érkezne, amelyiknek a jövője nagyon hasonló a miénkhez. Az utazó időben figyelmeztethetne a bennünket fenyegető katasztrófákra, így elkerülhetnénk azokat, annak ellenére, hogy az utazó „otthonát” jelentő univerzumban ezek a katasztrófák már be is következtek. Ezáltal azonban valójában semmi sem változik, a multiverzum összképe változatlan marad, a különböző útvonalak pedig továbbra is különböző állapotokat kötnek össze egymással. Ezúttal is Deutsch foglalja össze a helyzetet a legtalálóbban:

A múltba irányuló időutazás elkerülhetetlenül olyan folyamat lenne, amelyet több, egymással kölcsönható és kölcsönösen ösz-szekapcsolt univerzumban kell elindítani. Ebben a folyamatban a résztvevők általában az egyik univerzumból valamelyik másikba utaznának még akkor is, amikor az időben utaznak.

Tágabb látóhatárok

Egy bizonyos értelemben azonban még Deutsch látóhatára is túlságosan korlátozott. A multiverzum általa alkotott képében nem léteznek olyan univerzumok, amelyekben a 2. fejezetben tárgyalt módon „véletlen egybeeséseket” mutató paraméterek értékei különböznének ugyanezen paramétereknek a mi univerzumunkban tapasztalható értékeitől. Ez elég ésszerűen hangzik, amikor a kvantumszámítógépekről és az időutazásról beszélünk. A világok közötti interferenciának az a fajtája, amelyet az efféle dolgok működése megkövetel, csak az univerzum olyan másolatai között jöhet létre, amelyek elegendően hasonlóak egymáshoz. E hasonlóság feltételei közé természetesen beletartozik, hogy a szóban forgó számok, például a szénatommag energiaszintjei vagy a gravitáció erőssége ugyanolyan értékeket vegyenek fel. Szélesebb távlatban azonban - abban az értelemben, amikor távolabbra tekintünk a multiverzumban, bár a könyvtárhasonlat világossá teszi, hogy ha a kvantumfizika is szerephez jut, akkor nem ez a legmegfelelőbb tárgyalás-módja a dolgoknak - az univerzumok végtelen változatosságát képzelhetjük el, amelyekben a fizikai állandók különböző értékeket vesznek fel. Ennek a végtelen multiverzumnak minden egyes részrendszerében (az olyan univerzumok összességében, amelyekben ezeknek az állandóknak azonos az értékük), a Deutsch, Barbour és mások által elmondottak a valóság megfelelő leírását adják. És ezen részrendszerek mindegyike önmagában is végtelen lehet. Mindez egy nyilvánvaló kérdést vet fel. Ha az univerzumoknak csak azokra a végtelen részcsoportjaira szorítkozunk, amelyekben az egyik univerzum nagyon hasonló a magunk körül látotthoz, és fejlődése mintegy 14 milliárd évvel ezelőtt egy ősrobbanásból indult ki, akkor miként fordulhatna elő, hogy a 2. fejezetben tárgyalt paraméterek mégis eltérőeknek bizonyulnak? Minthogy senki sem tudja pontosan, mi történt akkor, amikor ezek a paraméterértékek „beállítódtak” a mi univerzumunkban, ezért számos lehetőség kínálkozik a magyarázatra. Lehet, hogy e magyarázatok valamelyike helyes - vagy, tekintettel a multiverzum természetére, akár mindegyik helyes lehet. Lehet, hogy mindegyik magyarázat hibás, de a kozmikus koincidenciákra mégis ezek adják a legjobb magyarázatot, ezért mindenképpen érdemes egy pillantást vetni rájuk. Első lépésként a legegyszerűbb, legrégebbi, de talán a legkevésbé kielégítő lehetőséget fogom bemutatni - nekifutunk tehát még egyszer a végtelen kérdésének.

4. Minden irányban végtelen

A Világegyetem végtelenségének gondolatával immár több mint négyszáz éve foglalkoznak a tudósok. Mint már említettem, Thomas Digges vetette fel elsőként egyik tudományos dolgozatában, hogy a Világegyetem esetleg végtelen lehet. Digges apja, Leonard volt az, aki valamikor az 1550-es évek elején feltalálta a teodolitot, amelyet földmérői munkájában és csillagászati távcsőként egyaránt használt, ám találmányát polgári és katonai geodéziai jelentősége miatt hosszú időn keresztül titokban tartották. Thomas Digges a tudomány művelésében apja nyomdokain haladt, a végtelenről szóló gondolatai először 1576-ban jelentek meg egy olyan könyv átdolgozott és kibővített változatához illesztett függelékként, amelyet eredetileg még 1559-ban elhunyt apja írt. Digges kijelentette, hogy térbeli kiterjedését tekintve a Világegyetem végtelen. Az ő szavaival: „az állócsillagok körpályái felfelé a végtelenségig terjednek, szferikusan” a Nap körül.

Bár abban az időben az elképzelést nem méltatták különösebb figyelemre, mégis alapvető változást jelentett a Világegyetemről alkotott ókori felfogáshoz képest. A görög filozófusok például érthető okokból nem tudtak megbarátkozni a térbeli végtelenség gondolatával. A végtelen ugyanis nem csupán egy nagyon nagy (vagy nagyon kicsi) szám, nem gondolhatunk rá úgy, mint a legnagyobb (vagy legkisebb) szám, amit el tudunk képzelni, meg még egy kicsi - a végtelen valami minőségileg teljesen más dolog. A végtelen furcsaságának érzékeléséhez képzeljük el először a pozitív egész számokat - 1, 2, 3, 4, 5 és így tovább. Ezek egy matematikai halmazt alkotnak, amelynek elemei minden határon túl folytathatóak, vagyis ez egy végtelen halmaz. Bármely számra gondolunk, mindig létezik egy nála nagyobb szám, amelyet például úgy kapunk meg, hogy 1-et hozzáadunk az előzőhöz. Gondoljunk most csak a páros számokra: 2, 4, 6, 8 és így tovább. Első pillanatban úgy tűnik, mintha ez a halmaz kevesebb tagból állna, mint az előző, hiszen abból elhagytuk a páratlan számokat. Vajon valóban fele annyi számot tartalmaz ez a halmaz, mint az előző? Ám a második halmaz minden egyes tagját megkaphatjuk, ha az első halmazba tartozó egész számok mindegyikét megkétszerezzük. Így tehát az első halmaz minden egyes tagja párba állítható a második halmaz neki megfelelő tagjával: az 1-nek a 2, a 2-nek a 4, a 3-nak a 6 lesz a párja és így tovább. Így okoskodva úgy tűnik, mintha mindkét halmaznak ugyanannyi tagja lenne, hiszen az első halmaz minden tagjának megvan a maga párja a második halmazban. Van tehát két végtelen halmazunk, az egyik teljes egészében magában foglalja a másikat, mégis mind a kettő ugyanakkora!

Térbeli fogalmainkkal összhangban, egy végtelen univerzumban nemcsak minden lehetséges dolog megtörténhet, hanem végtelen számú végtelen univerzum lehet jelen, amelyek mindegyikében minden lehetséges dolog végtelen sokszor megtörténhet. Nem csoda, hogy az ókori filozófusok visszariadtak a fogalomtól, és szívesebben képzelték végesnek és az állócsillagok szférája által határoknak a Világegyetemet. Arisztotelész például a matematikában szívesen foglalkozott a végtelen fogalmával, a Fizika című könyvében azonban határozottan leszögezte, hogy „nem létezik tényleges végtelen”. Másrészt viszont a filozófusok, mint például Arisztotelész is, nem örültek annak a lehetőségnek, hogy a Világegyetem történetének esetleg időben határozott kezdőpontja lehetett, és ugyanígy, vége is lehet. Ezért a Világegyetem időbeli kiterjedését illetően inkább hajlottak a végtelen időtartamú létezés elképzelésének elfogadása felé. Ez szinte pontosan az ellentéte a látható Világegyetemről alkotott, ma elfogadott kozmológiai képünknek. Napjainkban a kozmológusok szívesebben fogadják a Világegyetem térbeli végtelenségének a gondolatát, standard modelljük értelmében azonban a Világegyetem története időben egy határozott pillanatban, a 13,7 milliárd évvel ezelőtt bekövetkezett Ősrobbanással kezdődött. Ha azonban a mi Világegyetemünk a multiverzum egyik alkotóeleme, akkor maga a multiverzum minden irányban végtelen lehet - térben és időben egyaránt.

A csillagász James Jeans 1930-ban A rejtelmes világegyetem (The Mysterious Universe) című könyvében így fogalmazott: Ha az univerzum elég hosszú ideig fennmarad, akkor az idő múlásával minden elképzelhető esemény megtörténhet. Ez a bizonyos mértékig magától értetődő kijelentés szigorú tudományos alapokra helyezhető, ha egy pillantást vetünk arra, mit értünk az időn, és miként függ össze az idő múlásáról alkotott képünk a magunk körül látott Világegyetem tágulásának rendezett természetével.

Az idő iránya

A rend és az idő közötti kapcsolat a hétköznapi életben is nyilvánvaló. Klasszikus példa erre a jégkocka megolvadása egy pohár vízben. Mielőtt a jég elolvad, a pohár tartalma rendezett állapotban van, a jég és a víz elkülönül egymástól. A helyzet pontos - akár szóbeli, akár matematikai - leírásához bizonyos mennyiségű információra van szükségünk. Miután a jég megolvad, kisebb lesz a rendezettség - ami kevesebb információt és kisebb komplexitást jelent. Semmi egyebünk nincs, csak egy egyszerű folyadék. A helyzet leírásához kevesebb szóra vagy egyszerűbb egyenletekre van szükség. Az „egy pohár víz” leírás lép „az egy pohár víz benne egy jégkockával” helyére.

Amit ebben az értelemben a „rend” fogalmán értünk, az az entrópia sokkal pontosabb tudományos fogalmával áll kapcsolatban olyan értelemben, hogy a csökkenő rendezettség növekvő entrópiának felel meg. A magukra hagyott, a külvilág által egyáltalán nem befolyásolt rendszerek, például a pohár vízbe tett jégkocka, mindig olyan értelemben változnak, hogy entrópiájuk növekedjék, miközben komplexitásuk csökken. A „magára hagyott” kikötés azonban döntő jelentőségű, mert ez a szabály szigorú értelemben csak az úgynevezett zárt rendszerekre alkalmazható. A földi élet komplexitása nyilvánvaló példa egy olyan rendszerre, amelyben az idő múlásával csökkent az entrópia, de ez csak azért lehetséges, mert a földi élet egy külső energiaforrásból - a Napból - energiát nyer. A Naprendszer egészének entrópiája viszont valóban növekedett azon néhány milliárd év alatt, amíg a földi élet a fejlődése során elérte jelenlegi komplexitását.

Az idő azért jut szerephez a történetben, mert mindannyiunkban világos kép él arról, milyen irányban látszik múlni az idő. Kezdetben van egy pohár vizünk egy jégkockával, a végén pedig egy poharunk, amelyikben csak víz van. Soha nem tapasztaljuk, hogy egy pohár vízben lévő molekulákból spontán módon kialakulna egy jégkocka. Az entrópia növekedésének a törvényét (a termodinamika második főtételét) úgy is kifejezhetjük, hogy a hő mindig a melegebb test felől a hidegebb felé áramlik, sohasem ellenkező irányban. Egyértelműen különbséget tudunk tenni a múlt és a jövő között. Emlékeztetünk azonban arra, hogy az idő irányának érzékelése nem jelenti szükségszerűen azt, hogy az idő múlásának van iránya. Minden kétséget kizáróan van azonban az időnek olyan iránya, amelyik az alacsonyabb entrópiájú állapottól a magasabb entrópiájú felé mutat, ez azonban nem jelenti azt, hogy az idő a növekvő entrópia irányába mozogna. (Az idő iránya kifejezést a fizikus Arthur Eddington vezette be 1928-ban, The Nature of the Physical World (A fizikai világ természete) című könyvében.) Hasonló ez ahhoz, ahogy az iránytű mágnestűjének is van iránya, kötelességtudóan mindig észak felé mutat, bár maga az iránytű nem mozdul el a helyéről. Az entrópia mint az idő irányát jelző fizikai mennyiség alkalmazásában semmi sincs, ami ellentmondana az idő természetéről a 3. fejezetben leírtaknak.

Van azonban még egy kapaszkodónk az idő irányának megállapításához, legalábbis a multiverzum általunk ismert részében, amelyet maga a Világegyetem szolgáltat. A múlt az Ősrobbanás irányában van, a jövő pedig az az irány, amerre tekintve a Világegyetemet egyre nagyobbnak látjuk. Ez döntő jelentőségű annak megértése szempontjából, hogy miért érzékeljük a mi Világegyetemünkben az idő termodinamikai értelemben vett irányát; ugyanakkor az egyszerű termodinamika szerepet kap akkor is, amikor a mi Világegyetemünkhöz hasonló univerzumok létezéséről van szó a multiverzumon belül. Ez azért van így, mert látszólagos ellentmondás van az atomok és molekulák viselkedését irányító egyszerű törvények, illetve a termodinamika második főtétele között - ez a rejtély sokkal súlyosabb volt, mielőtt a csillagászok felfedezték a Világegyetem tágulását, azonban még ma is lényeges. A rejtély lényege, hogy az atomok, a molekulák és az elemi részecskék szintjén nem létezik az idő iránya.

Ezt általában a szobában vagy egy lezárt tartályban összevissza mozgó levegőmolekulák példájával lehet szemléltetni. Hogy a helyzet még egyszerűbb legyen, képzeljünk el egy tartályt, amelyben csak a neon nevű nemesgáz molekulái találhatók. A neon atomjai semmilyen kémiai reakcióra sem hajlandóak, így kizárjuk annak a lehetőségét, hogy az atomok kémiai reakciói megzavarják a fizikai folyamatokat. Az atomok a tartály belsejében összevissza pattognak, egymással és a tartály falaival való sorozatos ütközéseik következtében. Csaknem pontosan úgy viselkednek, mintha parányi golyócskák lennének, apró biliárdgolyók, amelyek a tartály belsejéről visszapattannak. Ellentétben a biliárdasztalon guruló valóságos golyók viselkedésével, az atomok ütközéseiben nem játszik szerepet a súrlódás, így mindaddig, amíg a tartály belsejében változatlan a hőmérséklet és a nyomás, addig az ütközések nyomon követésével nincs mód megállapítani az idő irányát. Két atom egymás felé tart, összeütköznek, visszapattannak -mindez a fizika törvényeinek engedelmeskedve történik. Ám ha megváltoztatjuk az idő irányát, és az ütközésről készített filmet visszafelé játsszuk le, akkor is minden a fizika törvényeinek előírásai szerint történik. Korábbi példánkban, a pohár vízben megolvadó jégkocka esetén a rendszerről készített felvételeket az állapot változása alapján egyértelműen sorba tudtuk rendezni. Ezzel szemben, ha a tartály belsejében lévő gáz állapotáról készítünk sorozatfelvételt, majd a képeket összekeverjük, akkor semmilyen módon nem tudjuk eldönteni, milyen sorrendben készültek a képek. A tartályba zárt atomok viselkedésében nyoma sincs az idő irányának.

Ha meg akarjuk figyelni az idő irányát, akkor olyan rendszert kell választanunk, amelyik nincs egyensúlyi állapotban, vagyis a pohár vízbe tett jégkockával analóg, mert ebben az esetben megfigyelhetjük, amint a rendszer megnyugszik a stabil állapotában.

Képzeljünk el egy tartályt, amelyik egy csúsztatható válaszfallal két részre osztható. A válaszfal egyik oldalán a tartály fele neongázt tartalmaz, a másik feléből viszont amennyire csak tudjuk, kiszivattyúzzuk a gázt. Mindannyian tudjuk, mi történik, ha az elválasztófalat kihúzzuk - a gáz szétterjed az egész tartályban. Ha ezt a folyamatot nézzük meg időben visszafelé lejátszva, akkor ostobaságnak tűnik, amit látunk, hiszen a valóságban soha nem tapasztaljuk, hogy egy gázzal teli tartályban az összes atom hirtelen a tartály egyik felében gyűlik össze, a másik felében vákuumot hagyva maguk után. Úgy tűnik, mintha megtaláltuk volna az idő irányát, egy az atomok és molekulák szintjén működő folyamat esetében. A helyzet azonban nem ilyen egyszerű. Az atomok közötti minden egyes ütközés még akkor is a fizika reverzibilis törvényeinek engedelmeskedik, amikor a gáz kiterjed, hogy betöltse az egész tartályt. Minden egyes ütközés teljes mértékben valósághűnek tűnik akkor is, ha a folyamatról készült filmet visszafelé játsszuk le. Akkor hát hol van az a határ a két atom közötti egyszerű ütközések és a nagyon sok atomból álló gáz kitágulása között, ahol felbukkan az idő iránya?

Az egyszerű válasz szerint nem létezik ilyen határ. Valójában semmi sincs a fizika törvényeiben, ami előírná, hogy nem lehet az összes gáz a tartály egyik felében, a másik felében vákuumot hagyva maga után, mielőtt ismét szétterjed és betölti az egész tartályt, noha egy ilyen esemény rendkívül valószínűtlen. Borzasztóan sok atom van a tartályban, és bármely pillanatban bármelyikük bárhol tartózkodhat, ezért átlagosan egyenletesen oszlanak szét a tartály belsejében. Szakszerűbben fogalmazva, az atomok egyenletes eloszlásának nagyon sok lehetséges állapot felel meg, noha egy kiszemelt atom bárhol tartózkodhat a tartály belsejében. Sokkal kevesebb lehetséges állapot felel meg annak a helyzetnek, amikor az összes atom egyszerre a tartály egyik felében helyezkedik el, ezért olyan valószínűtlen, hogy ezt az állapotot meg tudjuk figyelni. Azonban 1890-ben Henri Poincaré francia fizikus kimutatta, hogy egy tartályba zárt „ideális” gáznak (ahol az ideális azt jelenti, hogy a molekulák ütközései során nincs energiaveszteség) végső soron minden olyan lehetséges állapoton végig kell mennie, amelyek összhangban vannak az energiamegmaradás törvényével. Valamikor tehát a tartályon belül a gázatomok minden lehetséges elrendeződésének elő kell állnia, és ha elég sokáig várunk, akkor azt is megpillanthatjuk, amint az összes atom a tartály egyik végébe megy. Más szavakkal, az atomoknak végső soron vissza kell térniük kiinduló helyzetükbe, vagyis előáll az eredeti helyzet - feltéve, hogy elegendő ideig várunk.

Márpedig ez itt a bökkenő. Statisztikus értelemben az időtartam, amennyi idő múlva az atomok visszatérnek az eredeti állapotba (az ún. Poincaré-féle periódusidő vagy visszatérési idő) az atomok számától függ. Hozzávetőlegesen azt mondhatjuk, hogy a Poincaré-féle visszatérési idő 10N másodperc, ahol N a szóban forgó atomok száma. Ha a tartály csupán 10 atomot tartalmaz, akkor az időtartam 10^10 másodperc, azaz valamivel több mint 300 év lenne. Tekintettel arra, hogy egy kisebb gáztartály mintegy 10^23 atomot tartalmaz, a visszatérési időt másodpercekben úgy kapjuk meg, hogy a 10-et a 10^23-dik hatványra emeljük. Ám a Világegyetem kora (az Ősrobbanás óta eltelt idő) csupán körülbelül 10^17 másodperc. A 17 és a 10^23 (egy 1-es és utána 23 nulla) közötti arány adja meg annak a valószínűségét (vagy inkább a valószínűtlenségét), hogy a Világegyetem eddigi élettartama során egyetlenegyszer láthattuk (volna) a tartály egyik végébe tömörülni az összes neonatomot. Ez a hihetetlenül csekély valószínűség a viszonylag rövid Poincaré-féle visszatérési idővel együtt adja meg a szokványos választ arra a rejtélyre, hogy egy atomi szinten időtlen világban a nagyléptékű folyamatokat vizsgálva miért tűnik úgy, mintha az időnek iránya lenne - eszerint az idő iránya pusztán statisztikai illúzió. Ha elég hosszú ideig tudnánk figyelni egy pohár vizet - a Világegyetem életkorának nagyon sokszorosán át -, akkor egyszer akár az is előfordulhatna, hogy a víz elkezd melegedni, a közepén pedig egy jégkocka képződik. (Vagy ez akár legközelebb is előfordulhat, amikor Ön szemügyre vesz egy pohár vizet, azonban ennek a valószínűsége kevesebb, mint 1 a 10^23-hoz.)

Ez meggyőző magyarázat az idő érzékelt irányára, ha a Világegyetem kora valóban véges, és sokkal rövidebb a tipikus Poincaré-féle visszatérési időnél. Sokkal kevésbé meggyőző azonban az érvelés, ha a multiverzum végtelen korú. Noha ő nem használta a multiverzum kifejezést, mindamellett Ludwig Boltzmann osztrák fizikus az 1890-es évek közepén rámutatott egy súlyos hibára Poincaré érvelésében. Lényegében azt vetette fel, hogy a mi látható Világegyetemünk egy átmeneti, alacsony entrópiájú buborék, amelyik véletlenül bukkant fel egy végtelen, örök és időtlen, nagy entrópiájú világban - vagyis a tartály egyik felébe sűrűsödő gáz kozmikus megfelelője. Ha ez így van, akkor a Világegyetem valóban csupán egyike azoknak a véletlen eseteknek, amelyekre Jeans hivatkozott. Az érvelés kegyvesztett lett, amikor felfedezték a Világegyetem tágulását, és azt, hogy a véges idővel ezelőtt bekövetkezett Ősrobbanásból ered, azonban a multiverzum összefüggésében érdemes ismét komolyan fontolóra vennünk. Az érvelés a maga teljes hatásosságában akkor látható, ha meggondoljuk, milyennek kell lennie a Világegyetem „természetes” állapotának a termodinamika törvényei szerint - ami az 1850-es években már hosszú ideje aggasztotta a természettudósokat.

A Világegyetem hőhalála

A Világegyetem legfurcsább tulajdonsága, hogy a sötét égbolton szétszórva fényes csillagokat tartalmaz. Ezek a csillagok mind buzgón árasztják szét energiájukat a hideg Világegyetembe, összhangban azzal a szabállyal, hogy a hő a forróbb test felől mindig a hidegebb felé áramlik. Ha ez öröktől fogva így lenne, akkor a csillagok közötti tér tele lenne ugyanolyan hőmérsékletű sugárzással, mint amekkora maguknak a csillagoknak a hőmérséklete, és a Világegyetem egyensúlyi állapotban lenne. Másrészt viszont, ha elegendően hosszú ideig várunk, akkor a csillagok kiégnek, és mivel nem tudnak több energiát termelni, ami egy csillag hőmérsékletére fűtené fel a Világegyetemet, a csillagok a hideg környezetükkel termikus egyensúlyban lévő, hideg roncsokként végeznék. Akármelyik eshetőség valósulna meg, nem lenne hőmérséklet-különbség a forró és a hideg helyek között, így nem jöhetne létre a hő áramlása, a Világegyetem termodinamikai egyensúlyban lenne (vagy termikus egyensúlyban, ami lényegében ugyanazt jelenti), és semmi érdekes sem történne.

Amit ma a termodinamika második főtételeként ismerünk, azt Rudolf Clausius német fizikus 1850-ben tette tudományos vita tárgyává. Csaknem mellékesen egyik, abban az évben megjelent cikkében ezt írta: „a hő mindig arra törekszik, hogy kiegyenlítse a hőmérsékletet, ezért a forróbb testekről a hidegebbek felé áramlik.” A következő néhány évben Clausius és más kutatók finomították az elgondolást, és biztos matematikai alapokra helyezték, ettől függetlenül az 1850-ben megjelent cikket tekintik a termodinamika tudománya kezdetének.

Az első tudós, aki ezeket az elképzeléseket összekapcsolta a forró csillagok rejtélyesnek tűnő jelenlétével a hideg Világegyetemben, William Thomson volt, aki Belfastban született, de élete legnagyobb részét Skóciában élte le. Később nemesi címet kapott, és Lord Kelvinként vált ismertté, mind a mai napig ez a neve ismertebb. Számos eredménye között Thomson Clausiustól függetlenül hozzá hasonló következtetésekre jutott; és megalkotta a termodinamika alapelveire épülő, „abszolút” hőmérsékleti skálát, amelyet ma az ő tiszteletére Kelvin-féle hőmérsékleti skálának nevezünk. Thomson 1852-ben On a Universal Tendency in Nature to the Dissipation of Mechanical Energy (Általános törekvés a mechanikai energia elnyelésére a természetben) címmel publikált egy tudományos dolgozatot, amelyben először írta le egy korai változatát annak az elgondolásnak, mely szerint a Világegyetem lemerül. Az ötlet figyelemre méltó érdeklődést és vitát váltott ki a szakemberek körében, Thomson pedig 1862-ben On the age of the Sun’s heat (A Nap hőjének koráról) címmel publikált egy cikket, amelyikben rámutatott, hogy „ha az univerzum véges lenne és a létező fizikai törvényeknek engedelmeskedne”, akkor „ennek következményeképpen elkerülhetetlen lenne az általános nyugalom és halál állapota”. A „hőhalál” (vagy hőmérsékleti halál) kifejezést a Világegyetem ezen végső sorsának jellemzésére két évvel később a német Hermann Helmholtz vezette be. Thomson és Helmholtz egyaránt felismerte, hogy a Világegyetem ily módon történő lemerüléséből az következik, hogy a Világegyetem valamilyen alacsonyabb entrópiájú állapotban van, amit, vélekedésük szerint, valamilyen, a fizika általuk ismert törvényein kívül eső ok hozott létre. Az 1890-es évekre a Világegyetem hőhalálának elképzelése olyan széles körben ismertté vált, hogy még H. G. Wells klasszikus, The Time Machine (AZ időgép) című írásában is szerephez jut. Addigra azonban már Poincaré és Boltzmann is színre lépett.

Minden felfogható véletlen esemény

Boltzmann alapvető hozzájárulása ehhez a vitához a Nature 1895. február 28-i számában jelent meg, az alábbi, meglehetősen semmitmondó címmel: On Certain Questions of the Theory of Gases (A gázok elméletének egyes kérdéseiről). Cikkében megismételte azt a már korábban is hangoztatott álláspontját, miszerint „a termodinamika úgynevezett második főtétele” valójában csak egy valószínűségi kijelentés. Ezután annak a valószínűségét tárgyalja, hogy egy nitrogén és oxigén keverékét tartalmazó dobozban a két gáz magától szétválik, az összes oxigén a doboz egyik felébe, az összes nitrogén a másik felébe kerül. Az általa H-val jelölt mennyiség, amelyet az esemény valószínűségének kifejezésére használt, lényegében az entrópia ellentéte, így „mindig nagyobb H csökkenésének a valószínűsége, mint a növekedéséé”. Boltzmann egy dobókocka példáját írja le, amellyel pontosan 6000-szer dobunk: „nem tudjuk bizonyítani, hogy minden lehetséges szám pontosan 1000-szer fog előkerülni, az azonban bizonyítható, hogy azoknak a dobásoknak az összes dobáshoz viszonyított aránya, amely dobásokban egy adott szám előkerül, annál jobban megközelíti az 1/6-ot, minél több dobást hajtunk végre”. Előfordulhatnak azonban valószínűtlen eltérések ettől a szabályszerűségtől, például olyan esetek, amikor több egymást követő dobás eredménye ugyanaz a szám. Ezek az eltérések a Boltzmann-féle H paraméter értékében mutatkozó csúcsoknak felelnek meg. Boltzmann statisztikus érveket használ annak bizonyítására, hogy a gázkeverék szétválása összetevőire nagyon valószínűtlen, és megerősíti az univerzum hőhalálának elképzelését, mondván, hogy annak „olyan állapotra kell törekednie, ahol ... minden energia disszipálódik.” Ezután, éppen akkor, amikor az érvelés már teljesnek tűnik, kellemetlen befejező fordulat következik:

Ezt a cikket régi segítőtársam, dr. Schütz egyik ötletével szeretném befejezni.

Feltételezzük, hogy az egész univerzum termikus egyensúlyban van, és így is marad örökre. Annak a valószínűsége, hogy az univerzum egyetlen (és csakis egy) része egy bizonyos állapotban van, annál kisebb, minél távolabb esik ez az állapot a hőmérsékleti egyensúlytól, ugyanaltkor ez a valószínűség annál nagyobb, minél nagyobb maga az univerzum. Ha feltételezzük, hogy az univerzum elég nagy, akkor tetszés szerinti nagyságúvá tehetjük annak a valószínűségét, hogy egy kicsiny része bármilyen adott állapotban található (akármilyen messze is esik ez az állapot a hőmérsékleti egyensúlytól). Annak a valószínűségét is naggyá tehetjük, hogy a mi világunk éppen jelenlegi állapotában van, noha az univerzum egésze termodinamikai egyensúlyban van. Valaki azzal az ellenvetéssel élhet, hogy a világunk oly messze van a termodinamikai egyensúlytól, hogy el sem tudjuk képzelni ennek az állapotnak a valószínűtlenségét. Másrészt viszont, azt mégiscsak el tudjuk képzelni, milyen kicsiny része a mi világunk az egész univerzumnak? Feltételezve, hogy az univerzum elég nagy, már nem is kicsi annak a valószínűsége, hogy egy olyan kicsiny része, mint a mi világunk, jelen állapotában található.

Ha ez a feltevés helyes, akkor világunk igyekszik minél jobban visszatérni a termodinamikai egyensúlyhoz közeli állapotba; ám minthogy az univerzum olyan óriási, valószínűnek tekinthető, hogy valamikor a jövőben más világok is oly mértékben eltérnek a termodinamikai egyensúly állapotától, mint jelenleg a mi világunk. Ebben az esetben a korábban említett H-görbe írná le, mi történik az univerzumban. A görbe csúcsai felelnének meg azoknak a világoknak, ahol megjelenik a látható mozgás és az élet.

Eszerint a Boltzmann-fluktuációkat valójában Schütz-fluktuációknak illene nevezni! Akárhogy is, megdöbbentő dolog egy ilyen bekezdésre bukkanni egy 1895-ben írott cikkben, hiszen az abban foglalt gondolatok közvetlenül egybecsengenek a multiverzumról alkotott, modern elképzelésekkel, ha Boltzmann írásában az „univerzum” szót a mi „multiverzumunkra”, a világot pedig a mi „Világegyetemünkre” cseréljük. A gondolatmenetben - bár nem tudatosan - burkolt formában az antropikus érvelés is felfedezhető; a hozzánk hasonló megfigyelők csak az ilyen fluktuációkban létezhetnek, ezért nem meglepő, ha mi magunkat is egy ilyen fluktuációban találjuk.

Boltzmann azonban hamarosan teljes egészében magáévá tette a gondolatmenetet, és harcosan védelmezte, jóllehet az ötlet csírája Schütztől származott. 1897-ben így fogalmazott:

Számomra úgy tűnik, ez a felfogás jelenti az egyetlen módot, amelynek révén megérthetjük a második főtétel érvényességét, és minden egyes világ hőhalálát anélkül, hogy segítségül kellene hívnunk az egész univerzum egyirányú változását egy meghatározott kezdőállapot és egy végállapot között. Az ellenvetés, miszerint gazdaságtalan és ezért értelmetlen azt képzelni, hogy az univerzum nagy része halott, csak azért, hogy magyarázatot adjunk arra, hogy egy kis része miért élő - ezt az ellenvetést nem tartom helytállónak. Jól emlékszem valakire, aki csak azért tartotta elfogadhatatlannak, hogy a Nap és a Föld távolsága 20 millió mérföld, mert felfoghatatlannak tartotta, hogy ilyen hatalmas teret tölt ki az éter, és ilyen keveset az élet. (Valójában a Nap 93 millió mérföldre (azaz 150 millió kilométerre) van a Földtől. Ez az idézet S. G. Brush, Kinetic Theory (Pergamon, Oxford, 1966) című könyvéből származik. Az „éter” hipotetikus fluidum, egykor úgy képzelték, hogy ez tölti ki az általunk üresnek gondolt teret, a világűrt. A speciális relativitáselmélet szükségtelenné tette egy ilyen közeg feltételezését.)

Van azonban egy körülmény, amelyet Boltzmann figyelmen kívül hagy, amikor a miénkhez hasonló, „valamikor a jövőben létrejövő”, más „világokról” beszél. Elképzelése szerint a tágabb univerzumban (amire talán szerencsésebb kifejezés a metauniverzum) nem létezik idő. Termodinamikai egyensúlyban nincs mód arra, hogy különbséget tegyünk a múlt és a jövő között, amint azt a tartályba zárt, termodinamikai egyensúlyban lévő gázról készített pillanatfelvételek esetén láttuk, ahol az összekevert felvételeket az atomok eloszlása alapján egyszerűen nem lehet sorba rendezni. Ha egy ilyen metauniverzumon belüli fluktuációban élünk, akkor a metauniverzumról csak annyit jelenthetünk ki, hogy létezik, és más fluktuációk is léteznek benne. Az idő iránya (vagy az idők irányai) csak ezeken a fluktuációkon belül létezik (léteznek).

Van azonban még egy rejtély, amelyet már Boltzmann is érint, de ma sok embert nyugtalanít. Miért éppen a termodinamikai egyensúly egy ilyen nagy fluktuációjában élünk? Létezhetnek kisebb fluktuációk is, hát aztán? A rejtélyt - a ma szokásos megfogalmazással élve - az jelenti, hogy a termodinamikai egyensúly állapotából kiindulva a metauniverzum nézőpontjából sokkal egyszerűbb lenne egy jóval kisebb fluktuációt létrehozni.

Vegyünk egy szélsőséges példát: ha létrejöhet egy fluktuáció, amelyik olyan nagy és olyan bonyolult, mint az egész Világegyetem, akkor sokkal valószínűbb lehetne, hogy az egyik fluktuációban létrejöhet az a szoba, amelyikben Ön ül, mindazzal együtt, ami a szobában található, beleértve az Ön emlékeit és ezt a könyvet is. Mindez talán csak egyetlen másodperccel ezelőtt történhetett, és talán el is tűnik, mire Ön végigolvassa ezt a mondatot. Biztos vagyok abban, hogy Önöket örömmel fogja eltölteni (legalábbis ha túlélték, hogy idáig jutottak az olvasásban), ha megtudják, hogy ez az érvelés hibás. Később ugyanis ki fogom fejteni, hogy egy Boltzmann-fluktuációból sokkal könnyebb egy ősrobbanást létrehozni, mint mondjuk egyetlen lépésben egy emberi agyat. Ám ettől a megnyugtató megjegyzéstől függetlenül is igaz az, hogy egy végtelen univerzumban bármi megtörténhet, így tehát nem számít az, milyen valószínűtlen képződmény a mi Világegyetemünk, annak valahol muszáj volt létrejönnie. A mi Világegyetemünkhöz hasonló méretű fluktuáció létrejötte ellen olyan hatalmas esélyek szólnak, hogy azt valójában fel sem foghatjuk - ám a végtelenhez képest bármely szám elenyészően csekély. Ez viszont felveti azt az érdekes kérdést, hogy mennyire valószínű saját magunk másolatainak létezése valahol a metauniverzumban, és milyen távol élhetnek tőlünk ezek a másolatok?

Idő és távolság

Ha ezt fel akarjuk fogni, akkor érdemes pontosan kifejteni, miként hozhatják létre a Boltzmann-fluktuációk a rendezettség bugyrait a rendezetlenség metauniverzumában. Az ennek megfelelő XIX. századi kép a részecskék és a sugárzás egyensúlyi állapotban lévő tengerét ábrázolta volna, ahol a káoszban felbukkannak a rendezettség buborékai. Ezek a buborékok teljesen kifejlett formájukban azonban nem jelenhetnek meg egyik pillanatról a másikra. Az egyensúlyi állapottól távol eső fluktuációkként kell kifejlődniük. A részecskéknek (és a sugárzásnak) együtt kell bejárniuk pontosan azt az utat, amelyik egy a miénkhez hasonló fluktuációban elvezet a csillagok, a bolygók és az emberek létrejöttéhez. Az idő irányára vonatkozó hétköznapi észleléseink fogalmait tekintve ez pontosan olyan lenne, mintha az idő visszafelé múlna, és például a sugárzás a csillagok felé tartana, majd mélyen alámerülne a belsejükbe, ahol a sugárzás hatására a szén és a hasonló elemek atommagjai szétszakadnának, és héliummá alakulnának. Ebből a szemléletből kiindulva sokkal valószínűbbnek tarthatnánk, hogy ez a folyamat kicsi, és rövid élettartamú buborékokat hoz létre, amelyek csak akkorák, mint a szobánk, ahelyett, hogy akkora univerzumok jönnének létre, mint amekkorát magunk körül látunk. Ugyanez a szemlélet mondatja velünk azt is, hogy sokkal valószínűbb, hogy a folyamat egyszer csak megállt, a visszájára fordult, és a rendszer állapota a kaotikus, alacsony entrópiájú állapot felé tartott, mint az, hogy egészen addig folytatódott, amíg lehetővé tette az Ősrobbanást, mielőtt a folyamat megfordult és elindult visszafelé, a rendezetlenség felé vezető úton.

Amint láttuk, nagyon nehéz megmondani, mi az idő, és még ha sikerülne, ezek a leírások akkor is lényegében egy olyan kozmikus megfigyelő szemléletét tükrözik, aki kívül áll az időn, és onnan figyeli a metauniverzum fejlődését. A Boltzmann-fluktuáció belsejében élő megfigyelő szemszögéből azonban nincs okunk arra gondolni, hogy az ilyen megfigyelő „az idő visszafelé folyását” érzékelné, mialatt a fluktuáció kifejlődik. Bár ez az izgalmas ötlet számos szórakoztató tudományos-fantasztikus történet alapjául szolgált (amelyek közül kiemelkedik Philip K. Dick Counter-Clock World [Visszafelé telő idejű világ] című írása), az előző fejezetben leírt érvek teljes mértékben igazak a fluktuáció mindkét felében. Mialatt a fluktuáció kifejlődik, egyes időszeletekben (amelyek a Hoyle-féle postafiókoknak felelnek meg) rendezettebb, másokban kevésbé rendezett univerzumot látnánk. Saját érzékelésünk az idő irányára tulajdonképpen azon alapul, hogy ezeket az időszeleteket úgy rendezzük el, hogy a rendezettség jelentse a „múltat” és a rendezetlenség a "jövőt”, és ez a fluktuáció mindkét felében érvényes. Akár a buborék kialakuló szakaszában is élhetnénk, ez senkinek sem tűnne fel. Más szavakkal, a fluktuáció által elért legalacsonyabb entrópiájú állapotból kiindulva - függetlenül attól, hogy az entrópiának ez az értéke milyen nagy vagy milyen kicsi - az idő iránya mindig a magasabb entrópiájú állapot felé mutat, „hegynek fölfelé”, amint azt az időn kívül álló megfigyelő érzékelné. Az idő iránya a buborékon belül mindenütt a magasabb entrópiájú állapot felé mutat.

Boltzmann fluktuációs elképzelése ezen klasszikus változatának a birtokában még továbbra is el kell fogadnunk, hogy létezhetnek szoba méretű fluktuációk, vagy akkorák, mint egy egész galaxis, vagy bármilyen más méretűek. Az Ősrobbanás és a táguló Világegyetem természetére vonatkozó modern elképzelések kicsit másképp láttatják a helyzetet, amelyet az 5. fejezetben fogok ismertetni. Ám még a modern keretek között is el kell fogadnunk azt, hogy egy végtelen multiverzumban az Ön másolatai éppúgy léteznek, mint az enyémek, a Föld bolygóé, és minden egyébé, magát az egész látható Világegyetemet is beleértve. Az Ön másolata persze nem szükségszerűen egy ugyanolyan szobában ül, mint Ön, amelyet azonban az örök káosz vesz körül, az is előfordulhat, hogy az Ön másolata egy ugyanolyan szobában ül, egy a Földhöz nagyon hasonló bolygón, amelyik egy a Naphoz meglehetősen hasonló csillag körül kering, azonban a galaxis, amelybe tartoznak, cseppet sem hasonlít a Tejútrendszerre, és így tovább.

Anélkül, hogy a jelen helyzetben sokat törődnénk azzal, miként alakulnak ki a különböző univerzumok, hozzávetőleges képet alkothatunk arról, milyen messze vannak egymástól a másolatok. Ehhez egyszerűen csak azt kell szemügyre vennünk, hányféleképpen rendeződhetnek el a saját testünket, a Földet, egy galaxist vagy éppen az egész Világegyetemet alkotó atomok és elemi részecskék. Képzeljük például el (vagy inkább számítsuk ki), hányféle különböző elrendeződése lehetséges a testünket alkotó atomoknak. Tételezzük fel, hogy az összes lehetséges permutáció egy-egy önálló testet alkot. Ekkor elképzelhetjük, hogy ezeket a „testeket” egymás mellé fektetve, milyen hosszú láncot kapnánk, mire az eredeti permutáció újra előfordulna. Max Tegmark a Pennsylvania Egyetemen elvégezte ezt a számítást, és az eredményt a látható Világegyetem méretével vetette össze.

Az Ősrobbanás óta csaknem 14 milliárd év telt el, ebben az értelemben tehát a Világegyetem alig valamivel fiatalabb 14 milliárd évesnél, így a legtávolabbi, megfigyelhető objektumokat az ideérkező fényük nem egészen 14 milliárd évvel ezelőtt hagyta el. Mialatt azonban a fény felénk utazott, maga a tér tágult, a Világegyetem pedig egyre nagyobb lett, ezért a legtávolabbi objektumok most tőlünk nem 14 milliárd fényévre találhatók, hanem valamivel több mint 40 milliárdra - azaz 4 x 10^26 méterre. Ez a sugara a tér minket körülvevő buborékénak, amelyet a Világegyetem tágulását felfedező csillagász tiszteletére Hubble-térfogatnak nevezünk. Önmagunk más változatait, akik valahol másutt a multiverzumban, más bolygókon élnek, a saját Hubble-térfogataik veszik körül, amelyek mindent tartalmaznak, amit csak ők a legtökéletesebb távcsöveikkel megpillanthatnak. Nincs okunk azonban feltételezni, hogy ezek a Hubble-térfogatok átfednék egymást. Távolról sem - a szó szoros értelmében.

Ha csupán azt tételezzük fel, hogy a tér végtelen, és nagy léptékben egyenletesen tölti ki az anyag, akkor Tegmark számításai szerint legközelebbi „ikertestvérünk” egy olyan bolygón él, amelynek a távolsága méterekben kifejezve 10-nek a 10^29-dik hatványa. (A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásra vonatkozó megfigyelések azt bizonyítják, hogy a Világegyetemünkben nem fordulnak elő 10^24 méternél nagyobb kiterjedésű szerkezetek, utóbbiak azok, amelyeket Tegmark nagy léptékűeknek nevez.) Ez egy felfoghatatlanul nagy szám. Tegmark szívesen használja a „több mint csillagászati” kifejezést, hiszen ez a távolság jóval meghaladja a Hubble-térfogat sugarát, amely viszont mindazt tartalmazza, amiről csillagászati módszerekkel tudomást szerezhetünk. Ez azonban még mindig eltörpül a végtelen mellett, ennek ellenére a szám nagysága semmivel sem teszi kevésbé valóságossá ikertestvéreink létezését.

Ugyanezen feltevéssel élve, léteznie kell valahol a tér egy gömb alakú, 100 fényév sugarú tartományának, amely ugyanazt tartalmazza, mint a Föld körüli, 100 fényév sugarú tartomány, azonban ennek a távolsága méterekben kifejezve 10-nek a 10^91-dik hatványa; sőt 10-nek a 10^115-dik hatványa méter távolságban léteznie kell a teljes Hubble-térfogatunk azonos másolatának. Emellett léteznie kell Világegyetemünk számos, kissé pontatlan másolatának is, a téma különböző variációinak, hasonlóan a kvantumvalóság Everett-féle értelmezésének különböző változataihoz, ahol a másolataink eltérő döntéseikkel teszik különbözővé a jövőbeli életüket. Amint Tegmark megjegyzi, „minden, ami elvben itt megtörténhetett volna, az valójában meg is történt, csak valahol másutt”, például az is, hogy Ön nyeri meg a főnyereményt a lottón, vagy az, hogy a „földi” életet néhány héttel ezelőtt elpusztította egy kisbolygó becsapódása.

Tegmark „I. típusú” multiverzumnak nevezi ezt a helyzetet, ahol mindennek létezik a másolata egy végtelen, táguló metauniverzumban, amelynek a története ugyanazzal az Ősrobbanással kezdődött, és minden ugyanazoknak a fizikai törvényeknek engedelmeskedik. A megjelölésből következően léteznek a multiverzum további típusai is, köztük a kvantumfizika Everett-féle párhuzamos univerzumai (amelyeket Tegmark „III. típusúakként” jelöl), valamint további lehetőségek, amelyeket később mutatok be. Ez azonban a multiverzum téma legegyszerűbb változata, és Tegmark fejtegetései szerint az I. típusú multiverzum gondolata implicit módon benne van a kozmológusok feltevéseiben, amikor megfigyelési bizonyítékaik értelmezéséről beszélnek. Így például a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás észlelése során az égbolton valamivel hidegebb és valamivel forróbb területek egyvelegét látjuk. Ezeknek a foltoknak a mérete a tér görbületével áll kapcsolatban, márpedig ezek a megfigyelések határozottan azt az álláspontot támogatják, miszerint a tér nem olyan értelemben görbült, mint ahogyan egy gömb felszíne. A kozmológusok kedvelt szóhasználata szerint a szférikus modell 99,9%-os biztonsággal kizárható. Ez azt jelenti, hogy a standard számítások szerint az általunk látott forró és hideg foltok ezer esetből csak egyetlen alkalommal látszhatnának akkorának, mint amekkorának megfigyeljük méretüket. Tegmark szerint azonban a számok ilyen értelmezésének csak akkor van értelme, ha (legalább) 1000 további, szférikus görbületű univerzum áll rendelkezésre vizsgálataink céljából. A „99,9%-os biztonság” valójában azt jelenti, hogy ezer közül 999 szférikus univerzumban a foltok eltérő méretűek lennének az általunk látottól, márpedig elég valószínűtlennek látszik, hogy egy olyan, felettébb ritka szférikus univerzumban élünk, ahol ezek a foltok bennünket félrevezetve azt akarnák elhitetni velünk, hogy sík szerkezetű térben élünk. Eddig tudunk most eljutni, ami a tér végtelenségét illeti, de vajon mi a helyzet a végtelen idővel? Hol lép színre az idő a kozmológiai számításokban?

Idő és termodinamika

A leglényegesebb különbség a termodinamikai egyensúlyból kiinduló, Boltzmann által leírt fluktuációk és a mi Világegyetemünk között az, hogy a Világegyetem tágul. Az állandó állapotú káosz végtelen és örök metauniverzumában teljességgel lehetséges lenne, bár csak rendkívül ritkán fordulhatna elő, hogy az egyik fluktuáció pontosan olyan univerzumot hoz létre, mint amilyenben mi élünk, de annak tágulása nélkül. Ám amint láttuk, ez sokkal kevésbé valószínű, mint az, hogy valamelyik fluktuáció egyetlen szobát, egyetlen bolygót vagy akár a káosz közepén lebegő, csupasz emberi agyat hoz létre. Az a körülmény, hogy a mi Világegyetemünk története az Ősrobbanással kezdődött, egészen más megvilágításba helyezi az eseményeket - amint már utaltam rá, és amint a következő fejezetben részletesen is kifejtem, ami a fluktuációkat illeti, sokkal egyszerűbb egy ősrobbanással kezdődő, táguló univerzumot létrehozni, mint egy elszigetelt emberi agyat. Mielőtt azonban részletesen belemerülnénk annak a tárgyalásába, miként keletkezett az általunk ismert Világegyetem, éppen a mi Világegyetemünk - és az ehhez hasonló típusú univerzumok - természete kissé más megvilágításba helyezi a termodinamikát és az idő irányát. Az a körülmény, hogy a táguló Világegyetem a gravitáció által összetömörített anyagcsomókat tartalmaz, még izgalmasabbá teszi az ügyet.

A klasszikus termodinamikát jórészt a tudományterület XIX. századi úttörői, Clausius, Kelvin, Boltzmann és az amerikai Josiah Willard Gibbs dolgozták ki. A termodinamika lényegében egyensúlyi rendszerekkel foglalkozik. Leírja például, hogy amikor a korábban említett példámban a tartályt két részre osztó válaszfalat kihúzzuk, akkor a gáz szétterjed az egész tartályban, mert a gázzal teli tartály egyensúlyi állapotban van. Sikerei ellenére azonban a klasszikus termodinamika nem remekel, amikor azt kell leírni, mi történik abban a pillanatban, amikor a gáz éppen szétterjed, hogy betöltse az egész tartályt - ez a folyamat ugyanis nem egyensúlyi. Valójában, amint azt másutt már tárgyaltam, a klasszikus termodinamika azt a látszatot kelti, mintha nem létezne az idő. A tartály belsejében szétterjedő gázt és az ennél sokkal bonyolultabb rendszereket csekély mértékben különböző állapotok sorozataként írhatjuk le, ahol ezen állapotok mindegyike „statikus”, ám kis lépésekben mégis különböznek egymástól. Az infinitezimálisan kicsiny lépések valójában azt jelentenék, hogy a gáz végtelenül hosszú idő alatt tölti ki a tartályt - vagyis valami egészen bizonyosan hibádzik ebben a megközelítésben. Bár a nevében szereplő „dinamika” a változásra enged következtetni, valójában a klasszikus termodinamika egyáltalán nem a változásokat írja le és az alapfogalmakat, mint például az entrópiát, az egyik egyensúlyi rendszernek egy másik egyensúlyi rendszerrel történő összehasonlítására, vagy ugyanannak a rendszernek a különböző állapotai vizsgálatára találták ki; utóbbira példa a szóban forgó tartálynak a válaszfal kihúzása előtti és utáni állapota. Ez nem jelenti azt, hogy ezek az alapfogalmak hibásak, hanem csak azt, hogy nem alkalmasak a történet minden részletének elmondására.

A XX. században és különösen annak második felében az olyan úttörők, mint a norvég Lars Onsager és az orosz születésű belga—amerikai Ilya Prigogine munkásságára alapozva a kutatók kifejlesztették a nemegyensúlyi termodinamikát. Ez írja le a változásokat és az egyszerű összetevőkből bonyolult rendszerek kialakulását (egészen az olyan komplex rendszerekig, mint az emberi lények és a földi élet mint rendszer), látszólag a termodinamika második főtétele ellenében, valamilyen energiaáramot megcsapolva. Mindez napjaink egyik legfontosabb kutatási területévé tette azt, amit a matematikusok káosznak neveznek (ez nem azonos a Boltzmann által a világ természetes állapotaként vizsgált termodinamikai káosszal), ehelyütt azonban szükségtelen ennek a részleteibe bocsátkozni. Az egyetlen kritikus tény, amelyet viszont nem hagyhatunk említés nélkül, az, hogy egy táguló univerzumban módosítanunk kell az egyensúlyról alkotott elképzelésünket.

Térjünk vissza a gázzal megtöltött tartály egyszerű példájához! Tételezzük fel ezúttal, hogy nem véges tartályunk van, precízen két félre osztva, ahol a válaszfalat teljes egészében eltávolítjuk, hanem egy nagyon hosszú (talán végtelenül hosszú) csövünk, benne dugattyúval, amelyet folyamatosan végighúzunk a csőben. A dugattyú mögött a gáz folyamatosan tágul, hogy mindig kitöltse az egyre növekvő térfogatot. Amíg a dugattyú mozog, a gáz soha nem kerülhet termodinamikai egyensúlyba. Vagy arra is gondolhatunk, hogy a gáz egy végtelenül nagy tartály egyik sarkából kiindulva terjed szét az őt körülvevő ürességbe. A gáz örökké tágulni fog, és mindvégig a termodinamikai egyensúly állapota felé halad, de azt soha nem éri el. Vagy tételezzük fel, hogy kezdetben egy gázzal teletöltött kis tartályunk van, és maga a tartály tágul, a gáz pedig vele együtt kiterjed. Vagy pedig kinyitjuk a tartály csapját, és a gázt kieresztjük a végtelen vákuumba. Ezek mind az Ősrobbanástól kiindulva táguló Világegyetem ésszerű analógiái, emellett a 2. fejezetben bemutatott sötét energiát is beleértve, a rendelkezésünkre álló legjobb bizonyítékot jelentik arra, hogy a Világegyetem valóban tágul, anyaga pedig ritkul. Egyelőre ne törődjünk azzal, hogyan kezdődött ez a folyamat - erre majd az 5. fejezetben kapunk választ.

A Világegyetem tágulása és anyagának ritkulása is gondoskodik számunkra az idő egyfajta irányáról, teljesen függetlenül a termodinamikai rendszerek egyensúlyi állapotra való törekvése és az entrópia növekedése által definiált iránytól. Kozmológiai értelemben nyilvánvalóan különbség van a múlt és a jövő között: múlt az, amikor a galaxishalmazok szorosabban össze voltak zsúfolódva, mint napjainkban, jövő pedig az, amikor a galaxishalmazok a ma megfigyelhetőnél távolabb lesznek egymástól. Más szavakkal, az idő irányára vonatkozó szubjektív tapasztalataink szerint az idő kozmológiai és termodinamikai iránya ugyanarra mutat; amikor a Világegyetem nagyobb, akkor több csillag ég ki, és minden a termodinamikai egyensúlyi állapothoz közelebb lesz, egy magasabb entrópiájú állapotban.

A fenti leírással kapcsolatban azonban észre kellett venniük valamilyen furcsaságot. Kijelenthetjük, hogy a jövő az, amikor a galaxishalmazok a mainál távolabb vannak egymástól - de mit csinálnak a nagy objektumok, mint például a galaxisok egy olyan Világegyetemben, amelyik nagyon egyenletes eloszlású gázból kiindulva a termodinamikai egyensúly állapota felé tart? Kijelenthetjük, hogy a jövő az, amikor a csillagok kiégnek - de vajon hogyan alakulnak ki a Világegyetemben a környezetükkel nyilvánvalóan nem termodinamikai egyensúlyban lévő objektumok, például a csillagok? Mindkét kérdésre a gravitáció a válasz. A gravitáció teszi lehetővé, hogy a kezdeti irregularitások a termodinamika gravitáció hiányában érvényes második főtétele ellenében növekedni kezdjenek. A klasszikus termodinamika egyáltalán nem tartalmazza a gravitációt, mert a gravitáció nem különösebben fontos az itt, a Földön lévő dolgok és jelenségek, gáztartályok és pohár vízbe tett olvadó jégkockák viselkedésének leírásakor. A csillagok, galaxisok és a Világegyetem mérettartományában viszont a gravitáció döntő jelentőségűvé válik. A gravitáció - legalább átmenetileg - képes a feje tetejére állítani a klasszikus termodinamika szabályait, megengedve két hely közötti hőmérséklet-különbség növekedését, valamint a Világegyetem leírásához szükséges információ mennyiségének növekedését, mert a gravitációnak van egy nagyon különös tulajdonsága. Egy anyagcsomóhoz, például csillaghoz vagy galaxishoz - vagy akár a saját testünkhöz - tartozó gravitációs energia ugyanis negatív. Ez azt jelenti, hogy a gravitációs tér negatív entrópiát tartalmaz - vagyis a gravitáció nyelőt jelent az entrópia számára.

A kozmikus irány és a gravitáció kútja

A gravitáció negativitását más könyveimben már tárgyaltam, azonban ez a Világegyetem olyan fontos sajátossága, hogy még csak elnézést sem kérek, amiért újra előhozom a kérdést. Az a tény, hogy a gravitációs tér energiája negatív, az egyetlen és legfontosabb ok, amiért a körülöttünk látható Világegyetem létezik, ezért nem lehet elsiklani fölötte.

Némi kapaszkodót jelent a kiinduláshoz, ha elgondolkozunk azon, miként működik a gravitáció. A fordított négyzetes erőtörvénynek engedelmeskedik, ami azt jelenti, hogy két test (vagy anyagcsomó) között ható gravitációs erő nagysága arányos 1-nek és a közöttük lévő távolság négyzetének a hányadosával. Ha két (vagy több) testet a gravitációs vonzás tart össze, akkor ennek az erőnek a hatására gyorsabban mozognak, vagyis a gravitációs energia mozgási (kinetikus) energiává alakul át. Az egymással szüntelenül összeütköző atomok és molekulák kinetikus energiája az, amit hőnek nevezünk. Egy csillag például hideg gáz-és porfelhőként kezdi az életét, ám ahogy összezsugorodik, úgy válik egyre forróbbá, miközben a gravitációs energia kinetikus energiává alakul. Amikor a protocsillagnak már elég forró a belseje, akkor megindulnak a magreakciók, amelyek mindaddig folytatódnak, amíg a csillag nukleáris üzemanyagkészlete ki nem merül. Az egész folyamat azonban azzal kezdődik, hogy a gravitációs tér energiájából hőt nyerünk, miközben az anyag kompaktabb állapotúvá omlik össze. Ez teszi lehetővé a forró csillagok létezését a hideg Világegyetemben, látszólag a termodinamika második főtételének ellentmondva. Az anyag koncentrációi az entrópiát elnyelő kutakként működnek.

Képzeljük most el, hogy egy a Naphoz hasonló csillagot összetevő atomjaira szedünk szét, és a részecskéket szétszórjuk egy végtelenül nagy anyagfelhőben úgy, hogy minden egyes részecske végtelenül távolra kerüljön legközelebbi szomszédjától. Mivel, ha az 1-et elosztjuk a végtelennel (nem is beszélve a végtelen négyzetéről), akkor eredményül nullát kell kapnunk, ezért a részecskék között nem hat gravitációs erő. Más szavakkal, a gravitációs tér energiája nulla lesz. Nyilvánvalóan nem tudunk ilyen módon szétszedni egy csillagot, de ez az egyszerű gondolatkísérlet bizonyos mértékig bepillantást nyújt abba az alapvető ténybe, ami akkor derül ki, ha az általános relativitáselmélet egyenleteivel végrehajtjuk a pontos számítást. Eszerint a gravitációs energia nullapontját valójában az anyag mennyiségétől függően akkor érjük el, amikor az anyag minden összetevőjét a lehető legtávolabbra vittük egymástól. Ez a választás nem önkényes, ellentétben például a Celsius-vagy a Fahrenheit-féle hőmérsékleti skálák nullapontjának megválasztásától, hanem egy alapvető fizikai igazságot fejez ki, hasonlóan a Kelvin-féle hőmérsékleti skála nullapontjához.

Az anyag bármely sűrűsödése, amely sűrűbb a végtelenül szétoszlott felhőnél (még az a gáz is, amelyik például mindössze egyetlen hidrogénmolekulát tartalmaz literenként) - gravitációs energiájának kisebbnek kell lennie, mint a végtelenül híg felhőé, mert amikor az anyag részecskéi közelebb kerülnek egymáshoz, energiát vesznek ki a gravitációs térből. Nulla energiával indulunk, majd valamennyit elveszünk, ennélfogva a rendszer energiája negatív marad. A gravitációs tér negatív energiája az, ami lehetővé teszi az információ növekedését, vagyis azt, hogy a Világegyetem bonyolultabb és érdekesebb hely legyen, amelyben forró csillagok sugározzák szét a Föld és a hozzá hasonló bolygók által megcsapolható energiát, miközben megpróbálják helyreállítani az egyensúlyt. Végül az entrópia diadalmaskodik - de egyelőre még nem.

Mennyi negatív energiánk maradt? Az általános relativitáselmélet alapján végzett, viszonylag egyszerű számítás azt mutatja, hogy ha az anyag bármely, m tömegű tömörülése (egy csillag, egy bolygó, egy személy, vagy egy egész univerzum...) egyetlen matematikai ponttá, úgynevezett szingularitássá omlik össze, akkor az ehhez tartozó gravitációs tér energiája mínusz mc^2 lenne. Ez pontosan egyenlő a tömeg Einstein híres formulája alapján kapott nyugalmi energiájának mínusz egyszeresével. A két energia összeadva pontosan kiejti egymást, ami azt jelenti, hogy egy adott pontban bármely anyagkoncentráció összes energiája nulla.

Ennek a jelentőségét elsőként a német Pascual Jordan ismerte fel, aki rájött, hogy a semmiből kialakulhat egy csillag, ha pontként jelenik meg, mert a negatív energiája pontosan egyenlő a tömegével egyenértékű pozitív energiával. Az 1940-es években a fizikus George Gamow Washingtonban élt, és ezt a meghökkentő elképzelést elmondta Einsteinnek, amikor Princetonban meglátogatta őt. „Einstein a hír hallatán azonnal megállt - mesélte Gamow -, és mivel éppen egy úttesten mentünk át, az autóknak meg kellett állniuk, nehogy elüssenek bennünket”.

Bármilyen meghökkentően is hangzik ez az elképzelés - elég meghökkentően ahhoz, hogy Einstein megálljon az úttest kellős közepén legalább két problémába ütközünk, ha ilyen módon akarunk létrehozni egy csillagot. Az egyik az, hogy az egyetlen pontba tömörülő anyagot összetartó gravitációs erő olyan erős, hogy az anyag soha nem tudna annyira kitágulni, hogy csillagot hozzon létre, a második az, hogy ha ilyesmi történne, akkor az a fekete lyuk eseményhorizontja mögött, a szemünk elől elrejtve történne. (A szingularitásnak nevezett matematikai pontban az erő végtelenül nagy lenne; ez az oka, amiért a fizikusok nem bíznak a szingularitásokat tartalmazó elméletekben.) Ehhez adódik még az a probléma is, hogy jelenleg egyetlen elmélet sem tudja leírni, mi történik a szingularitásban, csak azt, ami a szingularitás környékén történik. Einstein azonban az 1940-es években nem jött rá (mert a Világegyetem tágulását csak nem sokkal korábban fedezték fel, és az Ősrobbanás fogalmát akkor még nem is használták kozmológiai értelemben), hogy ha a semmiből létre lehet hozni egy csillagot, akkor ugyanígy akár egy egész univerzumot is lehet alkotni, feltéve, hogy nagyon kicsiny térrészből indulunk ki, és találunk valamilyen mechanizmust, amelyik rohamos tágulásra készteti az anyagot, még mielőtt a gravitáció elnyomná az egészet. Pontosan ez az, amit a fizikusok az 1980-as években felfedeztek - ezzel a következő fejezetben foglalkozunk. Ebben a tekintetben mi egy fekete lyuk belsejében élünk, ami minden problémánkat megoldja. Ám a gravitáció még sok érdekességet tartogat az idő irányával kapcsolatban is.

Az idő múlásával még egy olyan univerzum is egyre egyenetlenebbé válik, amelyik közel tökéletesen sima és homogén ősrobbanásból indult ki (márpedig a miénk ilyennek tűnik), mert a gravitáció együvé húzza az anyag koncentrációit. Ha ez a folyamat elég hosszú időn keresztül tart, akkor az anyag legextrémebb koncentrációi is létrejöhetnek. A fekete lyukak mély horpadásokat okoznak a tér szövetében, de még az anyag kevésbé szélsőséges koncentrációi is torzítják a teret saját környezetükben. Emberi szemszögünkből nézve maga a tér is sokkal göröngyösebbé válik az idő múlásával. Ez egy közel homogén univerzumból kiindulva akkor is megtörténne, ha a tér nem tágulna, vagyis a jelenség független az idő kozmológiai irányától. A jövő az, amikor a tér göröngyösebb, a múlt az, amikor simább. A térnek ez az összegyűrődése azonban elgondolkoztat, amikor megpróbáljuk elképzelni, milyen lenne a Világegyetem sorsa, ha nem tágulna örökké.

Visszapattanás?

Az általános relativitáselmélet pontos matematikai leírását adja egy olyan univerzumnak, amelyik egy ősrobbanásból kiindulva pontosan úgy tágul, ahogyan azt a mi Világegyetemünk esetében látjuk, „az” Ősrobbanásból kiindulva. A táguló téridőnek ez a leírása azonban nem az Einstein-egyenletek egyetlen kozmológiai megoldása. Az egyenletek tulajdonképpen univerzumok különböző változatait írják le. Egyesek ezek közül gyorsabban tágulnak, mások sokkal lassabban; egyesek nagyok, mások kicsik; egyesek örökké tágulnak, másoknak az a sorsa, hogy a visszafelé lejátszott Ősrobbanásra emlékeztető „Nagy Reccs” formájában önmagukba zuhannak. A lehetséges univerzumoknak ezt a sokféleségét ugyancsak figyelembe kell venni a multiverzum keresésekor - talán az Einstein-egyenletek által megengedett minden fajta univerzum létezik valahol a multiverzumban -, de ezúttal csak a mi Világegyetemünkre vonatkozó következményekre szeretnék rámutatni.

Mintegy 80 évvel azután, hogy Einstein közzétette az általános relativitáselméletet, és jóval azután, hogy az Ősrobbanás elképzelése elfogadottá vált, senki sem tudja bizonyosan, hogy a mi Világegyetemünk örökké fog-e tágulni, vagy egyszer majd összeomlik. Az egyenletek bármelyik lehetőséget megengedik, a Világegyetem végső sorsa az általa tartalmazott anyag mennyisége által fenntartott, finom egyensúlyon múlik. A gravitáció ugyanis igyekszik megállítani és a visszájára fordítani a tágulást, míg az esetleg létező kozmológiai állandó, antigravitációként ható formában elősegíti a tágulást. A fenti két körülményre vonatkozó ismereteink egészen a XX. század végéig elég bizonytalanok voltak ahhoz, hogy az elméleti kozmológusoknak elegendő mozgásterük legyen a Világegyetem sorsára vonatkozó, legkülönfélébb spekulációik számára. Az egyik ilyen spekuláció története egészen az 1920-as évek elejéig, az orosz elméleti fizikus, Alekszandr Fridman munkásságáig nyúlik vissza. Ennek értelmében ma az Ősrobbanásról azt tartjuk, hogy tulajdonképpen inkább „nagy visszapattanás” lehetett, amely egy korábbi univerzum (vagy ugyanazon Világegyetem korábbi állapotának) egy véges, maximális méret elérését követő, összehúzódó szakasza végén következett be.

Ez a fizika törvényei, és mindenekelőtt az általános relativitáselmélet egyenletei által megengedett lehetőség feltételezhetően boldoggá tenné Arisztotelészt, mert úgy tűnik, ez megengedi egy térben véges univerzum számára az időben végtelenül hosszú történetet, miáltal kiiktatja az idő kezdetének problémáját. Egyúttal egy másfajta multiverzum lehetőségét is felveti: ha minden egyes ősrobbanást követő tágulási időszakot és az ezt követő, néha Nagy Reccsnek nevezett összeomlást önálló univerzumnak tekintünk. A „múltbeli” és a "jövőbeli” buborékok végtelen sorozata esetén lehetővé válik a kozmikus állandók 2. fejezetben tárgyalt véletlen egybeeséseinek, és ezáltal saját létezésünk magyarázatához szükséges variációk létrejötte. Sajnálatos módon azonban a mi Világegyetemünk leírására a visszapattanásos modell nem működik. A kilátások azonban olyan izgalmasak, hogy érdemes részletesen is elmagyarázni, miért nem működik.

A ciklikus modellt részben azért tartották szimpatikusnak, mert hosszú időn keresztül úgy gondolták, hogy ez szükségtelenné teszi az Ősrobbanás pillanatában egy szingularitás feltételezését. Szó szerint véve Einstein egyenleteit, azokból az következik, hogy a Világegyetem története egy szingularitásban kezdődött, vagyis egy végtelen sűrűségű és nulla térfogatú pontban. Eleinte azonban úgy vélték, hogy egy összeomló univerzum még a szingularitás állapotának tényleges elérése előtt, valamilyen nagyon nagy sűrűségű állapotból visszapattanhat. A kutatók fejében az atommagéhoz hasonló sűrűség fordulhatott meg, ez ugyanis a Világegyetemben ma előforduló, legnagyobb sűrűség. Az 1960-as években azonban két elméleti fizikus, Roger Penrose és Stephen Hawking az egyenletek időben visszafelé történő megoldásával kimutatták, hogy a relativitáselméleten belül a mi Világegyetemünk születésekor nem lehet elkerülni a szingularitást, továbbá azt, hogy ezzel ekvivalens szingularitásoknak kell elhelyezkedniük a fekete lyukak szívében. Lehet, hogy nem az általános relativitáselmélet mondja ki a végső szót ebben a kérdésben, hiszen ami a szingularitás közelében történik, az a kvantummechanika és a gravitáció kölcsönhatásától is függ. Az azonban bizonyos, hogy kizárható egy egyszerű „visszapattanás” az anyag nagyon nagy, de „normális” sűrűségű állapotából, mondjuk onnan, ahol az anyag sűrűsége az atommagoké nagyságrendjébe esik.

Az entrópia az oszcilláló kozmológiai modellekben is problémát jelent. Ezekre úgy tudunk rávilágítani, ha csak a tágulás és összehúzódás egyetlen fázisára gondolunk, vagyis az oszcillációk feltételezett végtelen láncolatán belül csak egyetlen buborékra. Az 1930-as években Richard Tolman amerikai fizikus rámutatott, hogy az entrópia minden egyes oszcillációban felhalmozódik, így az egymást követő ősrobbanások egyre nagyobb entrópiával indulnak. Ennek következtében az egymást követő visszapattanások egyre erőteljesebbek lesznek, vagyis az egymást követő oszcillációk során az univerzum egyre nagyobbra tágul. Ha az oszcillációk láncolata valóban a végtelen távoli múltig nyúlik vissza, akkor a jelenlegi „oszcillációnak” valójában olyan nagynak kell lennie, hogy az megkülönböztethetetlen egy egyedi ősrobbanástól, amelyik egyetlen, táguló univerzumot hoz létre. Ezzel viszont semmivé foszlik az oszcillációs modell lényege. Ez azonban nem akadályozta meg a fizikusokat, hogy különféle, elkeseredett próbálkozásokkal kísérletezzenek a megmentése érdekében, elsősorban arra az elgondolásra támaszkodva, miszerint egy ilyen univerzum összeomló szakaszában az idő visszafelé múlik, így lehetségessé válik az entrópia órájának visszaállítása.

Vissza a jövőbe

Egy ilyen helyzetben a buborék összeomló fele tükörképe lenne a táguló felének, a sugárzás a csillagok felszínére hullana, hogy „lebontsa” a bonyolultabb felépítésű elemeket, és minden más úgy történne meg, ahogyan az idő irányának megfordításából következne. Első pillantásra ez nem nagyon különbözik attól az elképzeléstől, miszerint a Boltzmann-fluktuáció két felében az idő iránya egymással ellentétes. Van azonban egy döntő jelentőségű különbség. A Boltzmann-fluktuációban a két idő iránya egymástól elfelé mutat, az idő mindkét esetben a rendezettebb állapottól a rendezetlenebb felé, vagyis a metauniverzum magasabb entrópiájú állapota felé folyik. Az előbb táguló, majd összeomló buborékuniverzumban a két idő iránya viszont egymás felé mutat, a történet mindkét felében a buborék legnagyobb kiterjedésű állapota felé folyik az idő, vagyis a folyamat két végén található szingularitásoktól távolodó irányban.

Olyan ez, mint amikor két vonat áll az állomásnak ugyanazon a vágányán, és az egyik esetben ellentétes irányban akarják elhagyni az állomást, ezért a vonatok egymásnak háttal állnak, a másik esetben viszont ellentétes irányból érkeztek, így szemben állnak egymással. Mi történik akkor, amikor az idő a jelenség közepe felé folyik? Tudjuk, mi történne a vonatok esetében, ha nem állnának meg. Ha a buborékuniverzumban el akarnánk kerülni a hasonlóan zűrzavaros helyzetet, akkor az idő irányának az egész univerzumban egyszerre, pillanatszerűen kellene ellentétesre változnia. De vajon hogyan értesül minden, a buborékuniverzumban található dolog arról, hogy ideje megfordítani a termodinamikai folyamatok irányát? Nézzünk csupán egyetlen, egyszerű példát! Tételezzük fel, hogy éppen abban a pillanatban, amikor az univerzum eléri maximális kiterjedését, egy csillag felszínéből a fény egyetlen fotonja kiindul a világűrbe. Hogyan tudhatja meg ez az egyetlen foton (az univerzum összes többi fotonjával együtt), hogy hirtelen meg kell változtatnia haladási irányát, és vissza kell térnie arra a csillagra, amelyik kisugározta?

Még ha el is ismerjük, hogy az idő múlása csupán illúzió, és hogy a hátterében fekvő valóság nem más, mint a Fred Hoyle példájában szereplő postafiókok időszeletei, akkor ez egyféleképpen működik, nevezetesen, ha az univerzum maximális kiterjedésének megfelelő pillanatban megváltoztatjuk az egyes rekeszekben a „memória” működését, vagyis az információ tárolásának a módját. A választóvonal másik oldalán lévő postafiókok olyan „emlékeket” tartalmaznának, amelyeket jövőnek nevezünk, nem pedig múltnak. A feljegyzések mindkét sorozata egy ősrobbanástól a maximális kiterjedés állapotáig terjedő tágulást ír le. Valójában az entrópiaóra átállításához ugyanazt az ősrobbanástól kezdődő tágulást kellene leírniuk. A csomag második felére egyáltalán nem is lenne szükség, mert ez egyszerűen az első fél megkettőzését jelentené. Nem következne be két ősrobbanás, nem is beszélve a végtelen sorozatukról, hanem csak egy. Akármelyik felében is élünk a buboréknak, az idő múlását mindig pontosan ugyanolyan irányúnak találnánk, mint most, vagyis az ősrobbanás a múltban lenne, és az univerzum tágulása jelentené a jövőt. Egyetlen létező ősrobbanásunk maradt tehát, ami viszont mindenképpen visszavisz bennünket a kozmikus koincidenciák rejtélyéhez. Akármilyen is lehet a téridőnek ez az elszigetelt buboréka, az természetesen nem egy multiverzum, így az elképzelést nehéz komolyan venni.

Maradt azonban még egy rejtély az idő irányával, illetve a fény és az egyéb sugárzások természetével kapcsolatban, amelyet most kellene tisztáznunk. Nem önkényesen választottam a csillagot elhagyó, majd visszaforduló foton példáját, hanem azért, mert az elektromágneses sugárzást leíró egyenletek pontosan ugyanúgy (ugyanolyan jól) működnek az időben „előrefelé”, mint „visszafelé”. A James Clerk Maxwell által a XIX. században felfedezett egyenleteket általában úgy értelmezik, mint amelyek egy sugárzó forrást - például a Napot vagy egy tévéadót - elhagyó sugárzást írják le. Ez a sugárzás ezután a forrástól távolodik, és egy része elérkezik a szemünkbe vagy a házunk tetejére szerelt tévéantennába. A fényforrásból kiinduló fénysugárzás szétterjed a tér három dimenziójában, mint ahogy a pocsolya felszínén a beledobott kő által keltett körhullámok két dimenzióban szétterjednek. Ez a Maxwell-egyenletek számunkra természetes értelmezése, mert ez az értelmezés felel meg az idő múlására vonatkozó, hétköznapi tapasztalatainknak. Ám ezek az egyenletek visszafelé is ugyanilyen jól működnek. Azt is kifejezik, ami csak úgy írható le, mint a Világegyetem távoli részeiről kiinduló, és a sugárzó forrás - például egy csillag - felé, tehát befelé tartó elektromágneses hullámok. Ilyennek tekintendők azok a hullámok is, amelyek a házunk tetején lévő tévéantennából indulnak ki, majd összeolvadnak a Világegyetem minden irányából érkező hullámokkal, és beérkeznek a „tévéadó” antennájába.

A Sydney Egyetemen dolgozó filozófus, Huw Price a fizika törvényeinek ezt a szimmetriáját szilárd kiindulási alapként használta érveléséhez, amely szerint komolyan kell venni az egyetlen „buborék” univerzum képét, amelyben megfordul az idő iránya, és amelynek két kezdete van, de nincs vége. Érvelése lebilincselő. Hasonló gondolatokat vetett fel Stephen Hawking is az 1980-as években, de azokat Don Page (Alberta Egyetem) és Paul Davies (Arizona Állami Egyetem) megcáfolta. Rámutattak ugyanis arra, hogy a kvantumvalóságnak nem az a helyes értelmezése, amikor az idő iránya egyetlen univerzumon belül megfordul, hanem az Everett-féle értelmezés sokvilág-képe, ahol azonos számban fordulnak elő olyan univerzumok, amelyekben „visszafelé”, és olyanok, amelyekben „előrefelé” múlik az idő. Bár az összes lehetséges világnak csak csekély hányada viselkedhet furcsa módon, ami eleve kizárná az élet általunk ismert formáinak a létezését, Davies szerint „rendkívül nagy a valószínűsége annak, hogy egy véletlenszerűen kiválasztott megfigyelő olyan univerzumban találja magát, amelyben nem ingadozik az idő iránya”.

Még ha nem is változik meg az idő folyása az oszcilláló univerzum összeomló szakaszában, és az idő iránya változatlan irányba mutat, akkor is van még egy probléma a visszapattanó univerzum képével kapcsolatban. A mi Világegyetemünk nagyon sima állapotban keletkezett az Ősrobbanásban, de azóta a gravitáció csomókba húzta össze az anyagot, ami végső soron a tér szövetét gyűrötté tevő fekete lyukak létrejöttét eredményezte. Minden fekete lyuknak szingularitást kell tartalmaznia, vagy legalábbis azokat az extrém, szingularitás közeli körülményeket, amelyek a Világegyetem születésekor álltak fenn, amikor a kvantumfizikai folyamatok és a gravitáció között ma még ismeretlen kölcsönhatások működtek. A fekete lyukba behulló anyag az univerzum története végét jelentő Nagy Reccsnek megfelelő fizikai állapotba kerül, méghozzá hamarabb, mint ahogy az univerzum egésze elérné a Nagy Reccs állapotát. Eszerint tehát a Nagy Reccsnek a fekete lyukak és a szingularitások egybeolvadását is magában kell foglalnia, márpedig ez a bonyolult folyamat semmiképpen sem lehet az Ősrobbanás tükörképe.

A sötét energia taszító hatásának köszönhetően egészen bizonyosan nem a Nagy Reccs felé haladunk, és a tágulás és összeomlás ismétlődő ciklusairól szóló spekulációk egyike sem alkalmazható a mi Világegyetemünkre. Ez azonban nem jelenti azt, hogy nem lehetett valami az Ősrobbanás „előtt”, vagy nem történhet valami „azután”, hogy Világegyetemünk kihűlve kihuny. A rendelkezésünkre álló legjobb magyarázat a Világegyetem történetének kezdetéről magától értetődően vezet el a multiverzum témájának egy újabb variációjához és a kozmikus koincidenciák rejtélyének kielégítő megoldásához. Ebbe az is beletartozik, amit az anyagnak a szingularitások közelében mutatott viselkedéséről tudunk - vagy legalábbis azt hisszük, hogy tudunk. Ezt „felfúvódásnak” nevezzük.

5. (Mintha) újrakezdenénk

A kozmológusok biztosak abban, hogy egy bizonyos szintig - ami a galaxisok és a csillagok szintjét jelenti - mindent értenek, ami a Világegyetemben annak körülbelül egy tízezred másodperces kora óta történt. A megállapítás rendkívülinek tűnik, mégis szilárd alapokon nyugszik, kezdve azzal, hogy megmondjuk, mit értünk azon, amikor azt állítjuk, hogy volt egy olyan pillanat, amikor a Világegyetem kora egy tízezred másodperc volt.

Bár az általános relativitáselmélet szerint a Világegyetem történetének kezdetén léteznie kellett egy szingularitásnak, továbbá a fekete lyukak belsejében is szingularitásoknak kell lenniük, a fizikusok ezt inkább az általános relativitáselmélet, nem pedig a valóságos világ leírása problémájának érzik. Arra számítanak ugyanis, hogy a gravitáció kvantumelmélete el fogja tüntetni az egyenletekből a szingularitásokat. Ha azonban elképzeljük, hogy az általános relativitáselmélet egyenleteivel összhangban, időben visszafelé lejátsszuk a Világegyetem tágulását, akkor az egyenletekben a szingularitásnak megfelelő időpontot jelölhetjük meg a „nulla időpontként”. Ezután már csak az a kérdés, milyen messzire tudunk visszamenni az időben - mennyire tudunk közel jutni a nulla időponthoz -, mielőtt újra kellene gondolnunk mindazt, amit az általános relativitáselmélet és a fizika ma ismert többi törvénye mond a világról.

A legkonzervatívabb becslések szerint abból indulhatunk ki, ami az anyagnak itt a Földön részletesen tanulmányozott legextrémebb formája. Az atommagokat már jó száz éve kísérletekkel tanulmányozzák, így viselkedésüket alaposan ismerjük. Viselkedésükre vonatkozó ismereteinket nagy sikerrel alkalmazzuk a csillagok működésének magyarázatára, a belsejükben lezajló magreakciók leírására. Biztonsággal kijelenthetjük, hogy az atommagénak megfelelő sűrűségekig a fizikusok értik az anyag viselkedését. A Világegyetem ma ismert sűrűségéből egyszerűen kiszámíthatjuk bármely korábbi időpontbeli sűrűségét, amikor a Világegyetem még kisebb volt, de ugyanannyi anyagot tartalmazott. Ebből a szempontból közömbös, hogy a Világegyetem végtelen-e, hiszen pillanatnyilag minket a Világegyetem általunk látható részének az eredete és időbeli változása érdekel. Ugyanez a folyamat végbemehetett a látóhatárunkon túl is, ám ez semmiben nem befolyásolja az események tárgyalását. A számítások eredményeképpen jöttek rá arra, hogy mindössze egy tízezred másodperccel (0,0001 s) a nulla időpont után a körülöttünk látható egész Világegyetem összes anyaga olyan kis térrészbe volt összezsúfolódva, hogy ott a forró anyag sűrűsége megegyezett az atommagokéval.

Ez az, amit hagyományosan Ősrobbanásnak szokás nevezni. Abban az időben a forró tűzgömb gyorsan tágult, a fizika ismert törvényei pedig teljes mértékben kielégítő magyarázatot adnak arra, hogyan lettek a táguló tűzgömbben lévő egyenetlenségek a galaxisok növekedésének csírái, majd ezekben a galaxisokban az idő múlásával miként alakultak ki a csillagok és a bolygók - feltéve, hogy figyelembe vesszük a 2. fejezetben említett sötét anyag hatását is. Az először az 1960-as években kidolgozott standard Ősrobbanás-modellel viszont nem tudták megmagyarázni, honnan eredt ez a tűzgömb - vagyis, mi történt a 0,0001 másodperc előtt, ami elindította a tágulást, és mi hozott létre pontosan ahhoz megfelelő méretű irregularitásokat, hogy azok a ma magunk körül megfigyelhető szerkezetekké fejlődjenek. (Az Ősrobbanás ötlete ennél régebbi, azonban az Ősrobbanás pontos modellje csak alig több mint 40 éves múltra tekinthet vissza.)És miért volt éppen a kritikus nagyságú a Világegyetem sűrűsége?

Negyven évvel ezelőtt, az 1960-as évek végén, idáig tudott visszamenni időben a kozmológia. Senki sem tudta, hogy került a Világegyetem atommag sűrűségű és nagyon magas hőmérsékletű állapotba, miközben rohamosan tágult a szingularitásnak tűnő, kiinduló állapotból távolodva, sőt a kozmológusok közül is sokan úgy gondolták, hogy ezekre a kérdésekre soha nem is fogunk választ kapni. Tíz éven belül azonban, az 1970-es évek végére a részecskefizika és a kozmológia házassága kezdett magyarázatot adni arra, mi történt a hagyományos Ősrobbanás előtt, mitől kezdett a Világegyetem tágulni. (Napjainkban az Ősrobbanás kifejezést általában abban az értelemben használjuk, hogy az a nulla időpillanattól kezdve mindenre vonatkozik.) Ma ez a felfúvódás néven ismert elképzelés egy táguló metauniverzumon belül kínál magyarázatot magának a Világegyetemnek az eredetére. Ez akár a multiverzummal is kapcsolatba hozhat minket.

A részecskekapcsolat

A „részecskefizika” megnevezés tulajdonképpen helytelen, hiszen, mint láttuk, a fizikusok az alapvető elemi részecskéket kvantumfizikai objektumoknak tekintik, amelyek egyaránt mutatnak részecske-és hullámtulajdonságokat. Ezeket az objektumokat a gravitációs és a mágneses térhez hasonló mezők viselkedésével írják le. Minthogy az erőket, például magát a gravitációt és a mágnességet is terekkel tárgyaljuk, a részecskék és ezen erők kölcsönhatását az ún. kvantumtérelmélettel írhatjuk le megfelelően. A részecskefizika megnevezés azonban kevésbé félelmetes, ezért még a kvantumtérelmélet művelői körében is széles körben elterjedt. A lényeg azonban az, bármilyen néven is nevezzük ezt a tudományterületet, hogy az elmélet a részecskék és az erők viselkedését egyaránt leírja - tehát például azt, ahogyan az elektronok és a hasonló részecskék kölcsönhatnak pl. az elektromágnességgel és más részecskékkel.

Csupán két fontos elképzelés van terítéken. Az első annak a módjára vonatkozik, ahogyan az energia kicserélődik az anyag és a terek között, az E=mc^2 formulával összhangban. Minthogy kvantumfizikai szinten ez ténylegesen az egyik fajta tér átalakulását jelenti egy másik fajtába, a dolog kevésbé meglepő, mint ahogy első pillanatban látszik. Ha valamely térben elegendő lokális energia van jelen, akkor az spontán módon részecskepárrá (pontosabban szólva egy részecskévé és a neki megfelelő antirészecskévé) tud alakulni, majd ezek az objektumok ismét kölcsönhatásra lépnek, és eltűnnek, amint energiájuk valamilyen másfajta mező energiájává alakul át. A legegyszerűbb példa erre egy nagy energiájú foton (az elektromágneses tér kvantuma), amely egy teljes egészében reverzibilis kölcsönhatás keretében elektron-pozitron párrá tud alakulni. A második fontos elképzelés szerint az összes kölcsönhatás, amelyeket ma a Világegyetemben működni látunk - a gravitáció, az elektromágnesség és a csak az atommagok és annál kisebb objektumok szintjén működő „erős” és „gyenge” kölcsönhatás - egyetlen, nagyon nagy energián működő szuperkölcsönhatás feldarabolódásából keletkeztek.

A fizikusok mindeddig nem találták meg az egyenleteknek azt az egyetlen rendszerét, amely leírná ezt a szuperkölcsönhatást, bár az erők egyesítésének ötlete aligha mondható újnak. A skót James Clerk Maxwell még a XIX. században fedezte fel azokat az egyenleteket, amelyek az elektromosságot és a mágnességet egyaránt, egyetlen egységet alkotva írják le, jóllehet ezeket a fizikusok korábban két teljesen külön erőnek vélték. Így tehát az elektromosság és a mágnesség ugyanazon kölcsönhatás, az elektromágnesség két különböző aspektusának bizonyult. Azóta az elektromágnesség kvantumos változatát, az úgynevezett kvantum-elektrodinamikát (QED) teljesen kielégítő módon egyetlen matematikai csomagba egyesítették a gyenge kölcsönhatással, és vannak arra utaló jelek, hogy ennek az „elektrogyenge” elméletnek egy kiterjesztett változatába az erős kölcsönhatás is beilleszthető. A legnagyobb problémát a leggyengébb kölcsönhatás, a gravitáció beillesztése jelenti abba a matematikai csomagba, amelybe a másik hármat már sikerült beletenni. Ezért olyan kiemelkedő jelentőségű kutatási téma napjainkban a kvantumgravitáció. Amellett, hogy ez adja számunkra a legjobb esélyt, hogy megszabaduljunk a szingularitásoktól, annak a reményére is feljogosít, hogy megtaláljuk azt az egyetlen egyenletrendszert, amelyik az összes kölcsönhatást és részecskét leírja. Ezt nevezik a térelmélettel foglalkozó kutatók a mindenség elméletének (TOE, Theory of Everything). Erről bővebben a következő fejezetben lesz szó, egyelőre csak azzal foglalkozzunk, hogy mit tud mondani számunkra a részecskefizika - vagy ha úgy tetszik, a térelmélet - az Ősrobbanás eredetéről.

Semmiből nem lesz valami

A fő ok, amiért a fizikusok meg vannak győződve arról, hogy a kvantumgravitáció majd megoldja a szingularitásnak az idő születésekor fellépő problémáját az, hogy a kvantumfizika szerint - minden máshoz hasonlóan - az idő is kvantált természetű. Más szavakkal, létezik az idő legkisebb, tovább már nem osztható egysége. Természetesen ez a fundamentális időegység rendkívül kicsi: 10-43 másodperc, ami azt jelenti, hogy a tizedesvesszőt 42 darab nulla követi, és csak utána következi egy 1-es. Ezért nem vesszük észre hétköznapi életünkben az idő szemcsés szerkezetét (bár ezt a szemcsézettséget összekapcsolhatjuk az idő Hoyle-Deutsch-féle leírásának időszeleteivel). Ez az időtartam azonban nem nulla. Ez azt jelenti, hogy a gravitáció bármely kielégítő kvantumelméletének le kell írnia, hogy a Világegyetem története nem a nulla időpontban egy szingularitással kezdődött, hanem egy rendkívül nagy (de véges) sűrűségű állapotból, 10-43 másodperces „életkorában”. (Ez utóbbi időtartamot egyébként a kvantummechanika úttörője, Max Planck tiszteletére Planck-időnek nevezzük.) Ennél nem volt korábbi idő. Emellett az is kiderül, hogy nagyon egyszerű „létrehozni” egy olyan univerzumot, amelyik Planck-idős korában kezdődik, és aztán a 10-43 s és a 0,0001 s között valami jó sül ki belőle.

Meglepő módon, a Világegyetem mint kvantumfluktuáció ötlete csaknem egyidős a hagyományos Ősrobbanás-modellel, bár az 1960-as évek végén a szó szoros értelmében nevetség tárgyává tették ezt a gondolatot. Az ötlet közvetlenül a kvantumfizika határozatlansági relációjából származik, amely szerint - amint az 1. fejezetben leírtam - léteznek a paramétereknek olyan párjai, az úgynevezett konjugált változók, amelyek értékét lehetetlen egyidejűleg teljes pontossággal megállapítani. Emlékezzünk vissza, ez nem a mérőeszközeink bármiféle tökéletlensége miatt van így, hanem ez a kvantumvilág működésének alapvető sajátossága. A konjugált párok közül az egyik legfontosabb az energia és az idő. A kvantumfizikai bizonytalanság azt jelenti, hogy egy objektumnak, mondjuk egy elektronnak nem lehet pontos energiája - vagyis mindig van valamennyi bizonytalansága annak, hogy mekkora energiát hordoz a részecske. Ez eddig elég egyszerűnek tűnik. Azonban a kvantummechanikai határozatlanság azt is jelenti, hogy még az üres tér energiája sem vehet fel pontosan meghatározott értéket, márpedig a nulla pontosan meghatározott érték.

Ezek szerint az üres tér bármely kis térfogatú tartományának (vagy akár nagyobb tartományának) is van egy kevéske energiája. Ez az energia részecskék formájában is megnyilvánulhat, feltéve, hogy a részecskék rövid élettartamúak (itt kap szerepet az idő az egyenletben). Ahelyett, hogy egy foton elektron-pozitron párrá alakulna, amely azután annihilálódva újabb fotont hoz létre, egy elektron-pozitron pár a szó szoros értelmében vett semmiből is előbukkanhat, feltéve, hogy a részecskék a határozatlansági reláció által megszabott időhatáron belül annihilálják egymást és újra eltűnnek a semmiben. Hasonló módon másfajta részecskék és energiaformák is felbukkanhatnak és eltűnhetnek, a lényeg az, hogy minden ilyen folyamat a kvantummechanikai határozatlanság időbeli korlátján belül történjék.

A kvantumfizika szerint abban, amit mi üres térnek - vákuumnak - gondolunk, nyüzsögnek az ilyen módon létrejövő, rövid élettartamú objektumok. Ezeket a vákuum fluktuációinak, vagy kvantumfluktuációknak nevezzük. Ezek nem pusztán elméleti jóslatok - ezeknek a „virtuális” részecskéknek a felhői a valóságos részecskék, például egy elektron körül, szükségesek az elektromos és a mágneses kölcsönhatások megfigyelt erősségének a magyarázatához. Ám az itt szereplő hosszúságok és időtartamok rendkívül kicsik. Az említett példában a fluktuációk mindössze 10-21 másodpercig tartanak, az elektron és a pozitron közötti távolság pedig soha nem haladja meg a 10-10 cm-t. Minél nagyobb az eseményben szereplő tömeg (ami természetesen nagyobb energiát jelent), annál rövidebb ideig létezhet a fluktuáció.

Mindez teljesen rendben is van, amikor olyan objektumokra alkalmazzuk, mint például a fotonok, elektronok vagy pozitronok. Ám az 1960-as évek végén a tudományos világ még nem állt készen annak az ötletnek a befogadására, miszerint az egész Világegyetem egy vákuumfluktuáció lehet. Akkor azonban egy Edward Tryon nevű fiatal kutató a New York-i Columbia Egyetem szemináriumán kibökte az ötletet - amin ő maga legalább annyira meglepődött, mint mindenki más. Tryon nem sokkal korábban szerezte meg PhD-fokozatát részecskefizikából, és a hallgatóság legfiatalabb tagjai közé tartozott, akik részt vettek az Angliából odalátogató Dennis Sciama kozmológiai előadásán. Az előadás egyik szünetében jutott eszébe, hogy talán a Világegyetem maga is vákuumfluktuáció lehet, amit gondolkodás nélkül, hangosan ki is mondott. A felharsanó nevetés olyan kínos helyzetbe hozta őt, hogy szerette volna az egész esetet örökre elfelejteni, így aztán éveken keresztül nem is gondolt az egészre.

Az 1970-es évek elején azonban egyes új fejleményeknek köszönhetően visszatette az ötletet tudományos kutatási programjába. Tryron továbbra is érdeklődött a kozmológia iránt, és 1971-ben, amikor a New York-i Hunter College-ban dolgozott, talált egy összefoglaló cikket a Nature-ben, amely annak a lehetőségét elemezte, hogy az egész Világegyetem egy óriási fekete lyuk lehet, mi pedig ennek a belsejében élünk. Az ötlet többek között Raj Kumar Pathria (University of Waterloo, Ontario) figyelmét is felkeltette, aki azt megfelelő matematikai keretbe helyezve a Nature 1972. decemberi számában publikálta, amelyet Tryon ugyancsak olvasott. Ám az évekkel korábbi eset emléke csak akkor ötlött fel benne, amikor az egyik kollégája, aki ugyancsak olvasta a Nature-t, emlékeztette őt Sciama szemináriumán tett megjegyzésére.

Tryon tudta, hogy a tömegből származó energia és a gravitációs tér energiájának az előző fejezetben tárgyalt kicserélődése miatt egy fekete lyuk teljes energiája nulla, és azt állítja, hogy amikor emlékeztették az esetre, akkor „hirtelen, villanásszerűen” teljesen kidolgozott formájában eszébe ötlött az a gondolat, miszerint a Világegyetem esetleg csak egy kvantumfluktuáció lehet. Úgy gondolja, hogy a tudatalattija három éven keresztül dolgozott a probléma megoldásán, és készen állt arra, hogy ezt átadja a tudatos szintnek, de csak akkor, amikor már minden részletében kidolgozta, és így nem válhatott újra nevetség tárgyává. Az elképzelés teljes részletességgel kidolgozott változata a Nature 1973. decemberi számában jelent meg. Azonnal hatalmas érdeklődést váltott ki, azonban az érdeklődés az eredeti elképzelés egy döntő jelentőségű nehézsége miatt hamarosan lelohadt.

Tryon felvetette, hogy egy olyan kvantumfluktuáció is felléphet, amelynek a mérete kisebb egy protonnál, de annyi tömeg-energiát tartalmaz, mint az egész Világegyetem, mert az összes tömeg-energiát lenullázná a fluktuációhoz tartozó negatív gravitációs energia. Minél nagyobb egy fluktuáció energiája, annál rövidebb az élettartama, ezzel szemben minél kisebb az energiája, annál hosszabb ideig maradhat fenn. Minthogy a szóban forgó fluktuációnak nulla lenne az energiája, ezért a kvantummechanika szabályai végtelen ideig tartó létezését engednék meg!

Amint Lucretius megállapította, „semmi sem keletkezhet a semmiből”. Ennek évezredeken keresztül az a nézet volt a következménye, hogy a Világegyetem nem keletkezhetett a semmiből. Most viszont Tryon - a feje tetejére állítva az aforizmát - lényegében azt mondta, hogy a Világegyetem maga a semmi, Az egész Világegyetem tömeg-energiáját tartalmazó, de saját gravitációja által kiegyensúlyozott „semmi” valóban létrejöhet a semmiből. A nagy bökkenő azonban ott van, hogy ez a roppant erejű gravitációs vonzás egy ilyen szupersűrű „semminek” a szingularitássá történő összeomlását idézné elő, függetlenül attól, mit mondanak a kvantummechanika határozatlansági szabályai. 1973-ban még senki sem tudta, hogyan lehetne felfújni egy ilyen kozmikus csírát a kvantummechanikai szintről az atommagok sűrűségére, ráadásul mindezt egy tízezred másodpercen belül. Az 1970-es évek végén azonban minden megváltozott.

Felfújjuk a Világegyetemet

A kozmológusokat csak akkor kezdték aggasztani az általam a 2. fejezetben bemutatott kozmikus koincidenciák, amikor az 1960-as évek végén az Ősrobbanás elképzelését már a Világegyetem szilárdan megalapozott, helytálló leírásaként fogadták el. Ezek közé tartozik - mint emlékezetes -, hogy a tér szerkezete közel sík, vagyis a Világegyetem átlagsűrűsége nagyon közel esik a kritikus sűrűséghez, és hogy az anyag eloszlása a Világegyetemben nagy léptékben hihetetlenül egyenletes, ám éppen a megfelelő méretű irregularitásokat tartalmazza ahhoz, hogy azokból kifejlődhessenek a galaxisok, a csillagok, a bolygók és mi magunk. Az Ősrobbanás modellje szerint ezek a tulajdonságok már az Ősrobbanás idején bevésődtek a Világegyetembe, vagyis akkor, amikor a Világegyetem kora még csak egy tízezred másodperc volt, sűrűsége pedig megegyezett a mai atommagok sűrűségével. Ahogy gyarapodtak az arra vonatkozó bizonyítékok, hogy a körülöttünk látható Világegyetem valóban egy ilyen forró tűzgömbből fejlődött ki, egyre gyötrőbbé vált a kérdés, hogy miként tett szert éppen ezekre a tulajdonságokra. Az ügy nem sok vizet zavart, amíg a szakemberek sem voltak egészen biztosak abban, hogy valóban bekövetkezett-e az Ősrobbanás. Most viszont már annak a megfejtésével kezdtek próbálkozni, hogy milyen lehetett a Világegyetem még annál is korábban, amikor még sűrűbb és forróbb volt, és megpróbáltak rájönni, mi okozhatta, hogy az Ősrobbanás éppen olyanra sikeredett, amilyenre.

A kutatás során felhasználták a nagy energiájú részecskefizika elgondolásait, azon belül a nagy energiájú részecskegyorsítókban végzett kísérletek eredményeire alapozott elméleteket.

Ezek a kísérletek és elméletek adták az ötletet például ahhoz a feltevéshez, hogy egyes objektumok, például a protonok és a neutronok valójában kisebb, kvarkoknak nevezett részecskékből épülnek fel, és innen ered az a nézet, miszerint a természet összes kölcsönhatása matematikailag egyetlen, egységes leírásban foglalható össze. Kiderült, hogy ha meg akarjuk érteni a Világegyetem nagy léptékű szerkezetét, akkor előbb meg kell érteni a részecskék és az erők (erőterek, mezők) viselkedését a legkisebb méretek és a legnagyobb energiák világában.

Mindezt azzal tehetjük érthetőbbé, hogy az 1930-as években a részecskegyorsítókban olyan energiát sikerült elérni, amely akkora energiának felelt meg, amekkora a Világegyetemet valamivel több mint háromperces életkorában jellemezte. Az 1950-es évek gyorsítóival sikerült elérni azt az energiát, amely a Világegyetemben annak néhány százmilliomod másodperces életkorában volt jelen, míg az 1980-as évek részecskegyorsítóiban a fizikusok már akkora energiákkal kísérleteztek, mint amekkora a Világegyetem egytized billiomod másodperces (10^13 s) korát jellemezte. A CERN Genf melletti új részecskegyorsítóját, a Nagy Hadronütköztetőt (LHC, Large Hadron Collider) már arra tervezték, hogy azokat a körülményeket is reprodukálni tudja, amilyenek akkor uralkodtak, amikor a Világegyetem kora még csupán 5 x 10-15 másodperc volt - ebben a számban a tizedesvessző után 14 nulla után következik az 5-ös.

E helyütt nem szükséges az összes részletet bemutatni, de egyetlen kritikus pontot ki kell emelni. E szerint nagyobb energiákon a Világegyetemben ma működő négy erő egyre inkább összemosódik, egyre nehezebb közöttük különbséget tenni. Egy bizonyos energián eltűnik az elektromágneses erő és a gyenge kölcsönhatás közötti különbség, a kettő együtt egyetlen, elektrogyenge kölcsönhatásként jelentkezik. Még nagyobb energiákon az elektrogyenge és az erős kölcsönhatás között is eltűnik a különbség, és létrejön a nagy egyesített erőként ismert kölcsönhatás. (Az ezt leíró elméleteket nagy egyesített elméleteknek nevezik (GUT, Grand Unified Theory)) A fizikusok arra gondolnak, hogy még nagyobb energiákon esetleg ezen egyesített kölcsönhatás és a gravitáció közötti különbség is elmosódik.

A Világegyetem ősi állapotában az egyre nagyobb energiák egyre korábban voltak jelen. Ez a körülmény adja annak a sejtésnek az alapját, miszerint a Planck-időkor csupán egyetlen szupererő létezhetett, amelyből először a gravitáció vált ki, majd a Világegyetem hűlésével az erős kölcsönhatás, később pedig a gyenge kölcsönhatás is elkülönült. Mennyiben segít nekünk ez az elképzelés? Amint azt az 1970-es évek végén egy fiatal kutató felismerte, a hűlés és az erők szeparálódása együtt járhatott a Világegyetem drámai mértékű kitágulásával. Ennek során az egyetlen protonnál is kisebb méretű, szupersűrű anyag a másodperc törtrésze alatt grapefruit méretűvé szökkent. Ez a grapefruit volt az a forró tűzgömb, amelyik mindazt tartalmazta, ami a ma megfigyelhető Világegyetemmé vált, és amelyet Ősrobbanásnak nevezünk.

Ez a kutató Alan Guth volt, aki akkor (1979-ben) a Massachusetts Műszaki Egyetemen (MIT) elméleti részecskefizikusként dolgozott, és felkeltette az érdeklődését az Ősrobbanás rejtélye. Felismerte, hogy létezik egy olyan fajta tér, az úgynevezett skalártér, amely részese lehetett az ősi kvantumfluktuációnak, és alapvetően fontos hatást gyakorolhatott a nagyon korai Világegyetem viselkedésére. Érdekes módon a skalártér által létrehozott energia éppen negatív. Ez nem olyan drámai kijelentés, mint ahogy első pillanatban hangzik - csupán annyit jelent, hogy ez a fajta nyomás nem széjjellöki, hanem éppen ellenkezőleg, összehúzza a dolgokat. Egyfajta negatív nyomást fejt ki például egy megfeszített gumiszál, bár ezt a fizikában hagyományosan feszültségnek nevezzük. Azonban a skalártérhez tartozó negatív nyomás nagyon nagy lehet, és egy felettébb furcsa tulajdonsággal bírhat: - negatív a gravitációja, aminek hatására gyorsabbá válik a Világegyetem tágulása (ez lényegében ugyanaz a hatás, csak sokkal drámaibb méretekben, mint a korábban tárgyalt Λ-tér hatása).

Guth rájött, hogy a skalártér jelenléte a Világegyetem nagyon korai állapotban a Világegyetem bármely részének - a tér bármekkora térfogatú darabjának - a méretét azonos (karakterisztikus) időközönként a kétszeresére növeli. A megkétszereződésnek ezt a típusát exponenciális növekedésnek nevezzük, ami egyre fokozódó tempójú növekedést jelent. Guth abban az időben még nem tudta, de elképzelését a kozmológusok számára különösen vonzóvá tette az a körülmény, hogy az Einstein-egyenletek egyik legegyszerűbb megoldása magától értetődő módon írja le ezt a fajta exponenciális tágulást. Ez a kozmológiai modell az úgynevezett de Sitter-féle univerzum, amely a holland Willem de Sitterről kapta a nevét, ugyanis ő találta meg 1917-ben az Einstein-egyenleteknek ezt a megoldását.

Amikor Guth betáplálta a modelljébe a nagy egyesített elméletből származó adatokat, azt az eredményt kapta, hogy a skalártérhez tartozó karakterisztikus megkétszereződési időnek körülbelül 10-37 másodpercnek kell lennie. Ez azt jelenti, hogy ezen figyelemreméltóan rövid idő alatt a korai Világegyetem mérete a kétszeresére nőtt, majd a következő 10-37 másodpercben ismét megkétszereződik, és így tovább, minden újabb 10-37 másodperc elteltével. Három megkétszereződés után a Világegyetem mérete már az eredetinek nyolcszorosa, négy kétszereződés után pedig 16-szorosa, és így tovább. Mérete tehát n-szeri megkétszereződés után 2n-szeresére nőtt. A megkétszereződések ilyen sorozata drámai hatással jár. Csupán 60 megkétszereződésre van szükség ahhoz, hogy egy protonnál jóval kisebb tartomány mérete grapefruit nagyságúra fúvódjék fel, márpedig ha minden egyes megkétszereződéshez 10-37 másodpercre van szükség, akkor az egész folyamat kevesebb, mint 10-35 másodperc alatt lejátszódik.

Ha szerencsénk van, akkor az LHC-vel akkora energiákon is végezhetünk kísérleteket, amelyek a Világegyetem 10^15 másodperces életkorára voltak jellemzőek. Úgy tűnhet, mintha a 10-15 és a 10-35 között nem is lenne olyan nagy különbség, mert magától értetődően a 15 és a 35 közötti különbség ötlik a szemünkbe, ami „mindössze” 20. Ez azonban valójában 10^20-szoros különbségnek felel meg, ami azt jelenti, hogy a Világegyetem 10-15 másodperces korában százmilliószor billiószor öregebb volt, mint 10-35 másodperces korában. Másképpen fogalmazva, a 10-15 és a 10-35 közötti arány valójában 10^5-szer (százezerszer) akkora, mint az 1 és a 10-15 közötti eltérés. Ennek következtében nem is remélhetjük, hogy ezeket az energiákat itt a Földön közvetlen kísérletekkel tanulmányozhassuk - elméleteink kísérleti ellenőrzésére egyetlen kísérleti eszköz felel meg, maga az egész Világegyetem.

Mindez a fejtegetés Guth eredeti adatain alapult. A felfúvódás elméletének egyes, korszerűbb változatai szerint a felfúvódás esetleg kicsit lassúbb lehetett, talán 10-32 másodpercig is eltarthatott, ez azonban mit sem változtat a lényegen, nevezetesen azon, hogy Guth felfedezte, miként lehet a szupersűrű valaminek a parányi foltját egy rendkívül gyorsan táguló tűzgömbbé felfújni. (Ez a gyors tágulás a fénysebességnél gyorsabbnak tűnik. Ez rendben is van, mert a fénysebesség csak mindazon dolgok számára határsebesség, amelyek mozognak a térben. A felfúvódás során azonban maga a tér nyúlik meg.) Még a tágulás legvisszafogottabb változata szerint is olyan arányú növekedésről van szó, mintha egy teniszlabdát 10-32 másodperc alatt a ma megfigyelhető Világegyetem méretére fújnánk fel. A folyamat akkor ér véget, amikor a skalártér „lebomlik”, és energiáját átadja, amiből létrejön az Ősrobbanás tűzgömbjének hője és a Világegyetem összes anyagát alkotó részecskék tömeg-energiája. Guth tehát megtalálta a hiányzó láncszemet a Világegyetem mint vákuumfluktuáció Tryon-féle elképzelése és a hagyományos Ősrobbanás között. A skalártér antigravitációja túlszárnyalja a rendszer saját gravitációját, amely Tryon elképzelése döntő jelentőségű problémájának látszott. Abban az időben azonban Guth még Tryon munkájáról sem tudott.

A felfúvódás kezdeti, és nem szűnő vonzerejét éppen az jelentette, hogy számos kozmikus koincidenciára magyarázatot ad. Amint a 2. fejezetben leírtuk, a tér roppant nagy arányú megnyúlása, ami a körülbelül 60 egymás utáni megkétszereződéssel járt együtt, pontosan úgy simította ki az irregularitásokat, mint ahogyan a vízbe áztatott aszalt szilva megduzzadásakor eltűnnek a felszínéről a ráncok. Ha a szilvaszem mérete 60-szor megkétszereződne (képzeljünk csak el egy a Naprendszernél ezerszer nagyobb átmérőjű szilvaszemet), és a felszínén állnánk, akkor nem tudnánk eldönteni, hogy a felszín nagyon enyhén görbült, vagy pedig tökéletesen sík, éppúgy, ahogy a Föld felszínén élő emberek is sokáig azt hitték, hogy bolygónk felszíne sík. Másként fogalmazva, a felfúvódás arra készteti a Világegyetem átlagsűrűségét, hogy a kritikus sűrűséghez megkülönböztethetetlenül közeli értéket vegyen fel.

A kisimulás azonban tökéletlen, mert a felfúvódás közben a „közönséges” kvantumfizikai fluktuációk enyhe fodrozódást keltenek, ezek a fodrok azonban a felfúvódás előrehaladtával maguk is hatalmas méretűre nyúlnak meg. (Elsőként Szláva Muhanov orosz kozmológus gondolt arra, hogy a táguló Világegyetemben a kvantumfluktuációk is megnyúlnak.) Statisztikus értelemben a galaxisok által az égbolton kirajzolt mintázat valóban megfelel az ilyen fluktuációk várt eloszlásának, ami fontos bizonyíték a felfúvódó kép mellett. A felfúvódás keretén belül sok további kozmikus egybeesés is megmagyarázható, mivel, ha az egész látható Világegyetem egy protonnál sokkal kisebb tartományból kiindulva fúvódott fel, akkor a mi horizontunkon túl további univerzumok fordulhatnak elő, amelyek hasonló módon fúvódtak fel, de mindvégig a látóhatárunkon túl maradnak. Nem szükségszerű azonban, hogy a felfúvódás ezekben az univerzumokban minden részletében azonosan történjék - talán még az sem, hogy a fizika törvényei ugyanolyanok legyenek.

Mindez új ötletek táptalajául szolgált, amelyek egyrészt Boltzmann egyes gondolatait visszhangozzák, másrészt egy másik elképzelésre, a Világegyetem állandó állapotú modelljére emlékeztetnek, amely - talán méltatlanul - a tudománytörténet szemétdombjára került.

Az állandó állapot visszatérése?

Amikor 1980-ban Alan Guthtól megkérdezték, hogyan viszonyul a felfúvódásra vonatkozó új elképzelése a Világegyetem állandó állapotú modelljéhez, akkor úgy válaszolt, hogy „miféle állandó állapotú modellhez?” Jóllehet, mindössze 20 évvel azelőtt az állandó állapotú modellt még az Ősrobbanás-modell életképes vetélytársának tartották. A Guthnak feltett kérdés óta azonban ismét eltelt egy negyedszázad, még több víz lefolyt a Dunán, és még kevesebben emlékeznek az állandó állapotú modellre, így érdemes egy kicsit részletesebben visszapillantani a történetére, mielőtt alaposabban megvizsgálnánk, miként viszonyul a felfúvódás modem elméletéhez.

Bár az 1940-es évek végére már bizonyított tény volt a Világegyetem tágulása, az elképzeléssel kapcsolatban súlyos problémának látszott, hogy mindannak, amit az idő meghatározott pillanatában magunk körül látunk, egy szingularitásban (vagy annak környékén) kellett létrejönnie. A legnagyobb gondot az jelentette, hogy az univerzum tágulásának ütemére vonatkozó becslésekből az életkorára csak néhány milliárd év adódott, ami kevesebb volt, mint a legöregebb csillagok életkora. Ez nyilvánvalóan lehetetlen. Emellett hosszadalmas filozófiai ellenvetéseket is felsorakoztattak a Világegyetem határozott időponthoz köthető kezdete és egyúttal az idő kezdetének ténye ellen. Ez volt tehát a tudománytörténeti háttér, amikor a Cambridge-i Egyetem három csillagász-matematikusa - Herman Bondi, Thomas Gold és Fred Hoyle - kidolgozta egy olyan Világegyetem elképzelését, amelyik általános megjelenését tekintve örök és változatlan, miközben mégis változatlan ütemben tágul.

Az állandó állapotú elmélet eredeti változatának lényege, hogy miközben a galaxishalmazok távolodnak egymástól, azalatt ugyanazok a folyamatok, amelyek a tér megnyúlását előidézik, a halmazok közötti térben új hidrogénatomok születését is kiváltják, méghozzá olyan ütemben, hogy a kozmikus átlagsűrűség változatlan maradjon. Az ehhez szükséges, keletkező új anyag mennyisége mindössze egyetlen hidrogénatom évente a tér minden 10 milliárd köbméterében, ami nem tűnik borzasztóan soknak. Ezek az atomok az évmilliárdok során felhőket alkotnának, amelyek azután galaxisokká, csillagokká és az anyagi világ egyéb objektumaivá sűrűsödnek össze.

Az 1950-es években, sőt még később is, az állandó állapotú elmélet hívei számára a hidrogénatomok folyamatos termelődése semmivel sem tűnt felfoghatatlanabbnak annál, minthogy az egész Világegyetem anyaga egyetlen szempillantás alatt, az Ősrobbanásban jelent meg. Ha igazuk lenne, akkor az univerzumnak a kozmikus idő bármely pillanatában nagyjából ugyanúgy kellene kinéznie, vagyis például a tér adott térfogatában mindig ugyanannyi galaxis és galaxishalmaz lenne, bár egy kiszemelt térfogatban nem mindvégig ugyanazok a galaxisok tartózkodnának.

Az állandó állapotú modellnek ez az egyszerű, nagyobbrészt filozófiai megfontolásokra alapozott változata azonban teljességgel hibás. A megfigyelések tanúsága szerint, minél távolabbra nézünk a Világegyetemben, vagyis minél távolabbi múltba nézünk vissza, annál inkább látunk a Tejútrendszer környékén találhatóaknál fiatalabb galaxisokat, amelyek közelebb is vannak egymáshoz, mint a mai galaxisok. (A fény véges sebessége miatt.) Emellett ott van a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás mint bizonyíték; ez semmi kétséget sem hagy afelől, hogy a Világegyetem tágulása egy forróbb és sűrűbb állapotból indult ki. Az állandó állapotú modell kigondolása óta eltelt évtizedek alatt a Világegyetem életkorának problémája eltűnt. A jelenlegi legjobb megfigyelések szerint az Ősrobbanás körülbelül 13,7 milliárd évvel ezelőtt történt, míg a csillagok életkorára vonatkozó legjobb becslések szerint a legöregebb csillagok kora is csak éppen hogy meghaladja a 13 milliárd évet. Minden beleillik tehát a képbe. Az állandó állapotú modell egyszerű változata azonban nem az utolsó szót jelentette ebben a kérdésben.

Hoyle indiai kollégájával, Jayant Narlikarral együtt teljes matematikai részletességgel kidolgozta az állandó állapotú elméletnek az általános relativitáselmélet egyenleteivel teljes összhangban álló változatát. A modell központi fogalma az úgynevezett C-mező („C”, mint Creation, azaz Teremtés), ez az egész univerzumot betölti, és egyrészt ez a felelős az anyag teremtéséért, másrészt pedig ez tartja fenn azt a nyomást, amely az univerzum tágulását eredményezi. Annak érdekében, hogy az egyre tökéletesedő megfigyelésekkel összhangban maradjanak, Hoyle és Narlikar kénytelen volt feladni azt a képet, miszerint az anyag az univerzumban mindenütt, egyenletesen, állandó tempóban keletkezik. Ehelyett egy olyan változatnál kötöttek ki, amelyet továbbra is állandó állapotú modellnek neveztek, és amelyben az anyag az úgynevezett Planck-részecskékben keletkezett - ezek a tömeg-energiának a kvantumfizikai léptékben parányi térfogatba koncentrálódásai. Térfogatuk megegyezik egy olyan gömb térfogatával, amelynek átmérője a lehetséges legkisebb átmérő, az úgynevezett Planck-hosszúság (10-32cm). Minthogy nem létezik a Planck-időnél rövidebb időtartam, és ennek megfelelően nem létezik a Planck-hosszúságnál rövidebb távolság, ezért a legkisebb csíra, amelyikből a Világegyetem kinőhetett, a Planck-részecskével egyező méretű, azaz Planck-méretű, amelynek sugara a Planck-hosszúsággal egyenlő. Ez nagyjából egy atommag mérete billiomod részének a milliárdod része. Mégis a ma körülöttünk látható Világegyetem egész tömeg-energiáját tartalmazta, mindamellett teljes energiája - a gravitációt is figyelembe véve - nulla volt.

A modell szerint ezekből a Planck-részecskékből egy nagyobb (végtelenül nagy) metauniverzumon belül következnek be a kitörések, amelyek létrehozzák a táguló tér buborékait, egy azzal csaknem azonos folyamat keretében, mint amilyet az imént a felfúvódás kapcsán leírtam. Az egyetlen különbség az, hogy a C-térrel dolgozó változatban a Planck-részecskéket nem azonosítják kvantumfluktuációkként. Hoyle és Narlikar tulajdonképpen az Ősrobbanás elképzelésének egy új változatával állt elő, amely valószínűleg elborzasztotta volna Hoyle fiatalkori énjét. Minthogy azonban az állandó állapotú elgondolás fogalmaival dolgoztak, ezért nem látták, mit mondanak számukra az egyenletek.

Az 1960-as és az 1970-es években Hoyle és Narlikar az egyre pontosabbá váló megfigyelések ellenére erőfeszítéseket tettek az állandó állapotú elképzelés fenntartása érdekében, ám ezek az erőfeszítések a legtöbb kozmológus számára nehezen kezelhetőnek és rögeszmésnek tűntek. A végül kapott modellben olyan tér energiája indítja el a nagyon sűrű állapotú univerzumot egy lökésszerűen gyors tágulásba, amely azután anyagi részecskékké bomlik le. Ez is az alapvető felfúvódó modell pontos világképe lenne. A standard felfúvódó modellben a felfúvódásért felelős teret gyakran a görög fi (Φ) betűvel jelölik; a Hoyle-Narlikar-modellben viszont a pontosan ugyanilyen tulajdonságú teret jelölik C-vel. Jól emlékszem a Királyi Csillagászati Társaság (Royal Astronomical Society) 1994 decemberében Londonban tartott összejövetelére, ahol előadást tartott az akkor már 70-es évei vége felé járó Hoyle, akit érthető módon bosszantott, hogy a felfúvódás tárgyalásakor soha nem említették meg az ő munkáját. Előadásában bebizonyította, hogy a felfúvódó elmélet egyenletei pontosan ugyanazok, mint az állandó állapotú elmélet végső változatának egyenletei, csak a C betűt kell Φ-vel helyettesíteni. „Ez jelenti az összes különbséget” - jegyezte meg gúnyosan.

A lecke, amit meg kell tanulnunk - ha egyáltalán van ilyen - az, hogy az igazságot az egyenletek tartalmazzák, és a régmúlt események történéseiről alkotott képünk nem több, mint mankó a képzeletünk számára. Kiderült, hogy éppolyan naivság volt a kozmológusok részéről nem sokkal több mint fél évszázaddal ezelőtt azt gondolni, hogy a tér belátható buboréka azonos minden létezővel, mint amennyire naiv volt fél évezreddel ezelőtt élt elődeik részéről azt gondolni, hogy a Nap kering a Föld körül. Sem az Ősrobbanás eredeti elképzelése, sem pedig az állandó állapotú elmélet eredeti változata nem volt helytálló. A Világegyetemről alkotott legjobb mai képünk valahogyan a kettő keverékét tartalmazza - egy nagyobb, állandó állapotú létezés részeként következett be az Ősrobbanás. Hoyle-nak kevésbé volt igaza, mint amennyire azt ő maga gondolta, viszont több igazság volt az elképzeléseiben, mint ahogy azt az ellenfelei gondolták, ezért az elképzelései legalábbis említésre érdemesek, amikor a felfúvódó Világegyetem modem képéről beszélünk.

Mindamellett, teljesen megérdemelten Alan Guthot illeti a dicsőség, amiért felismerte a felfúvódás jelentőségét az Ősrobbanás elképzelésével kapcsolatban, ami a kozmikus koincidenciák rejtélyére is megoldást jelent. Ő találta ki az elnevezését is, bár már nem emlékszik rá, pontosan milyen körülmények között - „Nem emlékszem, hogy valaha is ki akartam volna találni egy nevet - mondja -, de a naplóm tanúsága szerint [1979] decemberben kezdtem felfúvódásnak nevezni”.

Ez nyilvánvalóan olyan elképzelés volt, amelynek befogadására megérett az idő. Hoyle és Narlikar divatjamúlt munkájától eltekintve a ma felfúvódásnak nevezett elmélet egy másik változatát dolgozta ki Alekszej Sztarobinszkij, aki az 1970-es évek végén Moszkvában, az L. D. Landau Intézetben dolgozott. Az övé sokkal bonyolultabb modell volt, mint Guthé, a kvantumgravitáció elméletén alapult, de az alapötlet lényege ugyanaz volt. Abban az időben, a hidegháború idején azonban, az e-mail és az internet áldásos elterjedése előtt a szovjet tudósok számára komoly nehézséget jelentett a nyugati kollégáikkal való kapcsolattartás, így aztán Sztarobinszkij munkájának híre sem jutott túl a Szovjetunió határain. Amikor azonban a Guth-féle változat széles körben ismertté vált, akkor az addigra már az „egykori Szovjetunióból” származó tudósok jelentős szerepet játszottak a továbbfejlesztésében. A felfúvódás elmélete hamarosan kinőtte az Ősrobbanás-modell kereteit. Az 1980-as években a kulcsfontosságú előrelépést Guth eredeti munkájához képest az jelentette, hogy a felfúvódás elméletét kiterjesztették, azzal immár nemcsak a mi Világegyetemünket, hanem univerzumok sokaságát írták le - amelyek buborékokként sodródnak az idő folyamán.

Buborékok az Idő Folyóján

Aligha meglepő módon Edward Tryon a felfúvódással összefüggésben hamarosan új életre keltette a Világegyetem mint a vákuum kvantumfluktuációjának elképzelését, amelyet az 1980-as évek elején az akkor a Tufts Egyetemen dolgozó Alex Vilenkin fejlesztett tovább. Vilenkin Harkovban, az egykori Szovjetunió területén született, diplomáját 1971-ben szerezte a Harkovi Állami Egyetemen, de a doktori cím megszerzése érdekében már nem folytathatta tanulmányait, mert a szovjet hatóságok „nem együttműködőnek” minősítették. Miután öt éven keresztül a legkülönfélébb és legkülönösebb munkákból tartotta fenn magát (elmondta nekem, hogy legjobb állása az volt, amikor éjjeliőr lehetett egy állatkertben), és csak szabadidejében foglalkozott fizikával, végül 1976-ban engedélyezték számára, hogy kivándoroljon az Egyesült Államokba. A korábban végzett tudományos munkájának köszönhetően a New York Állami Egyetemen már a rákövetkező évben meg tudta szerezni a PhD címet. Vilenkin a kvantumfluktuációk elképzelését logikailag a végső határig fejlesztette. Más kutatók, mint például Tryon is, a „vákuum fluktuációjáról” beszéltek, amiből következően léteznie kellett a vákuumnak (vagyis a téridő valamilyen formájának), amiben a fluktuációk felléptek. Vilenkin azonban megpróbálta matematikailag leírni a tér, az idő és az anyag szó szerint a semmiből történő felbukkanását. Talán sikerült neki, talán nem. Mindenesetre a felfúvódás eddig legsikeresebb változatai nem mennek el ennyire a végső határig, mert azok egy örökké létező metauniverzum összefüggésében képzelik el az eseményt, így az időnek nincs kezdete.

Az a tény, hogy a kozmológusok a felfúvódás különböző változatairól beszélnek, azt mutatja, hogy ez az elképzelés még napjainkban is fejlődik, változik. Bár meggyőző bizonyítékok állnak rendelkezésünkre arra nézve, hogy a felfúvódás valamilyen formában bekövetkezett, mégsincs egyetlen, meghatározott felfúvódásos modell, amelyik a Világegyetem összes megfigyelt tulajdonságára magyarázatot tudna adni, egyelőre több, részletesen kidolgozott modell közül választhatunk. Guth meglátása szerint már az elképzelés kidolgozásának kezdetétől problémát jelentett annak a magyarázata, hogy miként kezdődött a felfúvódás (mi volt az, ami felfúvódott?), illetve miként ért véget (mi késztette a skalárteret arra, hogy energiáját attól kezdve anyag formájában jelenítse meg?). Nem akarok részletesen belebonyolódni a téma különböző változatainak ismertetésébe, inkább megmaradok az általános kép mellett, és az elgondolás egyik legvonzóbb formáját, az úgynevezett kaotikus felfúvódást ismertetem részletesen.

A felfúvódás különböző korai változatainak egyike sem tudott megbirkózni azzal a problémával, hogy az elmélet működése valamiféle finomhangolást igényelt. Vegyük erre a legegyszerűbb példát: ha a felfúvódás hamarabb ért volna véget, mint ahogy a tér simává válik, akkor az ennek eredményeképpen előálló univerzumban a tér egyértelműen görbült szerkezetű lenne, abban az értelemben, hogy a tér önmagába görbülne, emellett sokkal csomósabb szerkezetű lenne, mint a magunk körül megfigyelhető Világegyetem, vagyis az anyag erőteljesebb koncentrációi lennének megfigyelhetők. Meglehetősen valószínű, hogy egy ilyen univerzum nem lenne alkalmas az élet számára. A felfúvódás a legkülönbözőbb méretekben lép fel. Hogyan fordulhatott elő, hogy a Világegyetem pontosan a létnek megfelelő tulajdonságokkal került ki a felfúvódásból? A finomhangolás problémájának megoldása ugyanaz, mint a 2. fejezetben tárgyalt kozmikus koincidenciák problémájának megoldása - ezúttal azonban nem csupán a más világokra vonatkozó filozófiai spekulációkra kell szorítkoznunk, hanem rendelkezésünkre áll a megfelelő kozmológiai háttér. Léteznie kell az univerzumok széles választékának, és a hozzánk hasonló életformák természete választja ki azt a fajta univerzumot, amelyet azután magunk körül megfigyelünk.

Az ötletet Andrei Linde, egy moszkvai születésű kozmológus karolta fel és fejlesztette tovább a felfúvódás összefüggésében. Linde számára, Vilenkinnel ellentétben, engedélyezték az akadémiai karriert a Szovjetunióban, így egészen a PhD címig eljutott (amelyet 1974-ben szerzett meg), majd folytatta tudományos munkáját. Ő az 1980-as évek végén vándorolt ki az Egyesült Államokba, ahol jelenleg a Stanford Egyetemen dolgozik. A kaotikus felfúvódásra vonatkozó elgondolásait azonban még Moszkvában, a Lebegyev Intézet munkatársaként fejlesztette ki. Lindének a felfúvódásra vonatkozó elképzeléseihez hasonló gondolatokat vetett fel az 1980-as évek elején tőle függetlenül a Pennsylvania Egyetemen Paul Steinhardt és Andreas Albrecht is.

Linde kulcsfontosságú felismerése az volt, hogy semmilyen különleges vagy speciális tulajdonságúnak sem kell lennie a téridő Planck-méretű tartományának, amely először felfúvódott, majd kényelmesebb tempóban tovább tágulva létrehozta a megfigyelhető Világegyetemünket. Létezhetnek más, ugyancsak Planck-méretű tartományok, esetleg végtelenül nagy számban, a téridő egy nagyobb, vagy talán végtelenül nagy tartományában, amelyekben a skalárterek minden fajtája működött és működik. Amit kvantumfizikai szinten néha „üres térnek” nevezünk, az valójában a kvantumfluktuációk nyüzsgő habja, ahol - amint Linde felismerte - bármelyik buborékban bekövetkezhet a felfúvódás. (Ez akár a mi Világegyetemünkön belül fellépő kvantumfluktuációk valamelyikében is bekövetkezhet; anélkül, hogy ez elsöpörné a mi létezésünket - amint azt majd a 7. fejezetben tárgyalom.) A Planck-részecskék némelyike csak a lehető legrövidebb ideig tágul, azután összeomlik, pontosan úgy, ahogyan azt Tryon eredeti elképzelésének bírálói felvetették. Mások egy ideig tágulnak ugyan, de nem elég sokáig ahhoz, hogy érdekes dolgok, mondjuk csillagok vagy emberek jelenhessenek meg bennük. Megint mások olyan gyorsan tágulnak, hogy az anyag túlságosan szétszóródik, és a nagyon ritka anyagból soha nem tudnak csillagok vagy bolygók összetömörülni. Végeredményben a téridő különböző tartományaiban különböző sebességgel táguló buborékok kaotikus zűrzavarát kapjuk, ahol a káosz szót hétköznapi értelmében használjuk, nem pedig a matematikai káoszelméletben szokásos értelmében. Mindezt akár egy éppen kinyitott palack pezsgő habzásához hasonlíthatnánk - ám esetünkben végtelen nagy palackra kell gondolnunk, hogy a hasonlatnak valami köze legyen a valósághoz.

Linde volt az, aki a kozmológiának ezt a változatát „kaotikus felfúvódásnak” nevezte el. Ebből azonnal és magától értetődő módon következik az, ami a kozmikus véletlen egybeesések standard, antropikus magyarázatává vált. A metauniverzumban lebegő, lehetséges buborékuniverzumok végtelen rendszerében mi elkerülhetetlenül egy olyan univerzumban találjuk magunkat, amelyikben a körülmények alkalmasak az élet számára, mert az élet számára alkalmatlan univerzumokban nincsenek jelen élőlények, akik megfigyelnék, mi történik ott. Más buborékoknak talán nemcsak más a mérete, és eltérő bennük a tágulás sebessége, hanem talán eltérő bennük a gravitáció erőssége vagy akár a nukleáris reakciók hatékonysága. Az eltérések annak köszönhetőek, ahogyan a skalártér kölcsönhatásra lépett a Planck-részecskével, és annak, ahogyan az alapvető kölcsönhatások szétváltak egymástól. Még az alapvető kölcsönhatások száma és az alapvető részecskék természete is eltérő lehet a különböző buborékokban. Max Tegmark ezt a fajta elrendeződést nevezi „II. típusú” multiverzumnak.

A kaotikus felfúvódásnak van egy további előnyös tulajdonsága is. A felfúvódás eredeti változatában - akárcsak a Világegyetem egy kvantumfluktuációból előbukkanó Tryon-féle változatában -, és az 1960-as és 1970-es évek standard Ősrobbanás-modelljében egyaránt felmerült a kérdés, hogy mi történt a Világegyetem születésekor, a szingularitás „előtt” vagy annak közvetlen közelében. A kaotikus felfúvódás szerint Világegyetemünk a téridő egy örökké létező tartományában bekövetkező kvantumfluktuációból nő ki, és ezzel pontosan egyenértékű folyamatok hoznak létre másutt a metauniverzumban hasonlóan felfúvódó tartományokat. A kaotikus felfúvódás metauniverzumában (akárcsak Hoyle és Narlikar C-térrel dolgozó kozmológiájában) az időnek nincs sem kezdete, sem pedig vége. Ez azt jelenti, hogy a kaotikus felfúvódás örökké tartó folyamat. Sajnos létezik egy hasonló, örök felfúvódásnak nevezett elképzelés (amelynek a megnevezését ugyancsak Linde találta ki), ahol viszont nem egészen ugyanerről van szó. A kaotikus felfúvódás egyebek között azt mondja el, miként kezdődhetett a Világegyetem története, az örök felfúvódás viszont, amelyet rövidesen bemutatok, egyebek között arra ad választ, miként érhet véget a Világegyetem története. Itt csak azért említem meg, hogy a továbbiakban elkerülhessem a fogalom összetévesztését az „örökké tartó” kaotikus felfúvódással.

Bár sok részlet még megoldatlan maradt, és a felfúvódás feladatának végrehajtására alkalmas skalártér tulajdonságainak megvitatása és kiszámítása nagy gyönyörűséget okoz a matematikusoknak és a fizikusoknak, mégis a kozmológiában jelenleg ez messze a „legjobb ajánlat”. Guth erről most így nyilatkozik: „nem ismerjük az összes részletet, a bizonyítékok azonban felettébb meggyőzőek, miszerint a felfúvódás alapvető mechanizmusa helyes”.

A részletkérdések némelyike, amelyekről a matematikusok olyan nagy előszeretettel vitatkoznak, ugyanolyan világtól elrugaszkodottnak tűnik a laikus számára, mint az egykor arról folytatott vita, hogy hány angyal képes egyszerre táncolni egy tű fokán. Van azonban egy olyan terület, ahol a vita rávilágít a felfúvódás és az alapvető fizikai ismereteink közötti izgalmas kapcsolat egy új szintjére, ahol felbukkannak a húroknak és a membránoknak nevezett objektumok. Ez lehetővé teszi a multiverzum megragadását egy újabb oldalról, ami ezért a következő fejezet tárgya lesz. Előbb azonban ki kell térnem egy másik kérdésre, amelyik a közelmúlt óta ugyancsak élénk viták tárgya a szakemberek körében, és lényeges abból a szempontból is, hogy kerekké tegye az itt adott beszámolómat. Emlékezzünk csak vissza, közelebbről megvizsgálva mennyire valószínűtlennek tűnt az univerzum méretű Boltzmann-fluktuáció, és mennyire valószínű az, hogy egy a miénkhez hasonló univerzum egy felfúvódó kvantumcsírából bukkan elő. De vajon tényleg igaz, hogy egy egyszerű formában megszülető, majd az idő múlásával egyre bonyolultabbá váló univerzum valószínűbb, mint egy olyan fluktuáció, amelyik egyetlen szempillantás alatt létrehozza az Ön egyik változatát, amint magányosan ül egy az örök káosszal körülvett szobában?

Örökké tartó felfúvódás és egyszerű kezdet

A ma örökké tartó felfúvódásként ismert ötlet először 1983-ban Alex Vilenkinnek jutott az eszébe. Rájött arra, hogy ha egyszer elindul a felfúvódás, akkor az többé már nem tud megállni - legalábbis az nem lehetséges, hogy a tágulás mindenütt megálljon. A legtermészetesebb dolog, ami a felfúvódó térrel történhet, hogy más energiaformákká bomlik el, majd végül anyaggá alakul át; ám a kvantummechanikai határozatlanságnak köszönhetően az inflációs tér bármely tartományában előfordulnak ingadozások a skalártér erősségében oly módon, hogy egyes, ritkán előforduló tartományokban ténylegesen erősebb lesz, a felfúvódás sebessége pedig emiatt megnő. Azután az egész mintázat fraktálszerűen a végtelenségig ismétlődik.

Statisztikai értelemben nagyon sok olyan további hely van, ahol a felfúvódás megáll, és a miénkhez hasonló (vagy éppen a miénktől eltérő!) buborékuniverzumok alakulnak ki; minthogy azonban az infláció rövid idő alatt rengeteg teret hoz létre, a felfúvódó tartományok által betöltött térfogat jelentős mértékben meghaladja a buborékok által elfoglalt térfogatot.

Bár bizonyos értelemben versengés áll fenn az inflációtól mentes buborékokat létrehozó skalárterek lebomlása és a még erőteljesebb inflációt keltő, ritka fluktuációk között, az utóbbiak egyértelmű fölényben vannak. Vilenkin ezt egy tápanyaggal bőségesen ellátott baktériumtenyészet lavinaszerű szaporodásához hasonlítja. A baktériumok osztódással szaporodnak, a rájuk jellemző általános szaporodási ütem pedig meghatározza a számuk megkétszereződéséhez szükséges karakterisztikus időt - a szaporodás exponenciális lesz, akárcsak a felfúvódás. Egyes baktériumok elpusztulnak, amikor megtámadják őket a ragadozók megfelelői. Ha azonban az elpusztított egyedek száma kisebb a teljes populáció egy kritikus hányadánál, akkor a tenyészet továbbra is exponenciálisan fejlődik. Az infláció esetében a helyzet kicsit más - a folyamatosan felfúvódó tartományok statisztikai értelemben ritkák, azonban mégis domináns szerepűek maradnak, ha a metauniverzumban általuk elfoglalt térfogatot vesszük figyelembe. Minthogy kvantumfluktuációk mindig létrejönnek, ezért mindig lesznek a térnek olyan tartományai, amelyek éppen felfúvódnak, így a térben mindig ezek képviselik a legnagyobb térfogatot.

Vilenkin kollégáit kezdetben nem nyűgözte le az új elképzelés, és bár Vilenkin publikálta a gondolatait, az 1980-as és 1990-es években nem sokat foglalkozott a témával. Andrei Linde volt annak a néhány embernek az egyike, akik komolyan vették az elgondolást. Linde a kaotikus infláció ötletével összefüggésben ezt továbbfejlesztette, és 1986-ban megjelentetett a témáról egy publikációt - ebben használta először az örökké tartó felfúvódás kifejezést. 1987-ben így fogalmazott (bár ő az „univerzum” szót használta ott, ahol én „metauniverzumot” említek): „az univerzum vég nélkül regenerálja önmagát, ezért nem létezik általános értelemben »az idő vége« ...az egész folyamat [a felfúvódás] a teremtés és az önreprodukció végtelen láncreakciójának tekinthető, amelynek nincs vége, és talán kezdete sem volt.” Ezt az „örökké létező, kaotikus, önreprodukáló, felfúvódó univerzumnak” nevezte. Az ötlet nem talált túlságosan lelkes fogadtatásra, és bár Linde erőteljesen népszerűsítette, az örökké tartó felfúvódást csak a XXI. század első éveiben kezdték igazán komolyan venni, miután felfedezték a sötét energia létezésére és a Világegyetem gyorsuló tágulására vonatkozó bizonyítékot.

Jelenleg minden bizonyíték abba az irányba mutat, hogy a mi Világegyetemünk örökké tágulni fog, méghozzá egyre gyorsuló ütemben. Ez a folyamat pontosan olyan, mintha a térnek az általunk lakott buborékát létrehozó felfúvódásnak egy lelassított változata lenne. Végső soron - és ebben az esetben nem számít, mennyi idő múlva, hiszen a végtelennel állunk szemben - az összes csillag kihuny, és a Világegyetem összes anyaga vagy sugárzássá bomlik le, vagy elnyelik a fekete lyukak. Azonban a fekete lyukak sem tartanak örökké. Bizonyos kvantummechanikai folyamatoknak köszönhetően az energia a fekete lyukakból is ki tud szivárogni sugárzás formájában. Ez egyre gyorsuló ütemben megy végbe, és végül egy gammavillanás formájában az egész fekete lyuk eltűnik. Ennek megfelelően a Világegyetem végső állapotában a térnek egy exponenciális ütemben táguló tartománya lesz, amelyet csekély sűrűségű sugárzás tölt ki. Ez pontosan az a helyzet, amelyet az Einstein-egyenletek de Sitter által megtalált megoldásai írnak le, ezért de Sitter-térnek nevezzük.

A de Sitter-tér a felfúvódás tökéletes talaja. A de Sitter-térben a sugárzás nyomaiban, valamint a sötét energiának nevezett skalártérben fellépő kvantumfluktuációk nagyritkán, néhány Planck-méretű tartományt hoznak létre, amelyek drámai sebességgel a miénkhez hasonló buborékuniverzumokká fúvódnak fel. Ha viszont az infláció már adott, akkor, amint azt Vilenkin és Linde több mint két évtizeddel ezelőtt megjósolta, a felfúvódás örökké tart. Az egyetemes gyorsulás és az ezzel kapcsolatban lévő kozmológiai állandó felfedezése az örökké tartó felfúvódás múltjával és jelenével is összeköt bennünket, talán egy kaotikus metauniverzumban. Mindez arra enged következtetni, hogy a mi Világegyetemünk egy de Sitter-térben született, és ugyancsak egy de Sitter-térben fog véget érni. Olyan ez, mintha minden újra kezdődne - azután újra és megint újra. Ha elvégezzük a pontos számításokat, akkor arra is fény derül, miért sokkal valószínűbbek azok a kicsiny fluktuációk, amelyek felfúvódva bonyolult univerzumokká fejlődnek, mint azok a fluktuációk, amelyek a káosz által körülvett szobában magányosan ülő embert hoznak létre.

Boltzmann agya, az idő iránya és a fizika oksági tartományai

A felfúvódással és az exponenciálisan táguló de Sitter-térrel összefüggésben, a mi buborék-Világegyetemünkre vonatkozóan akkor is van értelme az idő termodinamikai értelemben vett irányáról beszélni, ha a nagyobb metauniverzum lényegében időtlen. Az univerzumokat létrehozó fluktuációk továbbra is az egyensúlyi állapottól való eltéréseket jelentik, ezért az, ahogyan ezek visszatérnek az egyensúlyi állapotba, kijelöli számunkra az idő irányát. A Világegyetem, amelyben élünk, kis entrópiájú állapotban kezdődött, és nagy entrópiájú állapotban fog véget érni. Az exponenciálisan táguló, és a kozmológiai állandóért felelős sötét energián kívül semmi egyebet nem tartalmazó tér végállapota a fekete lyuk. Ha a fekete lyuk az összeomlás végső állapota, akkor a de Sitter-teret a „szétomlás” végső állapotának nevezhetjük. A fekete lyukak fizikájára vonatkozó egyenleteket mintegy „kifordítva” alkalmazva, a kozmológusok ki tudják számítani a de Sitter-tér entrópiáját, amiről kiderül, hogy tényleg nagyon nagy - olyan nagy, amilyen csak olyasvalaminek lehet az entrópiája, ami úgy kezdődik, mint a mi Világegyetemünk, és létezik benne a kozmológiai állandó. Eddig tehát rendben is volnánk. A Világegyetem, termodinamikai értelemben a megfelelő irányban halad, figyelembe véve, honnan indult. Ez viszont visszavezet bennünket ahhoz a kérdéshez, amely már Boltzmannt is nyugtalanította: miként kezdődhetett a Világegyetem története egy alacsony entrópiájú állapotban?

Évszázadunk első éveiben a Stanford Egyetem és a Massachusetts Műszaki Egyetem (MIT) kutatóinak egy csoportja ki akarta ugratni a kozmológiai nyulat a bokorból, amikor azt vetették fel, hogy a miénkhez hasonló világok túlnyomó többsége még a felfúvódást figyelembe véve sem indulhat ki egy alacsony entrópiájú állapotból. A rejtély értelmében még mindig egyszerűbb létrehozni egy szobában magányosan ülő egyént, vagy egy csupasz agyat (hamis) emlékekkel az Ősrobbanásról és a Világegyetem történetéről (és ugyanilyen hamis emlékeket arról, hogy korábban ebben a könyvben már olvasott a Boltzmann-fluktuációkról), mint megalkotni magát a Világegyetemet. (Természetesen, ha csak egy puszta agyról van szó, akkor az emlékek valóságosak, de az események, amelyekre emlékszik, valójában soha nem történtek meg.) Ezt néha a „Boltzmann agya” paradoxonnak nevezik, mert úgy tűnik, hogy egy csupasz agy, amelyik elegendően hosszú ideig fennmaradhat ahhoz, hogy mindent „tudjon”, amit mi tudni vélünk a Világegyetemről, lehet a legegyszerűbb statisztikai fluktuáció, amelyik magyarázatot ad arra, miért érzi Ön úgy, mintha a szobájában ülve ezt a könyvet olvasná.

Az érvelés a megfelelő egyenletek a téridőnek a mi Világegyetemünket alkotó régiójára alkalmazásán alapult. Minthogy semmi sem mozoghat gyorsabban a fénynél, ezért csak azok az objektumok lehetnek bármilyen hatással egymásra, amelyek elég közel vannak egymáshoz ahhoz, hogy az Ősrobbanás óta eltelt idő alatt a fény megtegye a közöttük lévő távolságot. Az egyik ilyen objektum elő tud idézni valamilyen változást az univerzumnak ugyanabban a tartományában található másik objektumon, ám ugyanezen a tartományon kívül semmilyen eseményt sem tud kiváltani. Érthető módon a téridőnek ezeket a régióit oksági tartományoknak nevezzük. Az oksági tartományok kozmológiájában csak azoknak az eseményeknek tulajdonítunk fizikai jelentést, amelyeket egymással oksági kapcsolatban állóknak nevezünk. Ez egyenértékű azzal, mintha a Világegyetemet egyetlen, véges rendszernek tekintenénk, amelyik egy tényleges egyensúlyi állapot, nevezetesen a de Sitter-tér felé fejlődik - ez volt a Stanford/MIT csoport megközelítésmódja.

Ám a kaotikus infláció, az örökké tartó felfúvódás, és az ezekhez hasonló elképzelések lényege az, hogy létezik a téridőnek egy sokkal nagyobb (talán végtelenül nagy) régiója a mi buborékunk határain túl - vagyis a kozmikus horizontunkon túl. Bár nincs arra mód, hogy bármi, amit teszünk, valaha is befolyással legyen arra, ami a mi buborékunkon kívül történik, mégis kiderül, hogy egy ilyen metauniverzum létezésének statisztikai következményei azért elemezhetők. Ez olyan, mintha a Világegyetem parányi része lenne egy sokkal hatalmasabb rendszernek, amely a saját idejének messze legnagyobb részét egyensúlyi állapotban tölti.

Elemzésünk szempontjából kulcsfontosságú különbséget jelent az, hogy a nagy metauniverzumon belül a fluktuációk tetszés szerinti irányúak lehetnek, vagyis akár a nagyobb, akár a kisebb entrópia irányában bekövetkezhetnek, és hogy az entrópia ugyanolyan gyakran nő meg, mint amilyen gyakran lecsökken. Amikor Andreas Albrecht és Lorenzo Sorbo (akkor a Davisi Kalifornia Egyetemen) 2004 folyamán elvégezték a megfelelő számításokat, megállapították, hogy egyrészt az infláció messze a legvalószínűbb fajta a bekövetkező fluktuációk között - sokkal valószínűbb egy „standard” Ősrobbanást létrehozó fluktuációnál -, másrészt, még a standard Ősrobbanást létrehozó fluktuáció is sokkal, de sokkal valószínűbb, mint egy csupasz agyat létrehozó fluktuáció. A lényeg, ami a különbséget okozza, hogy a majdan a miénkhez hasonló univerzummá fejlődő fluktuáció - kis entrópiája révén - egyfajta hitelt nyújt, ami segít a metauniverzum többi részének egyensúlyban maradni.

Albrecht és Sorbo kidolgoztak egy analógiát, amelyben egy nagy, átlagosan egyensúlyban lévő sugárzással kitöltött tartály szerepel, amiben azonban statisztikus fluktuációk lépnek fel. Képzeljünk el egy olyan helyzetet, amikor a tartály egyik sarkában egy 1 köbcentiméteres kockában lévő összes sugárzás 1 köbmilliméter térfogatba zsúfolódik össze. Ez a tartálynak abban az 1 köbmilliméteres térfogatában megnöveli az entrópiát. Most képzeljünk el egy hasonló helyzetet, amikor viszont 2 köbcentiméter térfogat összes sugárzása zsúfolódik bele az 1 köbmilliméterbe. A második esetben az 1 köbmilliméteres kocka entrópiája nagyobb, mint az első esetben, ha tehát csak a helyi termodinamikai viszonyokat vizsgáljuk, akkor azt kell mondanunk, hogy a második eset nagyobb valószínűséggel következik be, mint az első. Ha viszont az egész tartályt nézzük, akkor azt látjuk, hogy az első esetben a tartály nagyobb részében van a sugárzás egyensúlyban, eszerint tehát az első fluktuáció valószínűbb, mint a második, annak ellenére, hogy az egy lokálisan alacsonyabb entrópiájú állapotot eredményez. A tartály egészére nézve viszont ennek az állapotnak nagyobb az entrópiája, mint a második esetben leírt állapotnak. A matematikai módszerrel alátámasztott különbséget a szemléletbeli különbség okozza, hasonlóan ahhoz a különbséghez, mint amikor az oksági tartományok fizikáját alkalmazzuk, illetve a kozmikus horizontunkon túl lévő metauniverzumot vizsgáljuk.

A lényeg az, hogy a felfúvódás megindulásához csak a lehetséges legkisebb térfogatra, egy kvantumtérfogatra van szükség, ezért a folyamat a metauniverzum többi részét egyensúlyban hagyja a magas entrópiájú állapotában. Sőt mi több, az a kvantum nagyon egyszerű állapotban van. De ha a homogén metauniverzumon belül, a felfúvódás segítsége nélkül egy olyan univerzumot akarunk létrehozni, mint a mi magunk oksági tartománya, akkor egy grapefruit nagyságú fluktuációra lenne szükségünk, ami elképzelhetetlenül nagyszámú, és komplex módon elrendeződött kvantumtérfogatból áll. Ez viszont sokkal-sokkal valószínűtlenebb.

Mindennek a meglepő, de érdekes következménye az lesz, hogy bár a mi oksági tartományunkon kívülről semmi sem lehet befolyással ránk, mi csakis azért vagyunk itt, mert mindaz létezik, ami rajtunk kívül esik. Minthogy az a feltevés, mely szerint a mi Világegyetemünk egyedi és véges rendszer, Boltzmann agyának paradoxonához vezet, míg az a feltevés, miszerint a Világegyetem csak egyike a végtelen metauniverzum számtalan buborékuniverzumának, arra a következtetésre vezet, hogy az ilyen univerzumok létezése nagyon valószínű. Úgy tűnik, hogy éppen a mi magunk létezése jelenti a legjobb bizonyítékot amellett, hogy nem egy véges és egyetlen Világegyetemben élünk. És mindaz, ami a mi oksági tartományunkon kívül fekszik, számtalan másolatban tartalmaz bennünket - hangsúlyozza Vilenkin. Ahelyett, hogy Ön egy elszigetelt Boltzmann-agyként létezne, a metauniverzum végtelen számban tartalmazza az Ön agyának másolatait, továbbá végtelenül sok példányban mindenki más agyának a másolatait is, természetesen mindegyiket egy számára kényelmes, élő testben elhelyezve.

A végtelenig - és azon túl!

A Toy Story (Játékháború) című film egyik szereplője, Buzz Lightyear jelszava „a végtelenig - és azon túl!” Buzz szerepe szerint távolról sem a szereplők legokosabbika, éppen ezért a forgatókönyvírók természetesen viccnek szánták a jelmondatot, hiszen úgy gondolták, hogy a végtelenen túl semmi sincs. Előfordulhat azonban, hogy ezúttal a vicc visszafelé sült el. Alex Vilenkin szerint Világegyetemünk végtelen, ennek ellenére létezik az „azon túl”, amelynek a mi Világegyetemünk csupán aprócska része. Ez hatalmas előrelépés ahhoz a képhez képest, amely szerint a mi Világegyetemünk egy nagy, de véges buborék egy végtelenül nagy metauniverzumon belül. Ez a lépés azoknak a különböző nézőpontoknak az eredménye, amelyek az általános relativitáselmélet keretén belül megengedettek (vagy valójában kötelezőek).

Az elképzelés, amely szerint a mi Világegyetemünk egy hatalmas, de véges buborék a végtelen és örökké táguló metauniverzumon belül, megfelel annak, amit Vilenkin a kozmosz „globális képének” nevez. Ebben az időnek nincs kezdete, és nem lehet nyilvánvaló módon megfeleltetni az idő egyes buborékokon belül mért múlását annak, ami a buborékokon kívül történik. Termodinamikai nézőpontból tekintve, valójában nem is világos, hogy az idő múlásának van-e bármiféle jelentése a metauniverzumban, amely átlagosan mindig ugyanolyan általános összképet mutat. Ezzel szemben minden egyes buborékuniverzumon belül az intelligens megfigyelők érzékelik az idő meghatározott kezdetét, ami a saját univerzumuk saját ősrobbanása eredetének felel meg. Ennek furcsa eredményeképpen az ilyen megfigyelők belülről szemlélődő nézőpontjából minden egyes buborékuniverzum végtelen kiterjedésűnek tűnik.

Vilenkin szerint, ha nem akarunk belemenni a matematikai részletekbe, ez a galaxisok számlálásának elképzelésével szemléltethető a legjobban. Globális nézőpontból azt látjuk, hogy az új galaxisok mindig a táguló buborékuniverzumok határa közelében keletkeznek, és mivel végtelen idő áll rendelkezésünkre, ez egyúttal azt is jelenti, hogy minden egyes buborékban végtelen számú galaxisnak kell lennie. Pontosan ennyi galaxisnak kell belülről is látszania, annak ellenére, hogy egy adott megfigyelő számára technikailag lehetetlen az összeset látni. Azonban ebből a belső nézőpontból - ahogyan mi, innen a Földről, azt látjuk, hogy a Világegyetem 13,7 milliárd éves - mindezek a galaxisok egyidejűleg léteznek, a saját univerzumunk saját ősrobbanása óta azonban csak véges idő állt rendelkezésre ezek létrejöttéhez. Véges idő alatt viszont csak úgy lehet végtelen számú galaxisunk, ha a tér végtelen. Eszerint tehát lakói belső szemszögéből nézve, minden egyes buborékuniverzum végtelen kiterjedésű. Ezt úgy nevezzük, hogy „belülről végtelen”.

Valójában a nézőpont változása azt jelenti, hogy a globális szemléletbeli végtelen időt átkonvertáltuk a lokális, vagyis a buborék belső nézőpontja szerinti végtelen térré. A tér és az idő közötti, a megfigyelő nézőpontjától függő kicserélődés pontosan ugyanolyan, mint amit Einstein már a speciális relativitáselméletében, több mint száz évvel ezelőtt felismert. Ez a modern természettudomány talpköve, amelyben a fizikusok teljességgel otthonosan mozognak, és amelynek minden következményét illik komolyan venni.

A történet már idáig is elég elképesztő. Vilenkin és kollégái azonban tovább mentek, és a miénket is beleértve az egyes buborékuniverzumokra nézve elemezték a következményeket. Valójában ezúttal figyelmen kívül hagyhatjuk a mi univerzumunkon kívül eső világot, és csak az általunk lakott Világegyetemre vonatkozó következményeket vesszük szemügyre.

Az ebben a fejezetben bemutatott összes bizonyíték azt mutatja, hogy a mi Világegyetemünk a táguló tér egy végtelenül nagy buboréka - legalábbis a mi szemszögünkből nézve, már pedig most csak ez számít. Bármely megfigyelő a Világegyetemben - mondjuk a Föld valamelyik hegycsúcsára épített obszervatóriumban dolgozó csillagász - csak olyan messzire láthat el a Világegyetemben, amekkora utat a fény az Ősrobbanás óta megtehetett. Bár az Ősrobbanás 13,7 milliárd évvel ezelőtt történt, a ma megfigyelhető legtávolabbi objektumok azonban mégsem 13,7 milliárd fényévre vannak tőlünk, hanem nagyjából 40 milliárd fényévre, mert mialatt a fénysugár úton volt felénk, maga a tér is tágult. A Világegyetemnek az egy adott megfigyelő által belátható tartományát Vilenkin O-régiónak (O, mint „observable”, azaz megfigyelhető) nevezi, eszerint tehát a mi O-régiónk mintegy 80 milliárd fényév átmérőjű. A kozmikus időnek a jelen pillanatában, amikor a Világegyetem 13,7 milliárd éves, a mi Világegyetemünkben minden egyes megfigyelő hasonló helyzetben van. Mindegyikük egy 80 milliárd fényév átmérőjű O-régió középpontjában helyezkedik el. Minthogy a Világegyetem végtelen, ez azt jelenti, hogy végtelenül sok O-régió létezik. Arra gondolhatnánk, hogy ezek mind különböznek egymástól, azonban Vilenkinnek más a véleménye.

Vilenkin példájában egy személy - például Ön - egy centiméterrel hátrébb tolja a székét. Vilenkin szerint létezik egy másik O-régió, amelyik minden vonatkozásban azonos a miénkkel, de a szék egyáltalán nem mozdult el, egy harmadik, amelyikben nem 1 cm-rel, hanem csak 0,9 cm-re tolódott hátrébb, a következőben 0,99 cm-re, valamelyikben 0,999 cm-re, és így tovább. Úgy tűnik, mintha ez egy végtelen sorozat lenne, vagyis a szék végtelen sok lehetséges helyzetbe kerülhetne. Vilenkin azonban rámutat, hogy ez nem igaz, mert a kvantummechanikai határozatlanság miatt egyszer elérkezünk egy olyan pontig, ahol a szék különböző pozíciói már nem különböztethetők meg egymástól - nem azért, mert a távolság mérhetetlenül kicsivé válik, hanem azért, mert olyan kis távolságokról már nincs értelme beszélni.

Ezek szerint a széknek csak véges számú lehetséges pozíciója van - bár a szám elképesztően nagy, de mégiscsak véges. Ugyanilyen módon ezt az érvelést mindenre alkalmazhatjuk, ami csak az O-régióban található, az elemi részecskéktől a galaxisok szuperhalmazaiig, és akkor arra a következtetésre jutunk, hogy csak véges számú módon lehet az O-régiókat megkülönböztetni egymástól. Márpedig egy végtelen Világegyetemben ez azt jelenti, hogy végtelen számú olyan O-régiónak kell léteznie, amelyek minden részletükben, pontosan megegyeznek egymással. Ez a kép éppen ellentétes azzal, mint amikor a Boltzmann-féle agy (átmenetileg) csupaszon lebeg a káosz közepette, Vilenkin felfogása szerint ugyanis Önnek végtelen számú másolata létezik, amelyek éppen ennek a könyvnek a végtelen számú példányát olvassák, a végtelen számú, és a miénkkel teljesen azonos Földön. Amint Vilenkin rámutat: „végtelen számban kell olyan régióknak létezniük, amelyek története szó szerint azonos a miénkkel”.

Akárcsak a kvantummechanika sokvilág-értelmezése esetében, ezúttal is rengeteg olyan O-régió létezik, amelyek csak kissé különböznek egymástól, de még több olyan fordul elő, ahol a dolgok gyökeresen másképpen alakulnak. „A dolgok sokkal többféleképpen tudnak különbözőek lenni, mint ahányféleképpen azonosak lehetnek”, mondja Vilenkin. A lényeg azonban az, hogy ehhez nincs szükségünk a sokvilág-értelmezésre, minden abban az egyetlen, végtelen Világegyetemben történik, amelyet három térbeli és egy időbeli dimenzió alkot. Természetesen ettől függetlenül a sokvilág-értelmezés is érvényes lehet, de amint arra Vilenkin rámutat, az ő felfogása szerint a Világegyetem „mindezt a sok világot egyben” nyújtja számunkra.

Mindez matematikai tartalommal ruházza fel a filozófiai spekulációk csontvázát, amely szerint egy végtelen Világegyetemben akármi megtörténhet - amint azt Andrej Szaharov orosz tudós és emberi jogi aktivista 1975-ben, a Nobel-békedíj átvétele alkalmából tartott előadásában megfogalmazta (Oslo, 1975. december 11.; az előadást felesége, Jelena Bonner Szaharova olvasta fel, mert Szaharovot a szovjet hatóságok politikai okokból nem engedték kiutazni a díjátadó ünnepségre - a fordító megjegyzése):

A végtelen térben sok civilizációnak kell léteznie, közöttük talán olyan társadalmak is vannak, amelyek bölcsebbek és „sikeresebbek” nálunk. A magam részéről támogatom azt a kozmológiai hipotézist, amely azt állítja, hogy alapvető jellemzőit tekintve az univerzum fejlődése végtelenül sokszor megismétlődik.

Az örökké tartó felfúvódás ezeket a gondolatokat a puszta hipotézisnél magasabb szintre emelve szilárdan beépíti a fizika birodalmába. Biztosítja, hogy a miénkhez hasonló univerzumok belülről szemlélve végtelenek legyenek, a felfúvódás alatt létrejövő kvantumfluktuációk gondoskodnak arról, hogy a véletlen folyamatok az univerzális téma minden lehetséges variációját létrehozzák, szemben például egy olyan végtelen univerzummal, amelyet a mi Tejútrendszerünk végtelen számú másolata tölt ki. A Cambridge-i Egyetem kozmológusa, John Barrow hangsúlyozza a Világegyetem ezen új szemléletű felfogásának a fontosságát. Véleménye szerint az örökké tartó felfúvódás arra a következtetésre csábít, hogy a világegyetem-szerkeztek minden logikailag lehetséges változata megvalósul a lehetséges világok széles választékából. Ezek a példák fontosak ahhoz, hogy megértsük, mit is jelent az összes lehetséges világ fogalma, mert megmutatják, maguk a fizikai törvények hozhatják létre a logikailag lehetséges körülmények végtelen skáláját a Világegyetemen belül, ha az végtelen méretű és nem kell olyan metafizikai fogalmakat bevonnunk, mint „más világegyetemek” létezése párhuzamos valóságokban.

Vagy pedig, amint arra Alan Guth rámutat, „a felfúvódás szépen ránk erőlteti a sokszoros univerzumok elképzelését”.

Azt hihetnénk, hogy ez az utolsó szó, és ezzel véget ér a multiverzum keresése. Bizonyos értelemben az is - nincs szükségünk semmi másra, mint a magunk körül látható Világegyetem létezésére, és az ebben a fejezetben bemutatott gondolatokra ahhoz, hogy igazolva lássuk (vagy megköveteljük) a multiverzum elképzelését. Az elméleti fizikusok azonban ritkán elégednek meg azzal, amit muszáj tudniuk. Amint Barrow megfogalmazza, konzervatív megoldás lenne, ha itt megállnánk a kutatásban. A forradalmi megközelítés szerint viszont magunkévá tesszük az új eszméket, még akkor is, ha azok túlmennek a „részecske”-fizika eredményein alapuló sokvilág-értelmezésen, amely szerint még a mi négydimenziós téridőnk is egy sokdimenziós keret valamilyen „lokális” realizálódása. Mindezen spekulációk szerint a húr a lényeg, vagyis létezik még egy mód, ami előidézheti a felfúvódást, vagy valami ahhoz hasonlót.

6. A húrok a lényeg

A fizikai világról alkotott modern felfogásunk értelmében az alapvető részecskéket, mint például az elektronokat már nem parányi gömböknek vagy matematikai pontoknak kellene tekintenünk, hanem valamilyen, prózaian csak „húroknak” nevezett, rezgő közegből létrejött hurkoknak. A húrok szemléltetésére az egyik lehetőség, ha valamilyen apró, megfeszített, rugalmas szál különböző módusú rezgéseire gondolunk, mintha különböző magasságú zenei hangokat szólaltatnánk meg egyetlen gitárhúron. Egyfajta rezgés - egy bizonyos magasságú „hang” - felel meg az elektronnak, másfajta rezgés a fotonnak, és így tovább. Ugyanaz az alapvető objektum, azaz egyfajta húr lenne felelős a világunkat felépítő összes részecske megjelenítéséért, beleértve a kölcsönhatásokat közvetítő részecskéket, például a fotonokat is, valamint az anyagi részecskéknek tekintett objektumokat.

Ez magyarázatot ad a húrelmélet vonzerejére. A húrelmélet egyetlen csomagba egyesíti a természetben megtalálható összes részecske és kölcsönhatás leírását, vagyis úgy tűnik, ez a régóta keresett mindenség elmélete. Története azonban nem ilyen simán indult.

Az 1960-as évek végén két, a CERN-ben dolgozó fizikus, Gabriel Veneziano és Mahiko Suzuki kidolgozta a részecskék nagy energiájú ütközéseinek matematikai leírását, ami a CERN-ben vizsgált részecskenyalábok ütközéseinek leírásához volt szükséges. Egymástól függetlenül arra a megállapításra jutottak, hogy a folyamat leírására egy bizonyos matematikai kifejezést, az úgynevezett Euler-féle béta-függvényt lehet használni. Abban az időben még fogalmuk sem volt róla, mit jelenthet ez a mikrovilág fizikai természetét illetően, egyszerűen csak hasznos matematikai segédeszköznek tekintették, amelyik már a XIX. század óta ismert volt, és most úgy tűnt, kielégíti a várakozásaikat. Amikor azonban munkájuk híre elért az Egyesült Államokba, akkor ott két különböző városban két fiatal fizikus rájött arra, hogy ez a matematikai tárgyalásmód, amelyik olyan jól használható a részecskék ütközésének leírására, úgy is értelmezhető, mint ami két „húrból” álló hurok találkozását, összekapcsolódását, egy ideig történő rezgését, majd új, rezgő húrokból álló hurkoltra történő szétválását írja le.

Egyikük, Yoichiro Nambu a Chicagói Egyetemen, a másik fizikus, Leonard Susskind pedig New Yorkban, a Yeshiva Egyetemen dolgozott. Susskind visszaemlékezése szerint abban az időben ő egyáltalán nem is részecskefizikával foglalkozott, de észrevette, hogy „szép, egyszerű matematikai módszerekkel” meg lehet oldani a részecskefizika problémáit. A rezgő hurkokat „gumiszalagoknak” nevezte, és két napig úgy érezte, ő az egyetlen ember a világon, aki érti, hogyan működik a részecskék ütközése. Ezután viszont megtudta, hogy Nambunak pontosan ugyanakkor, pontosan ugyanaz az ötlet jutott az eszébe, ezért sietve leírta és publikálta felfedezését, hogy az egész világ értesüljön róla. (Később kiderült, hogy Holger Nielsen dán fizikus kicsit más formában ugyan, de szintén előállt ezzel az ötlettel, de azt soha nem dolgozta ki részletekbe menően.) Nem kellett volna azonban annyira rohannia. A fizikusok társadalma a húrelmélet korai, Nambu-és Susskind-féle változatára szinte teljes közönyösséggel reagált. Az 1970-es években még az az elképzelés állt a kutatás középpontjában, hogy az elemi „részecskék”, mint például a protonok és a neutronok a kvarkoknak nevezett, alapvető objektumok különböző kombinációiként épülnek fel, márpedig ehhez a leíráshoz - úgy tűnt - semmiféle húrokra nem volt szükség.

Volt azonban egy zavaró tulajdonsága a részecskefizika standard modelljének, amely azon a feltevésen alapult, hogy az elektronok, a kvarkok és az egyéb objektumok pontszerű részecskék. Ha a részecskék a szó szoros értelmében nulla térbeli kiterjedésű (nulladimenziós) matematikai pontok formájában léteztek, akkor az elméletben a legkevésbé sem kívánatos végtelenek bukkantak fel. Egyszerű példaként tekintsük az elektromos erő fordított négyzetes erőtörvényét. Eszerint két elektromosan töltött részecske közötti erő nagysága fordítva arányos a közöttük lévő távolság négyzetével. Ha egy töltött részecske térfogata nulla, akkor a részecskére önmaga által kifejtett erő (a részecske önkölcsönhatása) végtelen lenne, hiszen az 1-et a nulla négyzetével kellene elosztanunk. Ennek eredményeképpen viszont az elektronok és a hasonló objektumok szétrobbannának.

A végteleneket tartalmazó elméleteket általában mély gyanakvással fogadják a fizikusok, és ebben igazuk is van; ám a standard modell máskülönben olyan sikeresnek bizonyult, hogy megtanultak együtt élni vele. Megtanulták kikerülni a végteleneket, bár a jelenlétük miatt továbbra is kényelmetlenül érezték magukat azok az elméleti fizikusok, akik megkockáztatták, hogy ilyesmiken gondolkozzanak. A végtelenektől való megszabadulás hagyományos módját a kvantumtérelméletben az úgynevezett renormálás jelenti, ami lényegében azt jelenti, hogy az egyik végtelent elosztják egy másik végtelennel, így azok kiejtik egymást, noha bármely matematikus felettébb kétes értékűnek tartja ezt az eljárást. Kezdettől fogva az volt a húrelmélet egyik legvonzóbb tulajdonsága, hogy véges kiterjedésű objektumokkal dolgozott, ezért a számításokban soha nem bukkantak fel sem nullák, sem végtelenek. Ugyanakkor azonban a húrelmélet korai változatainak voltak hibái, és nem volt alkalmazható a részecskék összes ismert változatára. Éppen ezért a mindenség elméletének keresése során a fizikusok inkább a kvarkokra összpontosították figyelmüket, a húrelmélet pedig elerőtlenedett, mert csak néhány matematikus foglalkozott vele, mindenekelőtt John Schwarz Princetonban és Michael Green Londonban. A húrelméletet csak akkor kezdték mégis komolyan venni, amikor szinte véletlenül kiderült, hogy az a gravitáció leírását is tartalmazza. (Kicsit kényelmetlenül érzem magamat, amikor „húrmodell” helyett „húrelméletről” beszélek, hiszen ezeket az elképzeléseket eddig még nem sikerült kísérletekkel ellenőrizni. Mindamellett, a gravitáció létezésének „előrejelzésével” elért sikerének köszönhetően sok fizikus elfogadható elméletnek tartja, ezért a továbbiakban én is ezt a kifejezést fogom használni.)

A gravitáció a figyelem középpontjába kerül

A gravitáció beépítése a mindenség elméletébe a XX. század végén a Szent Grál megtalálását jelentette az elméleti fizikusok számára. A nagy egyesített elmélet többé-kevésbé kielégítően tartalmazta az összes többi kölcsönhatás és részecske leírását, még a kvarkok ötletét is; a fizikai világ gravitációt is magában foglaló leírása azonban kemény diónak bizonyult. Ennek két oka volt. Egyrészt a gravitáció messze a leggyengébb az alapvető kölcsönhatások között, másrészt van néhány szokatlan tulajdonsága, amelyek a gravitációs kölcsönhatást hordozó részecske, vagyis a foton gravitációs megfelelője, az úgynevezett graviton természetét illeti.

A graviton matematikai leírását a fotonhoz képest az teszi olyan nehézzé, hogy a gravitonok egymással is kölcsönhatásba léphetnek. A fotonok a töltött részecskékkel, például az elektronokkal kölcsönhatnak, és az elektromos erőt közvetítik egyik részecskétől a másikig. Két foton között azonban nem lép fel közvetlen kölcsönhatás. A gravitonok a gravitációs erőt közvetítik két test között, de az egyik graviton közvetlen hatással lehet egy másikra, ami rendkívül bonyolulttá teszi a helyzetet. Az elméleti fizikusokat nem rettentették el a nehézségek, ezért az 1970-es években megpróbálták megtalálni a gravitonok viselkedése leírásának a módját, hogy ezzel kiegészíthessék a kvantumvilág leírását. Szakszerűbben szólva, a kvantumtérelmélet keretében keresték a tömeg nélküli, 2-es spinű bozonok megfelelő matematikai leírását. Azért volt szükségük erre, hogy a természet összes részecskéjét és kölcsönhatását magába foglaló, teljes, kvantumos leírás álljon a rendelkezésükre.

Miközben sok elméleti fizikus ezzel a problémával küszködött, a húrelmélettel foglalkozó néhány kollégájuknak kétszeres áttörést sikerült elérnie. Először is, finomították a húrok alapvető fogalmát, így azok sokkal kisebb objektumokat jelentettek, mint a Nambu és Susskind által eredetileg javasolt „gumiszalagok”. A húroknak ezek az újfajta hurkai valójában olyan kicsik voltak, hogy rezgéseik még a kvarkok tulajdonságairól is számot tudtak adni (a kvarkok a feltételezések szerint olyan alapvető objektumok, amelyek más részecskék, így a protonok és a neutronok belsejében rejtőznek). Ez azt jelentette, hogy a húrelmélet reprodukálni tudja a kvarkelmélet és az abból származtatott további elméletek összes sikerét, anélkül, hogy a nem szívesen látott végtelenekkel kellene bajlódni. A második áttörés „Dóó! Hogy lehet, hogy eddig erre még nem gondoltunk!?” jellegű felismerés volt. (A „Dóó!” [D’oh!] Homer Simpson szavajárása a Simpson-család című rajzfilmsorozatban - a fordító megjegyzése.)

Két megközelítés és egy harmadik

A húrelmélet tökéletesítése során az olyan „részecskék”, mint például a kvarkok leírásának beépítésére irányuló erőfeszítéseik közben az elméleti fizikusok minduntalan azt vették észre, hogy az egyenletek egy olyan részecske leírását is tartalmazzák, amelyet nem is kerestek, és amely - úgy tűnt - további számításaik útjában áll. Minden általuk ismert módon megpróbáltak megszabadulni tőle, de sikertelenül. Úgy látszott, hogy ha a húrelmélet segítségével akarják leírni a számukra érdekes részecskéket, akkor el kell tűrniük egy másfajta részecske jelenlétét is a leírásban - méghozzá egy meglehetősen bonyolult típusú részecskéét. A részecske ugyanis - talán Önök már sejtik - egy tömeg nélküli, 2-es spinű bozon volt. Anélkül tehát, hogy bárki kérte volna, a húrelmélet megadta a graviton matematikai leírását. Ez az áttörés az 1980-as évek közepén történt, Schwarz és Green felfedezéséből kiindulva létrejött tehát a teljes húrelmélet. Nem tartalmazott végteleneket és más anomáliákat, így jó eséllyel pályázott a mindenség elmélete címre. Az a tény, hogy ez az elmélet megkövetelte a gravitonok létezését, John Schwarz megfogalmazása szerint egy „mély igazság”. Más kvantumtérelméletek esetében minden másnak a leírásából indulunk ki, azután megpróbáljuk hozzáadni a gravitációt; ezzel szemben a húrelméletet lehetetlen a gravitáció nélkül megalkotni. Ettől kezdve komolyan vették a húrelméletet.

A húrelmélet és a gravitonok közötti kapcsolat mélysége akkor érzékelhető igazán, ha a gravitonokat mindkét oldalról megvizsgáljuk. A XX. század fizikájának két legjelentősebb elmélete az általános relativitáselmélet és a kvantumelmélet. A régóta keresett mindenség elméletének egyik vonása - valójában a kulcsfontosságú erénye - éppen az, hogy ezt a két nagy elméletet egyesítve akarná megadni a gravitáció kvantumfizikai leírását. Ha a gravitáció Einstein-féle leírásából, a görbült téridőből indulunk ki, akkor szükségszerűen eljutunk a gravitációs sugárzás jelenségéig - ami nem más, mint a téridő szerkezetének apró hullámai. Ezután a kvantumelmélet azt állítja, hogy ezek a hullámok egy részecskével, a gravitonnal állnak kapcsolatban, éppúgy, ahogy a fényhullámoknak is megfelel egy részecske, a foton. Ám amint Richard Feynman az 1960-as években Lectures on Gravity (Előadások a gravitációról) című könyvében kijelentette, ha egy tömeg nélküli, 2-es spinű bozonra alapozott kvantumtérelméletből indulunk ki, akkor felfelé építkezve eljuthatunk az általános relativitáselméletig. A húrelmélet reményt nyújt arra, hogy a kvantumvilág jelenségeiből kiindulva mégiscsak megtaláljuk a mindenség elméletét, mert a húrelmélet megfelelő érvet ad az elméleti fizikusok kezébe arra nézve, hogy miért éppen egy tömeg nélküli, 2-es spinű bozonból és ne valamilyen más részecskéből induljanak ki.

Mindamellett, van a mindenség elméletének egy második lehetséges megközelítési módja is, amelyik az általános relativitáselméletből indul, és (remélhetőleg) ugyanarra a végkövetkeztetésre lyukad ki, ezt hurok-kvantumgravitációnak (hurokgravitáció, kvantumgeometria) nevezzük. Itt nem szándékozom többet mondani róla, mert semmivel sem járul hozzá a multiverzum keresésének történetéhez, annyit azonban érdemes megjegyezni, hogy nem a húrelmélet az egyetlen játékos a pályán - bár a hurok-kvantumgravitáció egyik vezető szószólója, Lee Smolin elismerte, hogy „nem lehet eléggé hangsúlyozni, hogy azon a nyelven, amely érthetővé teszi a húrelméletet - vagyis a kvantumrészecskéknek megfeleltetett, a téridő háttere előtt mozgó diagramok nyelvezetén - a húrelmélet az egyetlen logikusan következetes módja a gravitáció, a természet többi kölcsönhatása és a kvantumelmélet egyesítésének.”

Tulajdonképpen létezik egy harmadik módszer is, ahogyan a legmerészebb elméleti fizikusok megpróbálják levezetni a mindenség elméletét legfőbb alapelvekből, nem kevesebbet remélve, mint hogy ez majd elvezet mind a relativitáselmélet, mind pedig a kvantumfizika új szemléletű megértéséhez. A vállalkozás hősies, de itt nem térek ki a bemutatására.

Amint az 1980-as évek közepétől kezdődően egyre több fizikus kezdte a húrelméletet komolyan venni, szembe kellett nézniük az ily módon leírt kvantumvilág egy különös sajátosságával. Mi a világot négy - három térbeli és egy időbeli - dimenzióban létezőként érzékeljük. A húrok témájának minden variációjában azonban az egyenletek csak akkor működnek, ha a húrok egy sokkal több dimenziós világot foglalnak el - legalább összesen tizenegy, vagyis tíz térbeli és egy időbeli dimenzióról van szó. Ez első pillantásra riasztóan hat, később azonban kiderül, hogy semmi újdonság sincs benne. A kölcsönhatások új dimenziók bevonásával történő egyesítésének a gondolata az 1920-as évekig nyúlik vissza. Közvetlenül az általános relativitáselmélet felfedezését követően így jártak el, és azóta folyamatosan megszokott dolog a láthatatlan extra dimenziók elrejtése. Ezt a módszert kompakttá tételnek nevezzük.

Kompakt, de tökéletes alakú

Amikor Einstein a XX. század második évtizedében közzétette az általános relativitáselméletet, a fizikusok még csak két kölcsönhatást ismertek, az elektromágnességet és a gravitációt. Az általános relativitáselmélet felettébb sikeres elméletnek bizonyult, ezért sokak számára teljesen magától értetődőnek tűnt, hogy ugyanúgy próbálják megközelíteni az elektromágnességet, mint ahogyan Einstein a gravitációt tárgyalta. Az egyik, aki ezt figyelemre méltó sikerrel meg is tette, Theodor Kaluza volt, a Königsbergi Egyetem fiatal kutatója. Áttörést jelentő elméletének csírája 1919 elején jutott az eszébe, azonban elgondolását csak 1921-ben publikálta. Öt évvel később Oskar Klein svéd fizikus finomította a képet, ezért a teljes csomagot ma „Kaluza-Klein-elmélet” néven ismerjük.

Valószínűtlennek tűnt, hogy 1919-ben bárki is az elektromágnesség leírásának új módját keresse, hiszen abban az időben már rendelkezésre állt az a tökéletesen pontos egyenletrendszer, amelyet a XIX. században fedezett fel a skót James Clerk Maxwell. A tiszteletére azóta Maxwell-egyenleteknek nevezett összefüggések az elektromossággal és a mágnességgel összefüggő kölcsönhatások teljes körű leírását adják. Az egyenleteket később módosítani kellett, hogy a kvantumos hatásokat is figyelembe vegyék, ezáltal kialakult a kvantumelektrodinamika még sikeresebb tudománya. (Kleinnek sikerült a kvantumelmélet néhány követelményének eleget tevő megoldásokat beépítenie Kaluza modelljébe. Átírta öt dimenzióba a Schrödinger-egyenletet, vagyis az elektron matematikai leírását, amelyet Erwin Schrödinger osztrák fizikus alkotott meg.) Ha azonban a kvantumos hatásokat nem vesszük figyelembe, akkor 1919-ben a Maxwell-egyenletek formájában rendelkezésre állt az elektromágnesség tökéletes pontosságú, „klasszikus” elmélete, míg Einstein elmélete a gravitáció tökéletesen pontos, ugyancsak „klasszikus” leírását adta. Kaluza csupán eljátszadozott Einstein egyenleteivel, ahogyan - különösen új felfedezések esetében - a matematikusok szoktak. Einstein egyenletei egy torzult, négydimenziós téridő fogalmaival írják le a gravitációt. Kaluza az ezeknek megfelelő egyenleteket öt dimenzióban írta fel, csak azért, mert szerette volna látni, hogy néznek ki. Akkor hirtelen minden megvilágosodott a számára, és észrevette, hogy amit lát, az nem más, mint az általános relativitáselmélet téregyenletei, valamint egy másik egyenletrendszer, amelyik matematikailag azonos a Maxwell-egyenletekkel.

Ha a gravitáció a négydimenziós téridő fodrozódásaként írható le, akkor az elektromágnesség az ötdimenziós téridő fodrozódásaként kezelhető. Kaluza tehát egy csapásra egyetlen csomagba egyesítette a fizika két klasszikus elméletét. Ez még Einsteinre is mély benyomást tett. Megírta Kaluzának, hogy „rendkívüli módon tetszik az Ön elmélete”, majd miután néhány részletet megvitatott Kaluzával, azt javasolta, hogy publikálja elképzeléseit a Berlini Tudományos Akadémia Sitzungsberichte című kiadványában.

Az eredeti Kaluza-Klein-elmélet még Einstein támogatásával sem vált sikeressé, két okból. Először is, a fizikusok egyre több részecskét és a természet mind újabb kölcsönhatásait fedezték fel. A részecskék közötti kölcsönhatások sokkal bonyolultabbak, mint a pusztán elektromágneses kölcsönhatások, ezért az elméletet nem lehetett a mindenség elméletének tekinteni, „csupán” a gravitáció és az elektromágnesség elméletének. Másodszor, ott volt az elmélet által megkövetelt extra térbeli dimenzió problémája. Hol lehet ez a titokzatos ötödik dimenzió?

Valójában a kérdésre nagyon lényegre törő és egyszerű válasz adható, de Kaluza felismerését követő évtizedekben az efféle válasz sok fizikus számára cseppet sem tűnt rokonszenvesnek. Az extra dimenzió nagyon kicsire felcsavarodhat, úgymond kompakttá válhat, ezért nem látjuk.

A szokásos analógia erre egy szívószál. Ha kézbe veszünk egy közönséges szívószálat, és keresztülnézünk rajta, mintha távcsövet tartanánk a kezünkben, akkor könnyen észrevehető, hogy alapvetően egy sík lapból, vagyis kétdimenziós anyagból áll, amelyet a harmadik dimenzió körül felcsavarunk, így egy csövet kapunk. (Magának az anyagnak a vastagságát elhanyagoljuk.) Ha viszont ugyanezt a szívószálat ledobjuk a földre és távolról nézzük, akkor csupán egy vonalat látunk, tehát elég messziről egydimenziós objektumnak látszik. Ennek a „vonalnak” minden egyes „pontja” valójában parányi köröcske, amely túl kicsi ahhoz, hogy körnek lássuk. Az eredeti Kaluza-Klein-elméletben a tér minden egyes „pontja” valójában parányi hurok, nem nagyobb, mint 10-32 cm átmérőjű, amelyik egy olyan irány mentén görbül össze, amelyik irány sem a fel-le, sem a jobbra-balra, sem pedig az előre-hátra irányok egyikével sem azonos, ez a tér negyedik, illetve a téridő ötödik dimenziója.

Ez az 1920-as évek elején talán csak a matematikus-fizikusok számára volt elfogadható. Amint azonban egyre több új elemi részecskét fedeztek fel, egyre nagyobb igény támadt az extra dimenziókra. Végül kiderült, hogy a természetben előforduló összes részecske és kölcsönhatás megfelelő leírásához a Kaluza-Klein-elmélet modern változatainak már legalább tizenegy dimenziót kell tartalmazniuk, tíz térbelit és egy idődimenziót. Ez azt jelenti, hogy nem kevesebb mint hét térbeli dimenziónak kell a kvantumos szinten valahogyan felcsavarodnia vagy kompakttá válnia, hogy azok a dimenziók láthatóak maradjanak, amelyekben a makrovilág jelenségei lejátszódnak. Csak néhány matematikus hajlamú fizikus gyötörte magát azzal, hogy évtizedeken keresztül lépést tartson a Kaluza-Klein-elmélet fejlődésével, ám amikor a húrelmélet is megkövetelte legalább tizenegy dimenzió jelenlétét ahhoz, hogy a húrok rezegni tudjanak, akkor megváltozott a helyzet. A kompakttá válás kulcsfontosságú összetevő lett a mindenség elmélete címre pályázó jelöltekben, amelyek az 1990-es években bukkantak fel először, majd a XXI. század első éveiben továbbfejlesztették őket.

Az Melmélet varázsa

A húrelmélet legaggasztóbb vonása, hogy sikerei ellenére nem létezett az elmélet egyetlen változata. Tulajdonképpen több, húr alapú jelölt is harcba szállt a mindenség elmélete címért. Pontosabban szólva, az 1990-es évek elején az elméleti fizikusok a húrelmélet öt különböző változatával álltak elő, amelyek mindegyike matematikailag értelmes volt, és mindegyik ígéretes jelöltnek látszott, hogy a mindenség elmélete lehessen. Minden egyes elmélet a számunkra jól ismert téridő négy dimenzióján kívül hat további, kompakt dimenziót tartalmazott. Létezett egy hatodik elmélet is, az úgynevezett szupergravitáció, amely tizenegy dimenziót igényelt. Jó hír viszont, hogy sikerült bebizonyítani ez utóbbiról, hogy ez az egyetlen működőképes húrmodell - kidolgozhatok ugyan más matematikai csomagok, amelyek ugyancsak húrokkal dolgoznak, de azokban felbukkannak a végtelenek és a renormálás problémája.

Ez sem volt túl kényelmes helyzet. A túlságosan sok húrelmélet csaknem ugyanolyan zavarba ejtő, mint a túlságosan kevés. Amint John Barrow megjegyezte: „Csaknem egy évszázada várunk a mindenség elméletére, és akkor hirtelen egyszerre öt is felbukkan.” Leginkább abban lehetett reménykedni, hogy az egyik jelölt jobbnak bizonyul a vetélytársainál. Ehelyett azonban 1995-ben, Ed Witten Princetonban éppen ellenkező következtetésre jutott. Kijelentette, hogy az összes húrelmélet egyformán jó (beleértve a tizenegy dimenziós szupergravitációt is), mert ugyanannak a dolognak a részeit alkotják. Kimutatta, hogy a hat modell mindegyike mindegyik másikba átalakítható, amiből viszont az következik, hogy ezek ugyanannak a háttérben rejtőző elméletnek, a valódi mindenség elméletének a különböző nézetei. Éppen olyan ez, mint ahogyan az elektromosság és a mágnesség is különböző erőnek tűnik, de valójában az elektromágnesség két különböző megnyilvánulásáról van szó. Úgy is elképzelhetjük ezt, mintha egykor Európából öt különböző vitorlás hajó indult volna el, és az expedíciók egymástól függetlenül felfedezték volna Alaszkát, Floridát, Panamát, Brazíliát és a Tűzföldet, miközben Európában mindenki azt hitte volna, hogy öt különálló szigetet találtak, és nem ismerték volna fel, hogy egyetlen, összefüggő kontinens különböző részeiről van szó.

Annak a felfedezése, hogy mindezek a modellek ugyanannak a mélyebben fekvő elméletnek a különböző nézetei, egyebek között azt is jelentette, hogy a húrmodellekhez, így például a szupergravitációhoz is, tíz térbeli és egy idődimenzióra van szükség. Ebben az esetben azonban az „extra” dimenziót - a tizenegyediket - nem kellett kompakttá tenni. Akár nagyon nagy is lehet, de egy olyan térbeli dimenzióban fekszik (ami nem tévesztendő össze az idődimenzióval!), amelyik merőleges az összes ismert térbeli dimenzióra. Ha az egész Világegyetemünket az asztalon fekvő, sík, azaz kétdimenziós papírlap jelképezi, akkor ez az extra dimenzió a lap felületére merőleges irányba, a harmadik dimenzióban felfelé mutatna.

Mindezek alapvető különbséget jelentenek a húrelmélet szempontjából. Ahelyett, hogy rezgő húrokra kellene gondolnunk, gondoljunk inkább rezgő leplekre vagy membránokra, mint például a dob bőre. A membrán tulajdonképpen egy kétdimenziós lepel. A matematika nyelvén azt mondjuk hogy a pont a 0-brán, a vonal (vagy a húr) az 1-brán, a lepel a 2-brán, és így tovább. Bár nehezebb magunk elé képzelni őket, mégis, az ezeknek megfelelő szerkezetek magasabb dimenziókban is léteznek, ennek megfelelően beszélhetünk 3-bránról, 4-bránról és így tovább. Ezekre általánosan „p-bránként” szoktunk hivatkozni, ahol a p tetszés szerinti (pozitív egész) számot jelöl. Witten az egész elméletcsomagot „M-elméletnek” nevezte, de soha nem árulta el, minek a rövidítése az M, bár sokan arra gondolnak, hogy a membránból származhat.

A membránok a kompakttá válás miatt olyanoknak is látszhatnak, mint a húrok, amik a kompakttá válás meglehetősen egyszerű formái. Ezúttal a húr esetében ne valamilyen egydimenziós képződményre gondoljunk. Hasonlítsuk inkább véges szélességű gumiszalaghoz, ami ténylegesen olyan, mint egy rugalmas anyagból készült gumiszalag. Ha a szélességnek megfelelő dimenziót fokozatosan zsugorítjuk, egészen addig, amíg alig észrevehetővé válik, akkor a szalag húrhoz hasonlatos kinézetű lesz, noha valójában továbbra is szalag maradt.

Az Melmélet mindeddig a legesélyesebb jelölt arra, hogy a mindenség elmélete legyen. Emellett további betekintést nyújt a multiverzum keresésébe, méghozzá nem is csak egyféleképpen. A legnyilvánvalóbb ezek közül az egész Világegyetemünk képét az asztalon fekvő, kétdimenziós papírlaphoz hasonlítja, ahol a lapra merőlegesen egy extra dimenzió van jelen, amelyik lényegében a harmadik dimenzióban, fölfelé terjed ki. Nincs okunk arra gondolni, hogy miért ne fekhetne a papírlapon egy másik lap, azon egy harmadik, majd továbbiak - vagyis a háromdimenziós univerzumok sokasága, amelyek csak a tizenegyedik dimenzióban különülnek el. Ez a kép lényegesen különbözik az egymástól a háromdimenziós térben hatalmas térbeli távolságokkal elválasztott buborékuniverzumok sokaságának képétől - az M-elméletnek megfelelő kép szerint ugyanis a „szomszédos univerzumot” a tizenegyedik dimenzióban csupán kis távolság választja el tőlünk - erre hamarosan vissza fogok térni. Az Melmélet azt a képet is sugallja, amint a különböző ősrobbanásokból eredő univerzumok időben egymás után következve követik egymást, és főnix módjára, bármelyik univerzum az előző megtestesülés hamvaiból születik meg. Ez furcsa módon összefügg a gravitáció hihetetlen gyengeségével és a nyitott végű húrok létezésével.

Még egyszer a gravitáció hihetetlen gyengeségéről

Nagyon nehéz szemléletessé tenni, milyen elképesztően gyenge a gravitáció a természet többi kölcsönhatásához képest. Ez olyan fontos kérdés, hogy mielőtt szemügyre vennénk a főnixként újjászülető univerzum képét, még más nézőpontból visszatérünk néhány, a 2. fejezetben már említett gondolathoz. A hétköznapi életben általában erős hatásként szoktunk a gravitációra gondolni, hiszen ez tart meg bennünket a Föld felszínén, és ennek köszönhetően van súlyunk. Azonban egy egész bolygó egyesített gravitációs erejére van szükség, hogy a testsúlyunknak megfelelő nagyságú erőt kifejtse ránk, vagy, amint Isaac Newton megállapította, hogy az alma leessen a fáról. A földre esett almát még egy gyerek is könnyen fel tudja emelni, karja erejével legyőzve ezzel az egész bolygó gravitációs vonzását - tehát izomerővel, ami lényegében a gravitációnál sokszorta erősebb elektromágneses erő egyik megnyilvánulási formája.

Mindennapjainkban nem vesszük észre, valójában mennyire gyenge a gravitáció, mert a gravitációnak van két fontos tulajdonsága. Az első a nagy hatótávolsága - a két test által egymásra kifejtett gravitációs erő nagysága a testek közötti távolság négyzetének a reciprokával csökken (fordított négyzetes erőtörvény), de elméletileg a végtelenségig kiterjed a hatása, bár roppant gyengén. Ezáltal tart meg minket a Föld a felszínén, így kényszeríti a Nap a bolygóit arra, hogy körülötte keringjenek, a Napot pedig a Tejútrendszer anyagának gravitációs vonzása készteti a Tejútrendszer középpontja körüli keringésre. Másik fontos tulajdonsága, amint arra a fenti példák is rávilágítanak, hogy a gravitációnak csak egyetlen fajtája van, ami összegeződik, minél több anyagunk van. Az elektromosság, akárcsak a mágnesség két különböző formában jelenik meg - pozitív, illetve negatív töltés, északi és déli mágneses pólus - amelyek kioltják egymást. Testünk például hatalmas mennyiségű negatív (elektronok formájában) és pozitív (protonok formájában) töltést tartalmaz, ennek ellenére testünk egésze elektromosan semleges, ezért a mellettünk álló személy testére elektromos értelemben sem taszítást, sem vonzást nem gyakorolunk. (Néha egy kevés elektromos töltés felhalmozódhat a testünkön, például ha száraz időben megfelelő anyagú cipőben egy műanyag szőnyegen sétálunk. A fölös mennyiségű elektromos töltés kisül, ha megérintünk valamilyen fémtárgyat, például az ajtó kilincsét, ami észrevehető „áramütést” okoz.) A két másik erő a természetben, az erős és a gyenge kölcsönhatás, csak nagyon rövid hatótávolságú, ezért az atommag méreténél nagyobb léptékek tartományában bekövetkező eseményekre semmiféle közvetlen hatást sem gyakorolnak.

Ahhoz, hogy lássuk, milyen gyenge valójában a gravitáció, egyenként össze kell hasonlítanunk, milyen mértékben befolyásolják egymást az atommagot alkotó részecskék a négy kölcsönhatás révén. Ha az erős kölcsönhatás erősségét választjuk egységnyinek (1), akkor ugyanilyen egységekben az elektromágnesség ereje 1/137, vagyis körülbelül 10-2, a gyenge kölcsönhatás viszont ugyanilyen egységekben 10-13, vagyis a billiomod rész tizede az erős kölcsönhatáshoz képest. A gravitáció erőssége viszont mindössze 10-38. Még a másik három kölcsönhatás közül a messze leggyengébb gyenge kölcsönhatás is 10^25-szer, azaz tízbilliószor billiószor erősebb a gravitációnál. Ennek az okát abban kell keresni, ahogyan a húrok a bránokhoz kapcsolódnak, vagy nem kapcsolódnak.

Az ötlet ezúttal is egy matematikustól származott, aki saját szórakoztatására eljátszadozott az egyenletekkel. Ez a matematikus a Santa Barbara-i Kalifornia Egyetemen dolgozó Joe Polchinski volt, akit az 1990-es évek közepén az kezdett érdekelni, mi történik a nyitott végű húrokkal. Bár az eredeti „gumiszalag” elképzelés a húrok hurkaival dolgozott, a húrelmélet olyan húrok létezését is megengedi, amelyeknek szabad végeik vannak, az azonban nem volt világos, mi történik ezeken a végeken. Polchinskinak az volt az ötlete, hogy ezek a végek esetleg egy felülethez kapcsolódhatnak, de a felület mentén szabadon elcsúszhatnak. A felület egy membrán lenne (Polchinski ezeket D-bránoknak nevezi, a XIX. századi matematikus, Peter Dirichlet tiszteletére, aki a hullámok különböző felületekről való visszaverődését tanulmányozta.), és ha ez a membrán háromdimenziós, akkor a felülethez kapcsolódó rezgő húr matematikája ilyen módon felhasználható a „részecskék” tulajdonságainak a leírására - nevezetesen a természet alapvető kölcsönhatásait hordozó részecskék tulajdonságairól van szó. Amit a matematikusok a háromdimenziós membránon való elcsúszásnak neveznek, az természetesen megfelel a háromdimenziós térben végbemenő, általunk is érzékelhető mozgásnak.

Eleinte ez nem volt több egy kis különlegességnél. Miután viszont Witten előhozakodott az M-elmélettel, akkor hamar úgy ítélték meg, hogy a látható Világegyetemünk egy magasabb dimenziókban lebegő 3-brán lehet, amelyben a részecskék, például a fotonok és az elektronok a bránhoz kapcsolódó és azon (vagy abban) elcsúszó húrok detektálható megnyilvánulásai. 1994-ben például Polchinski kimutatta, hogy a D-bránok az elektromos és mágneses erőterek lehetséges forrásai. Van azonban egy kivétel. A gravitonok kizárólag hurkokként fordulhatnak elő, és így nem kapcsolódhatnak a bránhoz. Ezek csak egyféleképpen léphetnek kölcsönhatásra a bránhoz kapcsolódott részecskékkel, éspedig úgy, hogy az egyik objektumtól kilépnek a tér egy extra dimenziójába, majd onnan visszalépnek a 3-bránba, és ott egy másik objektummal találkoznak. A gravitonok egy része azonban valószínűleg nem tér vissza. A gravitáció tehát tulajdonképpen kiszivárog a bránból, aminek eredményeképpen a gravitációs kölcsönhatás erőssége csökken.

Ha azok az extra dimenziók, amelyekben a gravitonok mozoghatnak, végtelenül nagyok lennének, akkor a gravitáció szinte teljes egészében el tudna szivárogni, így a Világegyetemben semmit nem tartana össze. Ha viszont a megfelelő extra dimenzió a legegyszerűbb módon kompakttá válna akár úgy is, hogy az általunk megszokott három térbeli dimenzió mindegyikére merőleges irányban csak korlátozott nagyságú helye van, akkor a gravitonok nem jutnak túl messzire. Ha az extra dimenzió elegendően kicsivé válik, akkor nehéz lenne megmondani, hogy a gravitonok ténylegesen elhagyták-e a 3-bránt, és ennélfogva a gravitáció ereje pontosan megfelelő lenne ahhoz, hogy megmagyarázzuk a természet többi kölcsönhatásához való viszonyát. De vajon miért éppen ilyen sajátos módon válna kompakttá az extra dimenzió? Azért, mert a tér számtalan módon válhat kompakttá, amint azt rövidesen megmutatom, ám ezek legtöbbje olyan gravitációt hoz létre, amelyik vagy túlságosan gyenge, vagy túlságosan erős, és ezért nem teszi lehetővé csillagok, bolygók és emberek kialakulását. Amint a 2. fejezetben megtárgyaltuk, mi csak abban esetben létezhetünk, ha a Világegyetemben az erők éppen megfelelő egyensúlyát tapasztaljuk.

Erre azonban még rátehetünk egy lapáttal. Ha a gravitonok elszivároghatnak a Világegyetemből, akkor hasonlóképpen be is szivároghatnak - akárcsak más érdekes részecskék, amelyeket esetleg ki lehet majd mutatni a Nagy Hadronütköztetőben, ez azonban már egy másik történet. A magasabb dimenziójú térben sok háromdimenziós brán fekhet egymás mellett, mint egy papírkupac az asztalomon. A szomszédos univerzum a tizenegyedik dimenzióban mikroszkopikusan közel lehet hozzánk, vagyis elegendően közel, hogy onnan egyes gravitonok átszivárogjanak a mi Világegyetemünkbe, és itt befolyásolják a testek mozgását. Ez pontosan ugyanolyan hatás lenne, mintha a mi Világegyetemünk valamilyen láthatatlan, sötét anyagot tartalmazna, amelyik gravitációs hatásánál fogva ide-oda taszigálja a látható csillagokat és galaxisokat. Márpedig a sötét anyag a standard kozmológiai modell egyik alapvető összetevője. Az alapvető összetevő maga az Ősrobbanás - de amellett ilyennek tekinthetjük a membránokat is.

Amikor a világok összeütköznek

A bránok úgy lebegnek a magasabb dimenziós térben, mint ahogyan a kétdimenziós membránok, vagy leplek mozoghatnak három dimenzióban. Ahelyett, hogy a papírkupacot alkotó lapokként egymás tetejére rétegeződnének, a bránok (melyek egész univerzumok!) magasabb dimenziókban úgy is viselkedhetnek, mint az anyagi objektumok három dimenzióban - ide-oda mozoghatnak, összeütközhetnek egymással, vagy egymás körül keringhetnek, mint ahogyan a Hold kering a Föld körül vagy a bolygók a Nap körül. Pontosabb analógia, ha arra gondolunk, hogy az asztalomon feltornyozott papírlapok hirtelen összekeverednek, mert elsodorja őket egy erős szélroham. Bár nem tudjuk közvetlenül kimutatni a tér extra dimenzióit, vannak olyan terek, amelyekre hatással van a magasabb dimenziójú tér geometriája és a szomszédos bránok közelsége. Ezek egy napon majd kimutathatóakká válnak, miközben a fizikusok megpróbálják megfejteni, miként lehetnek ezek a terek a felfúvódás hajtóerői.

Ha két bránt egymás közelébe akarunk tolni, akkor energiára van szükség, ugyanúgy, ahogyan energiát kell befektetni akkor is, ha két pozitív töltésű atommagot akarunk egymás közelébe juttatni. Ha viszont a bránok nagy sebességgel egymásnak ütköznek, akkor mozgási energiájuk más energiaformákká alakulhat át, éppúgy, ahogy az atommag energiájának egy része is felszabadul, amikor egy nehéz atommag az őt eltaláló, gyorsan mozgó részecske hatására darabokra szakad. Az 1990-es évek végén Georgi Dvali a New York-i Egyetemen és Henry Tye a Cornell Egyetemen azt vetette fel, hogy a bránok szemtől szembe (frontális) ütközésekor a mozgási energia egy része éppen olyan energiafajtává alakulhat, amelyre a felfúvódás kiváltásához szükség van. Kiderült ugyan, hogy az ilyenkor előforduló energiák túlságosan kicsik egy ilyen bűvészmutatvány végrehajtásához, ezzel azonban még nem ért véget a történet.

Az áttörés 2001-ben következett be, amikor a kutatók egy nagyobb csoportja azon kezdett gondolkozni, miként lehetne valamilyen más módon energiát nyerni a bránok ütközéséből. Éppúgy, ahogyan az atommagok reakciója során felszabaduló energia jelentéktelenül csekély mennyiségű ahhoz képest, ami az anyag és az antianyag részecskéinek annihilációja során fellép - utóbbi esetben ugyanis Einstein híres összefüggésének megfelelően a teljes tömeg energiává alakul - ugyanígy az is elképzelhető, érveltek a kutatók, hogy a közönséges brán-brán ütközésekhez képest sokszorta több energia szabadul fel, ha a brán egy antibránnal találkozik, és annihilálódnak. Az egyenletek bránok és antibránok létezését egyaránt megengedik, és éppúgy, ahogyan az elektron és saját antirészecskéje, a pozitron között vonzóerő működik, hasonlóan a bránok is vonzzák az antibránokat, lehetővé téve, hogy valóban összeütközzenek egymással, és annihilálódjanak, amint elég közel kerülnek egymáshoz.

Úgy tűnhet, hogy ezzel nem sokra megyünk, hiszen nem maradna anyag, ami felfúvódjék. A brán-antibrán annihiláció során azonban olyan sok energia szabadul fel, hogy annak egy része átfröccsen a közeli bránokba, több mint elegendő energiát szolgáltatva a felfúvódás kiváltásához. Van azonban még egy kis ráadás is. Az annihiláció folyamata természetszerűleg inkább a legkülönbözőbb, kis dimenziószámú univerzumokat hozza létre, mint amilyen például a mi Világegyetemünk is. Ha például egy 7-brán és a neki megfelelő antibrán annihilálódik, akkor nem tudnak egyetlen lépésben teljes egészében energiává alakulni. Rengeteg energia szabadul fel az 5-bránok és ezek antibránjai formájában megjelenő törmelék mellett. A következő lépésben viszont ezek a törmelékek is annihilálódnak, és az ekkor felszabadult energia mellett a törmelék 3-bránok és antibránjaik formájában marad vissza. A 3-bránok annihilációjakor 1-bránok keletkeznek, és csak az 1-bránok annihilációja során alakul minden maradéktalanul energiává. A nagy (vagyis a sokdimenziójú) bránok betöltik a sokdimenziós teret, és rövid időn belül összeütköznek egymással. A kis bránok azonban, mint amilyen a mi Világegyetemünk is, sokkal ritkábban szétszóródva vannak jelen a magasabb dimenziójú térben, ezért hosszú időn keresztül fennmaradhatnak, mielőtt elpusztulnak. Ez kézenfekvő magyarázatot ad arra, miért kell gyakoriaknak lenniük a miénkhez hasonló, háromdimenziós univerzumoknak.

Másrészt viszont van valami nem kielégítő körülmény ezzel az elképzeléssel kapcsolatban, mert úgy tűnik, mintha egy olyan korábbi állapotból, amelyben kevés, magas dimenziószámú univerzum volt jelen, a multiverzum egyszeri fejlődése következne egy olyan állapot felé, amelyet viszont az alacsony dimenziószámú univerzumok sokasága jellemez. Ez legalább olyan kényelmetlen gondolat, mint az egyedi Ősrobbanás, amely véletlenül pontosan az élet számára megfelelő körülményeket létrehozva következett be. Sokkal megnyugtatóbb lenne a kép, ha az időt ki tudnánk venni az egyenletekből. Erre az egyik lehetőség a végtelen de Sitter-univerzumban bekövetkező, az előző fejezetben leírt, örökké tartó felfúvódásra emlékeztet - azonban felfúvódás nélkül.

Saját hajánál fogva...

Ennek az elképzelésnek a vezető szószólói Paul Steinhardt a Princeton Egyetemen és Neil Turok, aki korábban a Cambridge-i Egyetemen dolgozott, jelenleg pedig Ontarióban a Perimeter Intézet munkatársa. 1999-ben, amikor még egyikük sem tudott Dvali és Tye korai munkáiról a bránok ütközéseivel kapcsolatban, mindketten részt vettek Cambridge-ben egy találkozón, ahol Burt Ovrut a Pennsylvania Egyetemről előadást tartott arról, hogy a háromdimenziós bránvilágokat esetleg csak nagyon kis távolságok választják el egymástól a három jól ismert dimenzió mindegyikére merőleges irányban - ha elfogadjuk az M-elméletet, akkor a tizenegyedik dimenzióban. Steinhardt és Turok a terem különböző részein ültek, de az előadás után mindketten odasiettek Ovruthoz, ráadásul mindketten ugyanazzal a gondolattal. Ma már senki sem emlékszik, melyikük ért oda elsőként, arra viszont mindketten pontosan emlékeznek, hogy egyiküknek azonnal kicsúszott a száján a kérdés: „Nem mozoghatnak ezek a világok az extra dimenzióban? És ha igen, akkor talán az is lehetséges, hogy az Ősrobbanás nem egyéb, mint két ilyen világ összeütközése?” Ezzel kezdődött el az a hosszan tartó és gyümölcsöző együttműködés, amelyről az Endless Universe (Végtelen univerzum) című könyvükben írnak.

Ez az együtműködés azóta is tart, és az eddig elért eredmények a ciklikus univerzum elképzelésének egy izgalmas változatát kínálják. Minthogy a modell ciklikus, a leírását a ciklus mentén bárhol elkezdhetjük, így akár azzal az eseménnyel is indulhatunk, amelyik kiváltotta az Ősrobbanást. Steinhardt és Turok szerint ez akkor történt, amikor két nagyon sima, sík és üres 3-brán összetalálkozott és összeütközött egymással. Mindkét brán egy-egy teljes értékű, háromdimenziós univerzum volt, olyan, mint a miénk, hat további, kompakttá vált térbeli és egy időbeli dimenzióval, a kettőt pedig a tizenegyedik dimenzióban nagyon kis távolság választotta el egymástól. Először csak nagyon lassan mozogtak a tizenegyedik dimenzióban, de ahogy közelebb kerültek egymáshoz, felgyorsultak, és egy a rugóerőhöz hasonló erő vonzotta őket egymáshoz, míg végül összeütköztek. Az ütközés ereje elég volt ahhoz, hogy mindkét világ szélsőségesen magas hőmérsékletre forrósodjék fel. Különös azonban, hogy a modell nem követeli meg a felfúvódás kiváltásához elegendően nagy energia bevitelét. Ehelyett a hőmérséklet „csak” körülbelül 10^20 K, ami elég forró annak magyarázatához, hogy miként keletkeztek a mi világunk részecskéi a sugárzó energiából, majd a forró tűzgömb hűlése során miként jöttek létre az atomok, és maradt vissza a háttérsugárzás. Az energia távolról sem végtelenül nagy, sokkal kisebb, mint a Planck-skálán bekövetkező eseményekhez tartozó energia, így a modellben az univerzum korai állapotával kapcsolatban nem bukkannak fel szingularitások.

Steinhardt és Turok arra is elegáns magyarázatot adott, miként vették kezdetüket azok az irregularitások, amelyekből kialakultak a galaxisok. Akárcsak a felfúvódó modellben, ez itt is a kvantumfluktuációkon múlik. A kvantumfluktuációk miatt a téridő nem lehet teljesen sík és üres, ezért kvantumfizikai szinten az összeütköző bránok véletlenszerűen elkerülhetetlenül meggyűrődnek. Ennek eredményeképpen a két brán nem pontosan ugyanakkor ér össze egymással minden pontjukban; a tizenegyedik dimenzióban kicsit leálló részek ütköznek először, és így ezek forrósodnak is fel először. Miután a két brán összeütközött, szét is lökődnek, azonban mindegyik bránban - bár a hőmérséklet mindenütt nagyon magas - lesznek helyek, amelyek kicsit még forróbbak, mint mások. Az ütközésnek és visszapattanásnak ez az egész folyamata évmilliárdokig eltarthat, szemben a sík téridőből egy univerzumot létrehozó, a másodperc törtrészéig tartó felfúvódással. Minthogy azonban az irregularitások végső okai mindkét esetben a kvantumfluktuációk, ezért az irregularitások mintázata végső soron az ütköző bránokon alapuló modellben pontosan ugyanolyannak adódik, mint a felfúvódás által előidézett mintázat. Ez azt is jelenti, hogy pontosan azonos azzal a mintázattal, amelyet a különböző űrszondákra, például a WMAP-ra szerelt mikrohullámú detektorok megfigyeltek. (Léteznek az elképzelésnek továbbfejlesztett változatai, ahol a bránok soha nem érintik egymást, hanem, ha nagyon közel kerülnek egymáshoz, akkor taszítóerő ébred közöttük. A végeredményen azonban ez semmit sem változtat.) A mintázatnak azonban minden egyes univerzumban ugyanolyannak kell lennie, mert a forró foltok voltak azok a helyek, ahol az univerzumok először érintették egymást. Az anyagcsomók elhelyezkedése az egyik univerzumban tehát megfelel a szomszédos univerzumban megfigyelhető elhelyezkedésüknek. Amikor a bránok eltávolodnak egymástól, megszűnik a közöttük ható rugalmas erő, annak létrejöttéhez ugyanis a bránoknak mikroszkopikus távolságban kell lenniük egymástól, mert csak így tudják a szabadon közlekedő gravitonok áthidalni a közöttük lévő távolságot, és erős gravitációs hatást kifejteni a másik bránra. E kép értelmében a sötét anyag a szomszédos univerzum anyaga, és ez a szomszéd közelebb van hozzánk, mint egy atom átmérője.

Így tehát az összeütköző és visszapattanó bránok olyan univerzumot hoznak létre, amelyik megkülönböztethetetlen a mi, Ősrobbanásban született Világegyetemünktől. A két bránt összetartó, rugószerű erő a sötét energiával áll kapcsolatban, ezért a felfúvódó modellel ellentétben a visszapattanó modell megköveteli (nem egyszerűen csak megengedi) a sötét energia jelenlétét a mi Világegyetemünkben. (Steinhardt és Turok ezt ekpirotikus modellnek nevezik, a görög „tűzvész, lángba borulás, égés” szó alapján. A magam részéről ki nem állhatom ezt a ronda idegen szót, ezért igyekszem kerülni, helyette a visszapattanást használom.) Amint azt a sötét energia modelljei kapcsán korábban már leírtuk, a Világegyetem életének izgalmas szakaszában élünk, amikor a sötét energia kezdi uralni a tágulást. Az idő múlásával a Világegyetem egyre gyorsabban tágul, a benne lévő anyag pedig egyre ritkábbá válik, míg végül a téridő (eltekintve a kvantumfluktuációktól) teljesen sík szerkezetűvé és csaknem teljesen üressé válik olyannyira, hogy a ma megfigyelhető egész Világegyetem teljes kiterjedésének megfelelő térfogatra még egyetlen árva elektron sem jut. A Világegyetem tehát táguló de Sitter-térré válik.

Időközben a másik bránvilágban, miután a mi világunkkal történt ütközés után visszapattant, hasonló formában végbemegy a saját tágulása és anyagának hígulása. Jóllehet a tizenegyedik dimenzióban a két világ távolodik egymástól, továbbra is összetartja őket a rugalmas erő, ezért egy idő után újra közeledni kezdenek egymáshoz. Ehhez azonban roppant hosszú időre van szükség - Steinhardt és Turok évbilliókról beszél (a billió milliószor milliót, vagy ezermilliárdot jelent, másként 10^12). Ez „csupán” százszor olyan hosszú idő, mint amennyi az Ősrobbanás óta mostanáig eltelt, ami jól szemlélteti az exponenciális megszaladás erejét, ha a folyamat egyszer már elindult. Végül a bránok ismét egymás közelébe kerülnek, és az egész folyamat kezdődik elölről. Főnix módjára egy (vagy két) új univerzum születik a régi hamvaiból. Úgy tűnik, a Világegyetem újjáteremti önmagát, saját hajánál fogva létezővé emeli magát, lehetővé téve ezáltal az univerzumok végtelen ciklusát, amelynek során a természeti állandók ciklusról ciklusra különbözőek, így tehát mi csak egy olyan buborékban létezhetünk, amelyikben a körülmények alkalmasak az élet számára. De vajon honnan jön az energia, amelyből az újabb és újabb ősrobbanások táplálkoznak? És miképpen egyeztethető mindez össze az entrópiáról alkotott képünkkel? Nos, ezúttal is minden a gravitációra vezethető vissza.

A feneketlen kút

Mindannyiszor, amikor két brán összetalálkozik, a tizenegyedik dimenzióbeli mozgásukból adódó kinetikus energia egy része sugárzássá és anyaggá alakul. Ez az energia végeredményben a két brán között ható gravitációs erőből származik, miután az segít a rugalmas erőnek összehúzni a bránokat. Hétköznapi tapasztalatunk azt súgja, hogy ebben az esetben a két brán közötti visszapattanás sok ciklus elteltével kifullad, mint ahogy a magasból leejtett gumilabda is minden felpattanásakor az előzőnél kicsit alacsonyabbra pattan fel. Úgy tűnik, hogy a két membrán közötti legnagyobb távolság minden egyes ciklus során hasonló módon egyre kisebb lesz. Ez azonban nem veszi figyelembe a gravitáció negativitását.

A gravitáció persze nem egyszerűen negatív - hanem egy feneketlen kút. Nincs határa a negativitásának, vagyis nincs olyan határ, amely alá ne csökkenhetne a gravitációs energia. Ez merőben eltér mondjuk a hőmérséklet viselkedésétől. Annak van határa, hogy valami mennyire lehet hideg. Minthogy a hőmérsékleti skálánk nullapontjául a víz fagyáspontját választottuk, a fizikailag elérhető legalacsonyabb hőmérséklet a negatív tartományba esik, -273,15 °C-nak felel meg. Skálánk nullapontjaként azonban bármely hőmérsékletet választhatjuk, a Kelvin-féle hőmérsékleti skálán például ezt az elérhető leghidegebb pontot választottuk nullapontnak (0 K), ezért ezen a skálán minden hőmérséklet értéke pozitív, a víz fagyáspontjáé például +273,15 K. Ugyanez a gravitációval nem tehető meg, mert a gravitációs energiának nincs olyan alacsony értéke, amelynél ne lenne még alacsonyabb. Emiatt nem lehet azt kijelenteni, hogy minden egyes visszapattanás energiája kisebb az előzőnél. Csupán az mutatható ki, legalábbis elvben, hogy mekkora a hőmérséklet, az anyag sűrűsége és a tágulás sebessége a két brán legnagyobb közelsége idején. Steinhardt és Turok arról biztosít, hogy számításaik eredménye szerint ezek a tulajdonságok pontosan egyformán ismétlődnek egyik ciklusról a másikra. A folyamat tehát tökéletes pontossággal ciklikus.

Modelljük az entrópia problémáját is megoldja, amelyik azokban a visszapattanó modellekben fordul elő, ahol az univerzum tágulása visszafelé játszódik le. A főnix-modellben a háromdimenziós térben a tágulás soha nem fordul a visszájára, ezért a probléma nem merül fel. Nincs Nagy Reccs, ahol az anyag összesűrűsödik, és a ciklus korábbi részében felépült entrópia megakadályozza, hogy a visszapattanás az előző ősrobbanás tükörképe legyen. A főnix-modellben az entrópia a szokásos módon növekszik, ahogy az univerzum minden egyes ősrobbanásából kiindulva tágul, de a tér sötét energiával összefüggő, extrém megnyúlása rengeteg lehetőséget teremt az entrópia számára, hogy sűrűsége alacsony maradjon. Még amikor két brán a tizenegyedik dimenzióban megközelíti egymást, ami a hagyományos ciklikus modell kontrakciós szakaszának felel meg, a háromdimenziós tér akkor is tágul. Tágulása soha nem áll meg. Mire az összeütközés bekövetkezik, és sok anyag és sugárzó energia ömlik szét az univerzumban, addigra az entrópia sűrűsége szinte észrevehetetlenné csökken, így az egész folyamat megismétlődhet. A végtelenül negatív gravitáció és a végtelenségig táguló tér adja az alapot az ősrobbanások végtelen ismétlődéséhez. Ahelyett, hogy az univerzumok végtelen térbeli változatosságát kínálná, ez a modell az univerzumok végtelen időbeli változatosságát kínálja - minden bekövetkezik egyszer, ami csak kijöhet egy ősrobbanásból. Steinhardt és Turok hangsúlyozza, hogy ami a teret illeti, minden egyes ciklusra igaz, hogy plus fa change, plus c’est le mérne chose (Jean-Baptiste Alphonse Karrtól származó epigramma: „minél inkább változik, annál inkább ugyanaz marad” - a fordító megjegyzése).

Sok olyan hely van, mint az otthonunk

Bár a főnix-modell olyan univerzumot hoz létre, amelyik sok szempontból megkülönböztethetetlen a felfúvódással létrejött univerzumtól, van néhány lényeges eltérés a két elképzelés között, amelyek egyike lehetővé teszi annak eldöntését, milyen típusú az az univerzum, amelyikben mi élünk. Fogalmi szempontból a két elképzelés szinte teljesen ellentéte egymásnak. Az inflációs elmélet szerint a miénkhez hasonló univerzumok, még ha belülről végtelennek is néznek ki, valójában ritkásan elhelyezkedő buborékok, amelyet a felfúvódó tér hatalmas kiterjedésű tartományai választanak el a hasonló univerzumbuborékoktól. Ezekből a buborékokból végtelenül sok lehet, és ezek a felfúvódás eredményeképpen előálló téma összes lehetséges variációját megvalósítják, de semmiképpen sem nevezhetők „közelieknek”, és semmi okunk sincs arra gondolni, hogy egy találomra kiválasztott buborék emlékeztetni fog a mi buborékunkra. A multiverzum legnagyobb része különbözik az otthonunktól.

Másrészt viszont, a főnix-modell kijelenti, hogy minden ciklus mindenütt többé-kevésbé ugyanolyan - a helyi univerzum jellemző az univerzum egészére. A végtelen univerzum egésze nagyjában-egészében ugyanolyan módon eloszlott csillagokat és galaxisokat tartalmaz, mint a közvetlen kozmikus környezetünk, és a végtelen univerzum bármely bolygóján élő teremtmények, a világűrt szemlélve ott ugyanolyan objektumokat figyelhetnek meg, mint mi. Mindenütt olyan, mintha otthon lennénk, még ha nem is pontosan olyan, mint Kansas.

Ez nem olyasmi, aminek a megfigyelésekkel történő ellenőrzésében valaha is reménykedhetünk, mivel mindkét esetben a tér lehető legnagyobb tartománya, amelyet a legtökéletesebb távcsöveinkkel megfigyelhetünk, nagyjából ugyanúgy nézne ki, mint az a tartomány, amelyet már meg is figyeltünk. Van azonban egy körülmény, ahol a két modell különböző, és kimutatható előrejelzést tesz. Az inflációs elmélet szerint a Világegyetem születésekor uralkodó szélsőséges körülmények intenzív gravitációs sugárzást keltettek, vagyis olyan hullámzást a tér szerkezetében, amely a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzáson otthagyta a lenyomatát. Számításaink szerint a hatás kicsiny, legalábbis ami a sugárzásra gyakorolt, és mai eszközökkel kimutatható hatást illeti, azonban a 2009-ben felbocsátott és jelenleg is a háttérsugárzást elemző, európai Planck-űrszonda műszereivel esetleg kimutatható lesz. Másrészt, az inflációsnál sokkal lágyabb és kevésbé szélsőséges főnix-modell egyértelműen azt állítja, hogy a háttérsugárzásban nem kell jelen lennie a gravitációs hullámok lenyomatának.

Ha a Planck-űrszondának nem sikerül kimutatnia a megjósolt hatást, akkor az nem fogja a főnix-modell helyességét jelenteni, mert elképzelhető, hogy a hatás jelen van bár, de gyengébb a vártnál. Ha viszont a Planck-szonda megtalálja a gravitációs hullámok nyomait, akkor az egyértelműen azt bizonyítaná, hogy a főnix-modell hibás.

Steinhardt és Turok modelljük egyszerűségét és egyenességét dicséri:

A ciklusokat a háttérből irányító mechanizmus szelíd és önszabályozó. A két brán közötti összeütközések sebessége mérsékelt (a fénysebességnél jóval kisebb). A sötét energia sűrűsége mindvégig alacsony, és nem lép fel a megszaladás a nagy energiájú állapotok felé, ahol a felfúvódó univerzum hatalmas kiterjedésű tartományai létrejönnek. Ehelyett a sötét energia a hirtelen hatásokat csillapító közegként működik, amely ellenőrzése alatt tartja a ciklusokat, elnyomja a véletlenszerű fluktuációk hatását, és a megfelelő mederben tartja a szabályos, periodikus evolúciót.

Jól érvelnek, de engem nem győznek meg. A magam részéről arra számítok, hogy a Planck-szonda, vagy valamelyik utóda megtalálja a gravitációs hullámok korai Világegyetembeli működésének a nyomait. A főnix-modell vonzó, de van egy nagy hibája. Miért kellene két bránnál megállnunk? Mi történik a 11 dimenziós térben, ha ez a két brán örökre egybeforr? Az M-elmélet legizgalmasabb vonása, és egyúttal a leginkább kényszerítő érv amellett, hogy a multiverzum elméletét komolyan kell venni, hogy az elmélet a lehetséges világok végtelen választékát kínálja, nem csupán egy unalmas cintányér-párt, amelyek minduntalan egymásnak ütődve állandóan ugyanazt a régi nótát játsszák. Leonard Susskind az M-elmélet által nyújtott változatosságot „kozmikus tájképnek” nevezte, amely jelenleg a legaktuálisabb kozmológiai kutatási téma. Ebben a tájképben a számtalan lehetőség egyikeként a ciklikus univerzumok is helyet kaphatnak, így azokat nem kell immár létezésünk rejtélye egyedi megoldásának tekinteni.

A kozmikus tájkép felderítése

Azért ilyen széles a választék, mert bár csupán öt különböző fajta húrelmélet létezik, amelyek mindegyikét az egyetlen M-elmélet magában foglalja, azonban szédítően nagyszámú lehetőség nyílik arra, ahogyan az öt elmélet mindegyikében a tér kompakttá tehető. Minden egyes kompakttá tétel egy másfajta univerzumnak felel meg. A kompakttá tétel részletei határozzák meg az olyan tulajdonságokat, mint a kölcsönhatások erőssége és a 2. fejezetben tárgyalt természeti állandók értéke, az elektron töltése, sőt még az olyan paramétereket is, mint az adott univerzumban létező, elektronhoz hasonló részecskék száma. A mi világunkban csak egyetlen fajta elektron és háromféle kvark létezik, másfajta kompakttá tétel esetén azonban olyan világ is elképzelhető, amelyben háromféle elektron és ötféle kvark van.

Ennek a bőséges választéknak - amelyet Max Tegmark „IV. típusú” multiverzumként osztályoz - könnyű megtalálni az okát, elég visszaemlékezni arra, hogy hat térbeli dimenziót kell kompakttá tenni (valójában bizonyos univerzumokban előfordulhat, hogy hatnál több vagy kevesebb dimenziót kell kompakttá tenni), és ezek mindegyike számtalan különböző módon csavarodhat fel. A legegyszerűbb példa, amikor valamelyik dimenzió egy parányi gömböcskéhez hasonló módon csavarodik össze. A tér azonban egy fánk alakú gyűrűnek megfelelő módon - tórusszá - is felcsavarodhat, vagy 8-as alakúvá, mintha két fánk összetapadna, és így tovább. A helyzet bonyolultabb, ha hat dimenzió fordul elő, és ebben az esetben különösen nehéz szemléletessé tenni, matematikailag azonban az összes lehetőség leírható; ezeket Calabi-Yau-sokaságoknak nevezzük. A sokaságokban kialakuló lyukak, amelyek az oldalukkal egymás mellé helyezett fánkok közepén kialakuló csőnek felelnek meg, azért fontosak, mert a terek átfűződhetnek a lyukakon, felcsavarodhatnak a tórusz gyűrűszerű része körül, vagy az annak a magasabb dimenziókban megfelelő alakzat körül.

Mindannyian jól ismerjük a mágneses „erővonalak” fogalmát, amelyet könnyen szemléltethetünk a mágnesrúd fölé helyezett papírlapra szórt vasreszelékben kialakuló vonalakkal. Az ilyen erővonalak, nemcsak a mágneses, hanem másfajta terek esetében is, felcsavarodhatnak a magasabb dimenziós fánkok körül, és átfűződhetnek az azok közepén kialakult lyukakon. Van azonban egy határa annak, milyen gyakran tekeredhet fel ilyen módon valamely tér, mert a lyuk belsejében haladó erővonalak kifelé irányuló nyomást fejtenek ki, márpedig ha ez a nyomás elegendően nagy, akkor hatására a lyuk tágulni kezd, megszüntetve ezáltal a tér kompaktságát. A terek és a felcsavarodott dimenziók kölcsönhatása energiát kelt, amely egy adott konfigurációhoz tartozik, ha nincs jelen anyag - vagyis ez az üres tér energiája. Ez jelenti a kulcsot a kozmikus tájképen belül elfoglalt helyünk megértéséhez.

Amikor a fizikusok az 1990-es évek végén először kezdték fontolóra venni mindennek a kozmológiai következményeit, akkor azzal a rejtéllyel találták magukat szembe, hogy miért éppen a mi Világegyetemünk kristályosodott ki az M-elmélet ezen mélyebb értelméből adódó sok lehetőség közül. Egyeseket az a gondolat csábított, hogy talán valamiféle antropikus elv működhet, ha a multiverzumban számos, különböző konfiguráció mindegyike létezhet. Ahhoz azonban, hogy egyáltalán valószínűvé váljék, hogy egy, a miénkhez hasonló univerzum létezik, a lehetséges konfigurációk olyan óriási számára lenne szükség, hogy először senki sem tudta, megengedi-e ezt egyáltalán az elmélet. 2000-ben Raphael Bousso, aki akkor a Stanford Egyetemen dolgozott, valamint Joe Polchinski a korábbinál sokkal szilárdabb alapokra helyezte ezt az elképzelést. Rámutattak ugyanis arra, hogy a kvantumfluktuációk megengedhetik, hogy nagyon ritkán bár, de a tér egyes tartományai az egyik kompakt konfigurációból átugorjanak egy másikba. Ez lényegében új buborékuniverzumokat hoz létre, amelyek mindegyike a saját ősrobbanásából ered, saját módján tágul, és saját fizikai törvényei uralkodnak benne, és amelyeket a táguló tér óriási tartományai választanak el a „régi” konfigurációtól, ami hasonló elrendeződést jelent, mint a buborékuniverzumok az örökké tartó felfúvódás esetében. A buborékokon belül újabb buborékok lehetnek, azokon belül továbbiak, aminek nincs kezdete és nincs vége.

Az elképzelés nem aratott egy csapásra osztatlan sikert, de 2003-ban a KKLT néven ismertté vált csoport" reális becsléssel állt elő arra vonatkozóan, hogy a tízdimenziós tér néhány dimenziójának kompakttá válása összesen hány univerzum létezését engedi meg. (KKLT: A szerzők nevének kezdőbetűiből - Shamir Kachru, Renata Kallosh, Andrei Linde, Sandip Trivedi.) Megállapították, hogy a kompakttá vált tér kerekítve legfeljebb 500 lyukat tartalmazhat a „fánkokban”, annál sokkal többet nem. Azt is felfedezték, hogy minden egyes lyukon legfeljebb néhány erővonal fűződhet át, kilencnél bizonyosan nem több. Ha maximumként a kilencet fogadjuk el, akkor minden lyuk esetében tíz lehetőséggel kell számolnunk (0, 1, 2, ... 8, 9), ami 500 lyuk esetében azt jelenti, hogy a vákuum konfigurációinak maximális száma 10^500 körül lehet. Összehasonlításképpen, az egész belátható Világegyetemet 10^80 atom építi fel. Noha a 10^500 óriási nagy szám, de mégsem végtelen. Ahhoz azonban bőven elég nagy, hogy teljesen valószínűvé tegye, hogy ha mindezek a konfigurációk tényleg előfordulnak a multiverzumban, akkor némelyek nagyon hasonlóak legyenek a mi Világegyetemünkhöz. (Egyes számítások szerint nem kevesebb mint 10^1000 lehetséges vákuumállapot létezhet; a 10^500 tulajdonképpen mértéktartó becslés!)

Leonard Susskind az elképzelés lelkes támogatójává vált, és a különböző kompakt konfigurációjú univerzumokból álló multiverzumnak a kozmikus tájkép nevet adta. Az elképzelés a 2003 utáni években ezen a néven vált sikeressé. Az elképesztően nagy 10^500 szám szemléltetése érdekében Susskind rámutatott arra, hogy ha egymástól Planck-hosszúságnyi távolságra fekvő pontok sorozatát képzeljük el, akkor az egész látható Világegyetem átmérője mentén 10^60 pont férne el. Ezután feladta a további próbálkozást. „A 10^500 szám olyan meghökkentően nagy, hogy képtelen vagyok elképzelni ilyen nagyszámú pont bármiféle grafikus szemléltetését.” De tényleg ilyen reménytelen a helyzet? A térfogat az átmérő köbével arányos, tehát ha az egész látható Világegyetemet ilyen szorosan egymás mellé tett pontokkal töltenénk ki, akkor is csak 10^180 pontra lenne szükségünk. Eszerint tehát további 10^320, a miénkhez hasonló méretű univerzum kellene ahhoz,hogy mind a 10^500 Planck-méretű pontot elhelyezhessük. Ilyen óriási a kozmikus tájkép változatossága. És ez a mellbevágóan nagy szám még mindig nem jelenti a történet végét. Nem arról van szó ugyanis, hogy a multiverzumban „csak” 10^500 univerzum lenne, hanem arról, hogy 10^500 fajta különböző univerzumról beszéltünk. Arra továbbra is lehetőség van, hogy ugyanazon fajta Calabi-Yau-sokaságból számos másolat létezzék, amelyek mindegyike a saját ősrobbanásából kiindulva, a maga módján fejlődik, aminek a következményeit később tárgyaljuk.

Akárhogy is, a kozmikus tájkép nem azonos egy sima, folytonos felülettel. Egy ilyen felület teljes kitöltéséhez ugyanis végtelen számú pontra lenne szükség. Leginkább talán egy pointillista festő képére érdemes gondolnunk. Távolról a kép úgy néz ki, mintha szelíden hullámzó dombokat és völgyeket ábrázolna, esetleg néhány magas hegycsúccsal és mély szakadékkal, de ha közelről szemügyre vesszük a festményt, akkor apró pontok miriádjait látjuk, amelyek szinte összeérnek egymással. Valójában persze hasonló a helyzet egy folytonosnak tűnő papírlap esetében is, hiszen az is véges számú atomból áll.

A tájkép nem minden pontja egyenrangú azonban. Döntő jelentőségű, hogy nem mindegyiknek ugyanakkora az energiája. A tájkép hasonlatot gyakran használják a tudományban, ha valamilyen változó mennyiséget (gyakran az energiát) akarnak szemléltetni. Susskind azt állítja, hogy a hasonlatot a kémiából ismerte, ahol a nagy molekulák energiájának bemutatására használják. Az atomok ezreiből álló molekula elvben sok különböző módon is összerakható, ahol ugyanazok az atomok eltérő mintázatban rendeződnek össze. A téma minden egyes variációjának rá jellemző energiája van, a lehetőségek tartománya pedig dimbes-dombos tájjal szemléltethető, ahol a dombok a nagyobb energiájú konfigurációknak felelnek meg, a közöttük lévő völgyek pedig a kisebb energiájúaknak. Ez lehetővé teszi a kémikusok számára, hogy képet kapjanak arról, mennyire stabil egy adott konfiguráció - ha az egy dombtetőn helyezkedik el, akkor atomjai bármilyen kis külső zavar hatására nagy valószínűséggel átrendeződnek egy stabilabb konfigurációvá, ami a szemléletes kép szerint annak felel meg, hogy a domboldalon lecsúszik a völgybe. Ha viszont valamely konfiguráció eredetileg is a völgyben található, akkor stabil, vagyis kevéssé valószínű, hogy megváltoztatja a belső szerkezetét.

A kozmikus tájkép egyes konfigurációiban a hegyek és a völgyek a vákuum energiájának felelnek meg. Az elgondolás szerint amikor egy kvantumfluktuáció valamilyen „új” konfigurációt hoz létre, akkor azt véletlenszerűen teszi. Ha az új tér egy völgybe esik, akkor minden rendben van; ott is marad, az adott fizikai törvényekkel, és teszi a dolgát. Ha viszont az új konfiguráció egy dombtetőre esik, vagy valahol nagyon magasan egy völgy oldalfalába, akkor legördül a legalacsonyabb pont felé, miközben energiát szabadít fel. A völgy aljára érve, a stabil helyzetben megállapodik. Ez az energiafelszabadulással kísért legördülés pontosan ugyanaz a folyamat, amelyet felfúvódásként már ismerünk. (A tájkép „pointillista” ábrázolása miatt ez a „gördülés” valójában egyfajta kvantumszintű rezgést tartalmaz, mint amikor egy golyó legurul a lépcsőn; ez azonban az érvelést nem befolyásolja.) A felszabaduló energia táplálja a bekövetkező ősrobbanást, a vákuum energiájának alacsony értéke a völgy alján pedig a sötét energiának (a kozmológiai állandónak) felel meg, ami végső soron gyorsítani fogja az adott univerzum tágulását, miáltal óriási mennyiségben hoz létre új teret, amelyben a ritkán bekövetkező kvantumfluktuációk új univerzumokat hozhatnak létre. „Az egész ismert kozmológia akkor foglalta el az őt megillető helyet, amikor a kozmológiai állandó az egyik értékről egy sokkal kisebb értékre változott” - mondja Susskind.

Ha elképzeljük egy ilyen tájkép terepasztalszerű modelljét a dombokkal és a völgyekkel, majd egy üveggolyót dobunk az asztalra, akkor a golyó valahol egy völgy mélyén fog megállapodni, nem pedig egy hegytetőn. A stabil univerzumokban, mint amilyen a miénk is, a kozmológiai állandó értékének kicsinek kell lennie. De vajon miért kellene a mi Világegyetemünknek kitűnnie a többi közül? Ez egyáltalán nem valószínű, legalábbis, ha egyetlen golyót gurítunk el a terepasztalon. Ha viszont egyszerre sok golyót gurítunk el, vagy egymás után gurítgatjuk egyenként a golyókat, egészen az örökkévalóságig, akkor minden völgy be fog népesülni. A húrelmélet tájképének minden egyes pontja egy bizonyos kompakttá tételnek felel meg, saját fizikai törvényeivel. Ám Bousso és Polchinski szerint mintegy 10^380 vákuumállapot létezik azokban a „kellemes pontokban”, ahol a többé-kevésbé a miénkhez hasonlító univerzumok létezhetnek. Ezek alapján mi csak olyan univerzumban létezhetünk, amely kielégíti az antropikus kozmológia által támasztott követelményeket. A húrelmélet természetes magyarázatot ad a multiverzum létezésére, az örökké tartó felfúvódás pedig természetes folyamatot kínál, hogy a multiverzum tájképében minden lehetséges völgy telítődjék. A fizika törvényei attól függnek, hogy a kozmikus tájképen belül hol helyezkedik el az adott univerzum, ezért e kép alapján a kozmológusok szeretik csipkelődve megjegyezni, hogy a fizika általunk ismert törvényei talán csak amolyan helyi hatókörű melléktörvények.

Schrödinger macskája visszatér

Ezzel azonban (egyelőre) még nincs vége a kozmikus tájkép történetének. A húrelméleten alapuló tájképet benépesítő különböző fajta univerzumok száma olyan óriási, hogy nem mindig túl nagy közöttük a különbség. A tájképbe például belefér egy olyan univerzum, amelyikben a fizika törvényei pontosan ugyanolyanok, mint a mi Világegyetemünkben, azonban az elektron tömege egy hajszálnyival nagyobb (vagy kisebb). Természetesen rengeteg olyan univerzum is létezik, amelyek nagyon eltérnek a miénktől. A kozmológus Paul Davies (jelenleg az Arizona Állami Egyetemen dolgozik) szerint „Semmi túlzás nincs abban a kijelentésben, hogy elég megálmodnunk egy univerzumot, elképzelnünk (az ésszerűség határain belül), milyen kis energiájú fizikai törvények uralkodjanak benne, és a lehetőségek elképzelhetetlenül bőséges tárházában szinte bizonyosan megtaláljuk.” (Paul Davies: A megbundázott Világegyetem, 198. o. - Akkord Kiadó, Budapest, 2008 - a fordító megjegyzése) Az „ésszerűség határain belül” kitétel egyszerűen azt jelenti, hogy például a 2. fejezetben mondottakkal összhangban a gravitáció fordított négyzetes erőtörvényét nem követelhetjük meg egy nagy dimenziószámú univerzumban, csak a háromdimenziós terekben. Léteznek bizonyos megkötések arra vonatkozóan is, hogy a különböző univerzumokban milyen módon tehetők kompakttá egyes dimenziók, ez az oka annak, hogy a kozmikus tájképet alkotó pontok száma a véges 10^500, nem pedig végtelen.

A kozmikus tájképben olyan univerzumok is helyet kaphatnak, amelyekben a fizikai törvények megkülönböztethetetlenek a mi Világegyetemünkben uralkodó törvényektől, de az univerzumok történelme eltérő. Lehet, hogy ott például a Földet nem találta el 65 millió évvel ezelőtt egy kisbolygó, és így nem szakadt hirtelen vége a dinoszauruszok korának. Ismerősen hangzik? Igen, mert a kép nagyon hasonlít a kvantummechanika Everett-féle sokvilág-értelmezéséhez. Olyannyira hasonlít, hogy Susskind valójában azt is felvetette, hogy a két dolog lényegében egy és ugyanaz.

Susskind rámutat a hasonlóságra a húrelmélet multiverzumának két szemléletmódja (amire ő „megaverzumként” hivatkozik), illetve a kvantummechanika két legismertebb értelmezése közötti hasonlóságra. Az egyik álláspont az egyetlen megfigyelő nézőpontja, akit a tér szerkezetében bekövetkező változásokkal szemben érzéketlenebbnek képzelünk el, és aki az egyetlen oksági tartományon belül előforduló történéseket figyeli meg. Ebből a szempontból nézve létezik egyetlen olyan „zsebuniverzum”, amelyet a fizikai tulajdonságok adott csoportja jellemez. A kvantumfluktuációk idővel átalakítják a teret valamilyen más formába, ahol más fizikai törvények uralkodnak, és amelynek minden valószínűség szerint alacsonyabb az energiája. Ez a folyamat újra meg újra végbemegy, de a megfigyelő szeme előtt elvonuló univerzumok döntő többsége alkalmatlan az élet számára, ezért élettelen. Olyan ez, mintha egyetlen folyó kanyarogna csak a kozmikus tájban, és ezért csak a tájnak egy szűk sávját tudnánk bejárni, a többi feltáratlanul maradna. Nagyon csekély annak az esélye, hogy a hipotetikus megfigyelőnk egyszer rábukkan egy élet hordozására alkalmas univerzumra. Susskind ezt „soros” képnek nevezi, mert az egymást követő univerzumok egymás után tűnnek fel.

Ez a kvantummechanika koppenhágai értelmezésére hasonlít, amelyet legnagyobbrészt Niels Bohr dolgozott ki, és amelyben ha a kvantumfizikai szinten bármikor döntési helyzet következik be, akkor a természet az egyik lehetséges utat választja, az összes többi lehetőség pedig a „hullámfüggvény összeomlásának” nevezett folyamat keretében eltűnik. Susskind azonban hangsúlyozza, hogy a hullámfüggvény összeomlása nem része a kvantumfizika matematikájának, az csak „olyasvalami, amire Bohrnak azért volt szüksége, hogy a kísérlet valamilyen megfigyeléssel fejeződjék be.” Minthogy az univerzum nem ér véget egy megfigyeléssel, ezért a koppenhágai értelmezés - egyéb hiányosságaitól függetlenül is - alkalmatlan eszköz, amikor a multiverzumot próbáljuk leírni.

A másik megközelítés az, amelyet Susskind párhuzamos nézőpontnak nevez. Ahelyett, hogy egyetlen univerzum vándorolna végig egymás után a húrelmélet által megengedett különböző állapotokon, e nézőpont szerint számos zsebuniverzum szóródik szét a kozmikus tájban, amelyek egyidejűleg fejlődnek, mindegyik a maga módján - de egymással párhuzamosan. Ebből a nézőpontból teljesen bizonyos, hogy egyes univerzumok az élet számára alkalmas állapotig fognak fejlődni. „Ki törődik az összes többivel?” - teszi fel a költői kérdést Susskind. „Az élet ott, és csakis ott fog kialakulni, ahol erre lehetőség van.”

Ez szerinte olyan, mint a kvantumfizika Everett-féle változata. Sőt még inkább ugyanezen téma David Deutschtól származó változatára hasonlít. A kozmikus tájkép bármely kiszemelt zsebuniverzumából kiindulva minden lehetséges jövő létezik, valahol a tájban, és nincs egyetlen olyan fonál, amely a táj egy keskeny tartományán végigkanyargó folyóként sorba kapcsolná az egyes zsebuniverzumokat. Sokkal inkább olyan ez, mintha egy hatalmas árvíz öntené el az egész tájat, és minden üreget megtöltene a víz.

Susskind ezt nagyon mélyértelmű meglátásnak tartja:

Talán végül rájövünk, hogy a kvantummechanika csak egy szerteágazó megaverzum összefüggésében nyer értelmet, a megaverzum pedig csak az Everett-féle értelmezés szerteágazó valóságaként nyer értelmet.

Akár a megaverzum, akár a sokvilág-értelmezés nyelvezetét használjuk, a párhuzamos kép a húrelmélet hatalmas méretű tájképével együtt a kezünkbe adja azt a két eszközt, amelyek az antropikus elvet ostoba tautológia helyett hathatós rendező elvvé teszik.

Ez a kép olyan szépen összerendezi mindazt, amiről ebben a könyvben szó volt, hogy csábítóan hangzik itt abbahagyni fejtegetéseinket. A húrelmélet kozmikus tájképe ugyanaz nagyban, mint David Deutsch sokvilág-elmélete, a felfúvódást is beleértve. Maradt azonban egyetlen elvarratlan szál, amelyhez vissza kell térnünk, és egyetlen elemet még hozzá kell tennünk a Susskind által összeállított képhez. Az elvarratlan szál az a némelyek által komolyan vett elgondolás, miszerint a Világegyetem puszta hamisítvány - vagyis egy számítógépes szimuláción belül élünk, ami leginkább a Mátrix filmsorozat szereplődnek világához hasonlítható. A rejtély utolsó eleme a fekete lyukaknak az univerzumok születésénél játszott szerepe.

7. Hamisítsuk? Vagy alkossuk meg?

A XXI. század elején a húrelmélet multiverzumával összefüggésben két merész elképzelés vált komoly megfontolásra érdemessé a körülöttünk látható Világegyetem magyarázatára. Az első szerint az univerzumunk csupán számítógépes szimuláció - vagyis más szavakkal: hamisítvány. Az elképzelést meglepően sok kiváló kozmológus veszi komolyan, de véleményem szerint rossz lóra tettek, hogy miért, azt később megmagyarázom. A második elképzelés kevésbé divatos, de nézetem szerint sokkal meggyőzőbb. Eszerint a Világegyetem mesterséges konstrukció, amelyet egy másik univerzumban élő értelmes lények szándékosan hoztak létre. Óriási különbség van a hamisítás és a megalkotás között, márpedig a bizonyítékok számomra azt sugallják, hogy az utóbbi sokkal valószínűbb. Első pillanatban ezek a kérdések sokkal inkább a filozófia vagy a vallás, mintsem a természettudomány témakörébe tartozónak látszanak. Ám az elképzelések tudományos alapja, nevezetesen a húrelmélet tájképe, elegendően valóságos. Minthogy a következtetések rendkívül fontosak, érdemes körüljárni a témát, és világossá tenni a tudományos alapokat.

Tudomány-e mindez?

Széles körben elterjedt vélekedés szerint a multiverzum koncepciója nem több merész filozófiai ötletnél, és a kozmikus koincidenciák antropikus megoldása, mint például a Világegyetem gyorsuló tágulását előidéző vákuumenergia - valamiféle tautológia, vagy körkörös érvelés. Raphael Bousso tetszetős magyarázatot ad arra, miért nem ez a helyzet. Az alábbi, három lépésből álló indokolást tőle kölcsönöztem.

Először is az a kérdés, hogy létezik-e a multiverzum vagy nem. Ez nyilvánvalóan tudományos kérdés, nem attól függ, hogy mi a véleményünk, vagy mit szeretnénk hinni. A tudományos érvelés kritikus pontja az, hogy a részecskefizika szabályai megengedik-e legalább egy „hamis vákuum” létezését - vagyis az üres tér egy olyan állapotát, amelynek nagyobb az energiája, mint az üres tér egy másik állapotának. Ha létezik ilyen, akkor magától értetődő, hogy előbb vagy utóbb valamilyen kvantumfluktuáció létrehoz egy ilyen hamis vákuumot. Ezután a hamis vákuum „legördül” az alacsonyabb energiaállapotba, ami a felfúvódás hajtóerejéül szolgál, és létrehozza azt a végtelen, táguló teret, amelyen belül a kvantumfluktuációk további táguló buborékokat hoznak létre, amelyek mindegyike végtelen térfogatú. Ha a fizika törvényei akár csak egyetlen hamis vákuumállapot létezését is megengedik, akkor abból következik a multiverzum létezése még akkor is, ha véges térfogatból indulunk ki. Bousso szerint „az elképzelés, miszerint [a metavezum] végtelenül nagy lehet és a mi régiónk végtelenül sok másolatát tartalmazhatja, olyasvalami, ami megbízhatóan következik egy egyszerű és ésszerű feltevésből”.

Másodsorban a multiverzum elképzelés modern változata megköveteli a kozmikus tájkép létezését, ami viszont nem egyetlen, hanem nagyon sok hamis vákuumot tartalmaz, miáltal egy nagyon sokféle univerzumot tartalmazó, bonyolult multiverzumot hoz létre. Mindez nagy segítséget jelent az olyan dolgok antropikus érvekkel történő magyarázatához, mint a kozmológiai állandó értéke vagy a szén-és az oxigénatommagok rezonanciái. Nem nyilvánvaló azonban, miként lehet az első alapelvekből levezetni egy ilyen tájképet. Mindamellett, a húrelmélet éppen egy ilyen tájképet hoz létre, D-bránokkal és terekkel áthurkolt sokdimenziós fánkokkal. „Igazán figyelemreméltó, véleményem [ti. Bousso véleménye] szerint, hogy a paraméterek értékének megválasztásában lényegében a legcsekélyebb szabadságot sem engedő húrelméletről bebizonyosodott, hogy pontosan azokat az összetevőket biztosítja, amelyek megengedik egy ilyen tájkép realizálódását. Nem szükségszerű, hogy ez megtörténjék, mégis megtörtént.”

Végül, minthogy a tájkép nem egyszerűen egy metafizikai fogalom, hanem a fizika egy meghatározott elméletéből származtatott, konkrét modell, ezért elvileg nincs okunk kétségbe vonni, miért ne lehetne ellenőrizhető előrejelzéseket készíteni ennek alapján. A feladat nem egyszerű, és talán még a Nagy Hadronütköztető technológiája sem elegendő az állítások ellenőrzéséhez, noha - amint Bousso megjegyzi - semmiképpen sem arról van szó, hogy „bármi lehetséges lenne”. Bousso az atomok és az atommagok viselkedéséhez hasonlítja a helyzetet. A megfelelő fizikai elméletek például nem engedik meg, hogy egy atommag száznál több protont tartalmazzon, mint ahogyan azt sem, hogy a vas szobahőmérsékleten gáz halmazállapotú legyen. Azt reméli, és arra számít, hogy a húrelméletből le lehet vezetni hasonlóan általános érvényű szabályokat arra vonatkozóan, miként viselkedik az anyag az Ősrobbanás energiájához képest csekély, de a mindennapi gyakorlathoz képest óriási energiákon. Hasonló a helyzet ahhoz, ahogyan a vas elektromos vezetőképessége számos atom együttes tulajdonságától függ, így a megállapításához nem szükséges egy vasdarab összes protonja és elektronja közötti kölcsönhatásokat egyenként figyelembe venni.

A húrelmélet valóságos tudomány, a kozmikus tájkép pedig a húrelmélet része. Akkor hát megkérdezhetjük, hogy a szó szoros értelmében hová vezet mindez?

Belső információ

Semmi újdonság sincs abban, ha olyan képet alkotunk a világról, amilyennek kívülről látszana - élő szereplők alkalmazása nélkül „Steamboat Willie” (Walt Disney rajzfilmfigurája, 1928 - a fordító megjegyzése) és kortársai óta ezt már számos rajzfilmfigura megtette. Ezek a szimulációk fokozatosan fejlődtek, a tollal és ceruzával, szabad kézzel rajzolt figurák helyét a valóságos világhoz a megtévesztésig hasonló számítógépes szimulációk vették át. Minden valószínűség szerint, vélhetően holografikus technika használatával, ezek a szimulációk hamarosan három dimenzióban fognak megjelenni, így a néző a cselekmény résztvevőjévé válhat, miközben azt hiheti, hogy a valóságot érzékeli. Óriási különbség van azonban a világ külső megjelenésének érzékeink megtévesztésére is alkalmas minőségű szimulációja, illetve a világ és minden benne lévő dolog és jelenség olyan szimulációja között, amely az abban a szimulációban - tehát egy számítógép belsejében - „élő” intelligens lények gondolkodási folyamatát is tartalmazza. Eltekintve a technikai megvalósítás nehézségeitől, a legfontosabb megválaszolandó kérdés az, hogy hány bit információra lenne szükség egy a miénkhez hasonló univerzum ilyen módon történő szimulációjára - vagy pedig, a másik irányból megközelítve a kérdést, hány bit információt tartalmaz a mi Világegyetemünk.

A kozmológusokat részben azért érdekli az információ fogalma és annak kapcsolata a Világegyetemmel, mert az információ (ami viszont szoros kapcsolatban áll az entrópiával) sajátos módon kapcsolatba lép a fekete lyukakkal, másrészt pedig azért, mert Jacob Bekenstein összegezése szerint „egy végső elméletnek nemcsak a terekkel kell foglalkoznia, és nem is csak a téridővel, hanem a fizikai folyamatok között lejátszódó információcserével is.” E kép értelmében még az Melmélet is csak durván közelíti az információ áramlását, bár ez nem vonja kétségbe az M-elméletből levont következtetések értékét. Könyvünk nem a megfelelő hely arra, hogy részletes betekintést nyújtsunk az információról folyó vitába, e helyütt csak az számít, hogy az információ és annak áramlása iránti érdeklődésnek köszönhetően számos érdekes kiinduló gondolat született az arról folyó vitához, miként lehet hamisítani egy univerzumot.

Bekenstein, aki jelenleg Izraelben, a Héber Egyetemen dolgozik, az 1970-es években a fekete lyukak entrópiája és hőmérséklete közötti kapcsolat vizsgálatával vált ismertté. Elképzeléseit később Stephen Hawking a Cambridge-i Egyetemen továbbfejlesztette, és kimutatta, hogy ennek következtében a fekete lyuk felszínét folytonosan részecskék árama és sugárzás, az úgynevezett „Hawking-sugárzás” hagyja el. Egy nagy fekete lyuk több tömeg-energiát nyel el, mint amennyit ilyen módon kisugároz, ezért annak a tömege a sugárzás ellenére növekszik. Egy parányi fekete lyuk azonban az energiavesztés hatására összezsugorodik, ezért egyre rohamosabban sugároz és zsugorodik, míg végül részecskék végső árama formájában felrobban.

Mindez sok talányt vet fel a Világegyetem információtartalmát illetően. Mi történik a fekete lyukba behulló információval? Tételezzük fel, hogy az információ valamilyen bonyolult szerkezetű, mesterségesen megalkotott tárgy, például egy űrhajó formájában áll rendelkezésünkre. Elvész ilyenkor az űrhajóra vonatkozó információ? És megváltozik-e ennek megfelelően a Világegyetem entrópiája, vagy figyelembe kell vennünk a fekete lyuk információját, amelyik most már az űrhajóra vonatkozó részt is tartalmazza? Hawking kezdetben az egyik legtekintélyesebb szószólója volt annak a nézetnek, amely szerint a fekete lyukba behulló információ végérvényesen elvész, és onnan nem hozható vissza. A heves, de barátságos hangvételű vitában a másik tábor, benne Leonard Susskind, azzal érvel, hogy létezik az „információ megmaradásának törvénye”, ezért a Világegyetemből még akkor sem veszhet el információ, ha az eltűnik egy fekete lyukban.

Susskind és munkatársai azzal érvelnek, hogy bár az információ megfejthetetlenül összezavarodik, ennek ellenére a fekete lyukba hulló információ bitjei a Hawking-sugárzás változásai formájában visszatérnek a fekete lyukon kívüli Világegyetembe. Susskind ezt egy csomag kártya megkeveréséhez hasonlítja. Ha a kiinduló kártyacsomagunkban a lapok színek szerint szét vannak válogatva, a színeken belül pedig számsorrendben vannak, vagy a csomag valamilyen más szisztémájú rendezettséget mutat, majd ezután egy bonyolult, de meghatározott algoritmus szerint megkeverjük a lapokat, akkor a kiinduláskor tartalmazott információ továbbra is jelen lesz a pakliban. Ennek ellenére a kiinduló helyzet csak akkor állítható vissza, ha ismerjük a keverés algoritmusát, és azt lépésenként visszafelé követve haladunk a kiinduló állapotig. Egészen más a helyzet azonban, ha véletlenszerűen keverjük össze a lapokat, mert ebben az esetben nem létezik a visszafelé követhető algoritmus. Amíg viszont létezik a keverés visszafelé követhető szabálya, addig az információ nem vész el még akkor sem, ha a szabályt nem ismerjük.

Ennek eredményeképpen klasszikus patthelyzet állt elő az általános relativitáselmélet és a kvantumelmélet között. Az általános relativitáselmélet szerint az információ belehull a fekete lyukba, a kvantumelmélet viszont, Susskind szemléletes szóhasználatával élve azt mondja, hogy „olyan ez, mintha az üzenetet még éppen a »soha vissza nem térés« határa előtt kiragadnánk a hírvivő kezéből, és átadnánk a kifelé áramló Hawking-sugárzásnak”. A kvantummechanika oly sok dilemmájához hasonlóan ebben az esetben is az jelentheti a kettősség feloldását, ha megpróbálunk „egy fenékkel két lovon ülni”. Annak következtében, ahogyan a gravitáció torzítja az időt, a külső világban tartózkodó és a fekete lyukba hulló tárgyon bekövetkező eseményeket figyelemmel kísérő észlelő azt látja, hogy a test egyre közelebb kerül a fekete lyukhoz, de eközben egyre lassabban mozog, ezért soha nem éri el azt az eseményhorizontnak nevezett határt, ahonnan már nincs visszatérés. Közvetlenül az eseményhorizont előtt a test végül megsemmisül, és kifelé tartó Hawking-sugárzássá alakul. Aki azonban maga is a lyuk felé esik, például a szóban forgó, hipotetikus űrhajón utazik, semmi ilyesfélét nem érzékel. Ha a fekete lyuk elég nagy, akkor az űrhajó és utasa anélkül, hogy bármit is érezne, teljes kényelemben keresztülhalad az eseményhorizonton és azon a ponton, ahonnan már nincs visszatérés. Az utas megfigyelheti az űrhajó körüli világot, még a fekete lyuk belsejében is, egészen addig, amíg az űrhajó el nem éri a lyuk központi tartományát, ahol az űrhajót utasával együtt darabokra szakítják az árapályerők.

Susskind és Gerardus ’t Hooft holland fizikus az 1990-es években kimutatták, hogy mindkét kép helytálló, éppúgy, ahogyan a fényt hullámnak, illetve részecskének tekintő képek is egyidejűleg érvényesek. Ez a kvantumvilág tanulmányozásával foglalkozó fizikusok számára jól ismert fogalom, az úgynevezett komplementaritás egyik formája, ahol az objektumok, például az elektronok hullámként és részecskeként egyaránt leírhatók, és a két „komplementer”, azaz egymást kiegészítő leírás egyaránt helyes. Ma már Hawking is elismeri, hogy korábban tévedett, és az információ nem vész el, amikor egy test beleesik a fekete lyukba. Susskind megfogalmazása szerint: „a fekete lyukon kívül tartózkodó megfigyelő számára az eseményhorizonton áthatoló felderítő életének eseményei az eseményhorizont mögött játszódnak le. Ezek azonban fizikai események, nem metafizikaiak. Azokról ugyanis valamilyen megkevert, holografikus kódolás segítségével a Hawking-sugárzás mégiscsak tudósít bennünket. ... Nem számít, hogy a kód [a szabály] elveszett, vagy akár nem is létezett. A kártyák mégis hordozzák az üzenetet.” Ilyen formában viszont más univerzumokból érkező, összezavart üzeneteknek is érkezniük kell a Hawking-sugárzással, feltéve, hogy - amint az valószínűnek látszik - a fekete lyukak más világokba vezető átjárók. A multiverzumban az információ a féreglyukakon keresztül eljuthat a téridő egyik tartományából - egy univerzumból - valamelyik másikba, így a metaverzum egészére vonatkoztatva az információ soha nem vész el.

A fekete lyukak és az információ/entrópia közötti kölcsönhatásra vonatkozó vizsgálatok egyik gyümölcse a fekete lyukak teljes információtartalmára vonatkozó számítás, amelyet Bekenstein végzett el. Ez az információmennyiség a fekete lyukat körülvevő eseményhorizont (ahonnan már nincs visszaút) felületével arányos. Elég logikus módon, ha egy kicsiny fekete lyuk az energia és információ kisugárzása következtében összehúzódik, akkor ezzel együtt felülete is csökken, míg a nagy információtartalmú objektumokat elnyelő fekete lyuk növekszik, így felülete is egyre nagyobb lesz.

Ha a fekete lyuk eseményhorizontjának a felületét Planck-hosszúság oldalú négyzetekre osztjuk fel, és minden egyes ilyen négyzet egy bit információt tartalmaz, akkor a négyzetek száma tekinthető a fekete lyuk által tartalmazott információ mennyiségének. Eszerint egy körülbelül 1 centiméter átmérőjű fekete lyuk mintegy 10^66 bit információt tartalmazna. Nagy kérdés, hogy vajon mennyi információt tartalmaz a Világegyetem, és mekkorának kellene lennie egy fekete lyuknak ahhoz, hogy ezt az információmennyiséget a lehető leghatékonyabb módon tartalmazni tudja. Bekenstein becslése szerint a Világegyetem minimális információtartalma 10^100 bit, ezt a nagy számot googolnak szokták nevezni. A Google internetes keresőrendszer neve hangzásában a googol számra utal, ami elkápráztatóan hangzik, ám ennyi információhoz semmilyen módon nem lehet hozzáférni. Googol bit információ tárolásához egy körülbelül 0,1 fényév átmérőjű fekete lyukra lenne szükség.

Ez tehát a lehető legkisebb méretű memória, amelyre szükség lenne ahhoz, hogy az egész Világegyetem számítógépes szimulációját futtassuk rajta, függetlenül magának a számítógépnek a méretétől, vagy attól, hogy a kvantumszámítógép elvén vagy hagyományos módon működik-e. Ez a Világegyetem méretével összehasonlítva meglepően kicsinek tűnik, a számítás azonban a felső részén nyílt végű, vagyis nincs felső határa a Világegyetem által tartalmazott információnak. Lehetséges, és a magam részéről ezt sokkal valószínűbbnek tartom, hogy a legkisebb objektum, amelyik az univerzum leírásához elegendő információt képes tárolni - maga a Világegyetem. Végső soron a metaverzumban elhelyezkedő buborékuniverzumok szemszögéből nézve a Világegyetem nem más, mint egy fekete lyuk, így ennek megfelelően a felülete az a minimális méret, amelyik megfelel az általa tartalmazott információ mennyiségének. Ez alaposan megkeseríti a hamisítók életét!

A hamisítók

A hamis univerzumok elgondolásának szószólói lényegében arra hivatkoznak, hogy igen egyszerű egy univerzumot számítógéppel szimulálni. Ennek alapján arra számíthatunk, hogy szerte a multiverzumban nagyon sok ilyen szimuláció működik, amelyeket a valóságos univerzumokban dolgozó programozók készítenek. Ezek talán olyan további szimulációkat is tartalmaznak, amelyeket a szimulált univerzumokban élő szimulált programozók készítettek, vagyis a szimulációk úgy ágyazódnak egymásba, mint a Matrjoska baba darabjai. E szerint tehát - érvelnek - a szimulációk száma messze meghaladja a lakható univerzumok számát, így statisztikus értelemben nagyon valószínű, hogy mi magunk is egy szimulációban élünk, nem pedig egy valóságos, fizikailag létező univerzumban. Lehet, hogy a programozók puszta szórakozásból készítik ezeket a szimulációkat, mint a Sim World sorozat számítógépes játékait, de az is lehet, hogy tudományos érdeklődésük kielégítése céljából, mert szeretnék tudni, hogyan viselkedik egy univerzum, ha szórakozásból vagy valamilyen, az emberi értelem által felfoghatatlan ok miatt kissé megváltoztatják a természeti állandók értékét. A lényeg azonban az, hogy ilyen vagy olyan okból elkészítették a szimulációkat.

Kíváncsiak lehetünk arra, miért gondolná bárki is azt, hogy egyszerű elkészíteni egy a miénkhez hasonló univerzum szimulációját, amikor ehhez a minimális követelmény, hogy a Planck-léptékben hozzá kell tudnunk férni egy 0,1 fényév átmérőjű fekete lyuk eseményhorizontjának felszínén tárolt információhoz. Persze minden azon múlik, mit tekintünk „egyszerűnek”. Egy univerzum szimulációjához talán egy szupercivilizáció felbukkanására van szükség, amelynek az általunk eddig elért szintet messze meghaladó számítástechnikai kapacitása van. Lehetséges, hogy egy ilyen képességű civilizáció soha nem fejlődik ki a mi Világegyetemünkben. A multiverzum azonban minden lehetséges fajta univerzumot megenged, beleértve a miénkhez nagyon hasonló univerzumokat is, amelyekben az események valamilyen ritka, szeszélyes kombinációjának köszönhetően éppen felbukkan egy ilyen szupercivilizáció. Hacsak nincs a fizikának olyan törvénye, amelyik teljes mértékben megakadályozná az ilyen civilizációk megjelenését, mégpedig nemcsak a mi Világegyetemünkben, hanem bármely lehetséges univerzumban, akkor mindenképpen lesznek olyan, a miénkhez nagyon hasonló univerzumok, amelyekben egy ilyen szupercivilizáció létezik. Nagyon nehéz - sőt szerintem egyenesen lehetetlen - olyan fizikai törvényt elképzelni, amelyik ezt megtiltaná. A szimulációs elgondolás kiötlői azzal érvelnek, hogy még ha ritkák is az ilyen univerzumok, az általuk tartalmazott szupercivilizációk akkor is elég nagy számban hoznak létre szimulált univerzumokat, ezért a hamisítványok elsöprő számbeli fölényben vannak a valóságos univerzumokkal szemben. Ebben az esetben viszont annak nagyobb az esélye, hogy mi magunk is egy szimulált univerzum lakói vagyunk.

David Deutsch, aki mindenki másnál többet tud a számítás-technikáról azok közül, akikkel valaha is találkoztam, különösen kíméletlenül bírálja ezt az érvelést, amelyet „agyrémnek” és „ellenőrizhetetlen összeesküvés-elméletnek” nevez. Szerinte „a számítás nem adhat magyarázatot a hardverre”, és rámutat arra, hogy a valódi világban (és ő meg van győződve a világ valóságosságáról) gőzgépeket lehet építeni, örökmozgót viszont nem. Mégis, „a számítástechnika kvantumelmélete semmit sem tud a termodinamika második főtételéről: ha egy univerzális kvantumszámítógép szimulálni tud egy fizikai folyamatot, akkor szimulálni tudja annak az időbeli megfordítását is”, az emberek pedig egy olyan „szimulációban élnek”, amelyben lehetséges örökmozgót építeni.

John Barrow, aki cambridge-i elméleti fizikus és kozmológus, ugyancsak mélyen elgondolkodott ezen a kérdésen, más gondolatmenetet követ. Érvelése szerint, ha egy szimulált világban élünk, akkor találnunk kellene a fizika törvényeiben bekövetkező „ugrásokra” utaló jeleket. Szerinte még egy szupercivilizáció sem tudhat mindent a fizika törvényeiről. Hiszen a szimuláció futtatásának éppen az lehet az egyik oka, hogy többet akarnak megtudni ezekről a törvényekről. Ezért a programozásba hibák csúsznának be, szakadások következnének be, amelyek úgy mutatkoznának meg a mi világunkban, hogy zavarba ejtő kísérleti eredmények születnének - például a megfigyelések arra engednének következtetni, hogy a fizikai állandók az idő múlásával esetleg lassan változhatnak, vagy a Világegyetem egyik részén más értéket vesznek fel, mint másutt. Végső soron, amint az The Infinite Book (A végtelen könyve) című munkájában megfogalmazza:

[A szimulációk] teremtőik tökéletlenségének esnének áldozatául. A hibák felhalmozódnának. Az előrejelzések elromlanának.

A világ irracionálissá válna.

Kellemetlen kilátások, de azért nem lennének álmatlan éjszakáim miatta. Először is nincsenek kényszerítő érvek, amelyek miatt arra kellene gondolnunk, hogy egy olyan Világegyetem, mint a miénk, bármilyen más módon szimulálható lenne, azonkívül, hogy valaki elkészíti a valódival egyező méretű másolatát. Eltekintve a buborékuniverzumok már említett problémájától, még az egyetlen részecske térbeli helyzetének megadásához szükséges információ mennyiségének tárolása is valódi nehézséget okozhat. Előfordulhatnak olyan körülmények, amikor a hely pontos megadásához irracionális számokra van szükség, például a π-re, amelyeknél a tizedesvessző után végtelenül sok számjegyet kell megadnunk. Ezért ennek az egyetlen számnak és ezen keresztül a részecske pozíciójának a pontos megadásához végtelen tárolókapacitásra lenne szükség!

Természetesen a számítógépek programozói tudják, mi a teendő ilyen esetekben - kerekíteni kell.

Ez a kerekítéses ötlet azonban még egy ellenérvet felvet a szimulált univerzum elképzelésével szemben. Miért kellene az egész mindenség szimulációjára törekednünk? Ahelyett, hogy az összes távoli kvazár és csillag szimulációjával bajlódnánk, miért nem elégszünk meg azzal, hogy mondjuk a Földet teljes részletességgel szimuláljuk, miközben a földi távcsövekbe és más detektorokba olyan hamis fotonokat küldünk, amelyek azt a látszatot keltik, mintha az Univerzum távoli vidékéről érkeznének? Ez minden bizonnyal megfelelő megoldás lenne, ha például csak az élet egyetlen bolygón végbement fejlődése érdekelne. Logikailag a végsőkig elmenve, az érvelés nagyon hasonló helyzetet teremt, mint amilyennel Boltzmann agyának rejtélyénél találkoztunk. A hamisítók érvelése azon a feltételezésen alapul, hogy amit könnyű létrehozni, az gyakori a multiverzumban. A legegyszerűbb szimuláció, amely összhangban van mindennel, amit csak tapasztaltunk (beleértve azt is, hogy elolvassuk ezt a könyvet) az lenne, ha feltételeznénk, hogy érző személyiségünk csupán egy bonyolult számítógépen futó program, amelybe olyan adatokat táplálnak be, amelyek azt az illúziót keltik, mintha egy egész világ létezne körülöttünk. Minthogy ez egyszerűbb egy egész univerzum, vagy akár egyetlen bolygó szimulálásánál, a hamisítók logikája szerint sokkal több ilyen szimulált „agynak” kellene léteznie, mint ahány teljes, szimulált univerzum létezik. Ezért sokkal valószínűbb, hogy Ön csupán egy elszigetelt, bár bonyolult számítógépes program, mint az, hogy a Világegyetem létezik, akár szimulációként, akár valóságos világként.

Ezzel azonban még mindig nem értünk az út végére. Éppúgy, ahogy kiderült, hogy egyszerűbb egész univerzumokat létrehozni, mint elszigetelt Boltzmann-agyakat, ugyanúgy, bár más okok miatt, valójában sokkal egyszerűbb teljesen új, valódi univerzumokat létrehozni, mint szimuláltakat készíteni, nem is beszélve személyek szimulálásáról. A természet folyamatosan meg is teszi ezt, a fekete lyukak közvetítésével. Az univerzumok bőséges elszaporodásához nincs szükség egy intelligens civilizáció közbeavatkozására, de ha jelen van az értelem, akkor az tenyésztheti és szaporíthatja az univerzumokat, ugyanúgy, ahogyan a kertész teszi a növényekkel.

Fekete lyukak és csecsemőuniverzumok

A szingularitás felé tartó, összeomló fekete lyuk belsejében lezajló események fizikája pontosan az időbeli megfordítása a szingularitásból kifelé táguló Ősrobbanás fizikájának. A fizikusok egyik esetben sem gondolják, hogy valóban jelen van egy szingularitás, hanem valami olyasmi történik, ami közel van ahhoz, amit mi szingularitásnak gondolunk, ezáltal azt az illúziót keltve, mintha az összeomlás egy matematikai pont felé tartana, illetve a tágulás egy ilyenből indulna ki. Ez a valami a kvantumgravitációnak is engedelmeskedik, vagyis az események a Planck-skálán játszódnak le, ahol már maga a tér is habos szerkezetű.

A legvalószínűbb lehetőségek egyike, hogy a szingularitás felé összeomló téridő „visszapattan” magának a szingularitásnak a közeléből, így az összehúzódás átfordul tágulásba. Ez volt az alapja a ciklikus univerzumokra vonatkozó korai elképzeléseknek is, amelyek azonban az ugyanazon téridőben az egyik visszapattanásból a következőbe átvitt entrópiával kapcsolatban nehézségekbe ütköztek. Ezen elképzelések szerint a visszapattanás az általunk jó ismert három térbeli és egy időbeli dimenzióban történt, vagyis az összeomlás során a három térbeli dimenzió zsugorodott össze, majd a visszapattanást követően ugyanez a három térbeli dimenzió kezdett tágulni. Függetlenül attól a problémától, hogy mi történik egy ilyen helyzetben az idő irányával, ugyanez nem történhet meg a mi Világegyetemünkhöz tartozó fekete lyuk esetében, hiszen az leszakad az eseményhorizontján kívül lévő három térbeli dimenzióról, és oda soha nem is térhet vissza, kivéve, ha elpárologva semmivé foszlik. Az 1980-as években azonban néhány matematikai fizikus annak a lehetőségét kezdte vizsgálni, hogy a fekete lyuk belsejében lévő, és a szingularitás felé zuhanó anyagot eltérítheti-e a tér valamilyen gyűrődése más dimenziók felé, amelyek azután egy új téridőt létrehozva tágulni kezdenek.

Ezt az új téridőt matematikailag viszonylag könnyű négy dimenzió segítségével leírni, ahol a négy dimenzió három térbeli és egy időbeli dimenziót jelent, amelyek mindegyike merőleges a mi saját téridőnk négy dimenziójának mindegyikére. Alig nagyobb matematikai erőfeszítések árán ez a leírás a kompakt dimenziókra is kiterjeszthető. Mindig fennáll annak a lehetősége, hogy a kompakttá válás az „új” téridőben esetleg a régitől eltérően működhet, de erre a problémára itt nem kívánok részletesen kitérni, mert a hozzánk hasonló emberek számára csak a miénkhez hasonló téridők létezése számít. Susskind kozmikus tájképének a nézőpontjából - feltéve, hogy az egész elgondolás helyes - egy fekete lyuk a táj két különböző részét összekötő alagútként képzelhető el. Minden „szingularitás”, amin minden egyes fekete lyukat kell érteni, a téridő dimenzióinak egy másik csoportjába vezető bejárat, és valószínűleg a multiverzum tájképén belül a kompakttá válás témájának egy másik variációját jelenti.

Ezt másféleképpen is szemléltethetjük, ha a háromdimenziós tér és a léggömb táguló, kétdimenziós felülete közötti, jól ismert analógiából indulunk ki. Ne törődjünk a léggömb belső terével, csak az analógiánkban a térnek megfelelő, kétdimenziós gumifelülettel foglalkozzunk! E kép értelmében a fekete lyuknak a léggömb felületén lévő, kicsiny hólyag felel meg, amelyik lecsípődik, és önálló tágulásba kezd. Az eredeti léggömböt a tágulásnak induló hólyaggal vékony „torok” köti össze, az ezen keresztül átáramló levegő hatására a hólyag akár az eredeti léggömb méretére, vagy annál nagyobbra is felfújódhat, anélkül, hogy ez hatással lenne az eredeti léggömb (az eredeti téridő) szerkezetére. Az eredeti univerzum lakói mindössze annyit tapasztalnak, hogy ott található egy fekete lyuk. Ez az objektum azonban csak az egyik vége annak a köldökzsinórnak, amelyik a szülőuniverzumot az új, úgynevezett csecsemőuniverzummal összeköti. Az új univerzumban tartózkodó intelligens megfigyelő a köldökzsinór másik végét látja, és azt a saját ősrobbanásaként érzékeli, amelyhez felfúvódás tartozik, továbbá a gravitáció negativitásának köszönhetően óriási mennyiségű anyag és energia jelenik meg.

Nem kell természetesen egyetlen buboréknál megállnunk. A téridő új buborékai bárhol létrejöhetnek, ahol az eredeti univerzumban fekete lyukak vannak, majd a téridő még újabb buborékai hasonló módon az új, az eredeti által létrehozott csecsemőuniverzumok bármelyikében megjelenhetnek. Ennek a szemléletnek legmélyebb hatású következménye, hogy talán a mi Világegyetemünk is hasonló módon születhetett, a kozmikus tájkép egy másik részén egy szingularitás közelében levő fekete lyuk összeomlásából. E szerint tehát a saját Világegyetemünket csak egy összetevőnek kell tekintenünk az univerzumok hatalmas (feltételezhetően végtelen) rendszerében, amelyen belül az egyes univerzumokat a téridő alagútjai kötik össze. (És maga ez a végtelen hálózat feltételezhetően csak egyike a kozmikus tájképben megtalálható végtelen számú hasonló hálózatnak.) Nos, minthogy a multiverzumban valahol bármi létezhet és létezik is, semmi rejtélyes nincs abban, ha kialakul az egymással összeköttetésben álló univerzumok ilyen rendszere, amely univerzumok közül némelyek olyanok, mint a mi Világegyetemünk. Jó lenne azonban tudni, hogyan kezdődött az egész történet, és azt, hogy a miénkhez hasonló univerzumok elegendően gyakoriak-e ahhoz, hogy a kozmikus egybeesésekre adott antropikus magyarázat érvényes legyen. Lee Smolin volt az, aki a legmélyebben elgondolkozott ezeken a kérdéseken, amikor maradt egy kis szabad ideje a hurok-kvantumgravitáció problémáinak elemzése mellett. Az 1990-es évek elején kidolgozott egy elképzelést, amelyet The Life of the Cosmos (A Kozmosz élete) című könyvében fejtett ki részletesen. E szerint egy földi élővilágban működőhöz nagyon hasonló evolúciós folyamat a lehető legkisebb méretű, Planck-léptékű fluktuációkból kiindulva, bőséges mennyiségben hozhatott létre a miénkhez hasonló univerzumokat. Az evolúciónak két lényeges tulajdonsága van: egyrészt az egyedek utódokat hoznak létre, amelyek tulajdonságai hasonlóak, de nem teljesen azonosak szüleik tulajdonságaival, másrészt, az utódok reprodukciós sikeressége a saját tulajdonságaiktól függ. Ennek megfelelően a sikeres reprodukciót elősegítő tulajdonságok elterjednek. Smolin véleménye szerint ez ugyanúgy érvényes az univerzumokra, mint ahogyan a földi élővilágon belül is működik.

Az univerzumok természetes kiválasztódása

Smolin alapötlete szerint amikor egy fekete lyuk az egyik téridőben összeomlik és alagutat nyit egy másik téridő felé, akkor az „új” téridő fizikai tulajdonságai, így például a gravitáció erőssége és az egyéb természeti állandók értékei nagyon közel lesznek a szülőuniverzumbeli értékekhez, de azokkal nem egyeznek meg teljes mértékben. (A fizika paraméterei ilyen „újrafeldolgozásának” az ötlete valójában John Wheeler az 1970-es években, az egyetlen „visszapattanó” univerzummal kapcsolatban végzett munkájáig nyúlik vissza. Wheeler volt egyébként az, aki a fekete lyukaknak ezt a találó elnevezést adta.) Hasonló ez ahhoz, ahogyan a DNS-ben fellépő apró mutációk következtében az utódállat vagy -növény génkészlete nagyon hasonló marad szülei génkészletéhez, de azzal nem teljesen azonos. Ebből a mechanizmusból kiindulva azzal érvel, hogy a többihez képest gyakoribbá válnak azok az univerzumok, amelyekben a természet állandói olyan értékeket vesznek fel, amelyek kedveznek a fekete lyukak létrejöttének, mert ezeknek az univerzumoknak több utóduk lesz, amelyeknek ugyancsak a fekete lyukak keletkezését elősegítő utódaik alakulnak ki. Az antropikus kozmológia esetében alkalmazotthoz hasonló érvelésből ebben az esetben az következik, hogy a mi Világegyetemünk a multiverzumon belül nem azért kitüntetett helyzetű, mert kedvező otthont nyújt az életnek, hanem azért, mert eredményesen tud fekete lyukakat létrehozni. Puszta véletlen, hogy ami jó a fekete lyukaknak, az jó a hozzánk hasonló életformáknak is. Smolin szavaival:

Az elemi részecskék standard modelljében a paraméterek azért az általunk megfigyelt értékeket veszik fel, mert ez sokkal valószínűbbé teszi a fekete lyukak létrehozását, mint a paraméterek értékének bármilyen más megválasztása.

Azonban éppen a tulajdonságok egyik generációról a másikra történő enyhe megváltozása az, ami a miénkhez hasonló univerzumokat elsöprő gyakoriságúvá teszi.

Ennek a működését Smolin a kozmikus tájkép elképzelése segítségével magyarázza. Ott, ahol Susskind a kémia fogalmait vette kölcsön, Smolin az evolúciós biológiához fordul segítségért - bár kozmológiai összefüggésben Smolin már az 1990-es években is használta ezt az elgondolást, néhány évvel korábban, mint ahogy Susskind tőle függetlenül előállt a saját változatával. Smolin tájképét egy túlnyomórészt sík terepként képzelhetjük el, amelyen csak itt-ott bukkannak fel kisebb dombok. A táj adott pontja az univerzum tulajdonságait meghatározó paraméterek együttesének felel meg, nevezetesen, az univerzumnak a fekete lyukak létrehozására irányuló képességét jellemzi. A táj sík területein részleteiben különböző tulajdonságú univerzumokat találunk, egyvalami azonban közös bennük: mindegyikük csak egyetlen fekete lyukat képes létrehozni a kvantumhabból, de ez a fekete lyuk szinte azon nyomban össze is omlik. A kis dombok olyan univerzumoknak felelnek meg, amelyek elég hosszú ideig élnek, és amelyek tulajdonságai megfelelőek ahhoz, hogy néhány fekete lyukat és ennek megfelelően néhány utóduniverzumot hozzanak létre. Ugyanakkor a tájból kiemelkedő magas hegyek a multiverzum olyan tartományainak felelnek meg, ahol az univerzumok sok fekete lyuk és ennek következtében sok utóduniverzum létrehozására képesek.

A „kozmikus tájkép téma” összes variációját illetően fontos körülmény, hogy a tájkép minden egyes pontjában egynél több univerzum helyezkedhet el. Biológiai megfelelőjében a tájkép egy pontja egy faj, mondjuk a zebra tulajdonságainak (vagyis génkészletének) felel meg; de sok zebra létezhet, amelyek mind ugyanilyen tulajdonságúak. Ez a tájkép olyan megszokott elképzelés a biológiában, hogy Richard Dawkins egyik legjobb könyve címének is azt választotta, hogy A Valószínűtlenség Hegyének meghódítása (Climbing Mount Improbable). A „Valószínűtlenség Hegye” egy magas csúcs az evolúció tájképében, amelyik egy komplex biológiai rendszer, például a szem tulajdonságainak felel meg. Gyakori ellenvetés a természetes kiválasztódás alapján működő evolúció elgondolásával szemben az a kérdés, hogy „mi haszna van egy fél szemnek?” Más szavakkal, miként lehetett képes egy bonyolult szerv, például a szem apró lépések sorozatának eredményeképpen kifejlődni, amint azt a természetes kiválasztódáson alapuló evolúció megköveteli. A rövid válasz az, hogy sok esetben a fél szem is nagyon hasznos lehet, és mindenképpen hasznosabb, mint szem nélkül élni, különösen, ha ragadozók fenyegetnek. A Valószínűtlenség Hegyének meghódításában a részletes válasz leírja, miként fejlődött ki a szem a fényérzékeny sejtek foltjából. Ez klasszikus példa arra, miről szól ez az egész tájképhasonlat - nem kell egyetlen ugrással fenn teremnünk a hegy csúcsán, az is célravezető, ha a hegyoldalon a csúcs felé kanyargó, kevésbé meredek ösvényt követjük. Ha a csúcson emberekkel találkozunk, akkor nem kell feltételeznünk, hogy valamilyen csoda vagy isteni beavatkozás eredményeképpen kerültek oda, elég, ha arra gondolunk, hogy lépésről lépésre felkapaszkodtak. Ez tehát a helyzet a szemmel és a többi összetett szervvel. A szem valóban olyan értékes szerv, hogy legalább negyven, egymástól független alkalommal fejlődött ki, negyven különböző, kanyargós ösvényen közelítve meg ugyanazt a hegycsúcsot. Ha Smolinnak igaza van, akkor a körülöttünk tapasztalható Világegyetem bonyolultsága hasonló, lépésről lépésre lejátszódott folyamat eredménye, ahol az egész folyamat egy kvantumfluktuációval vette kezdetét.

Smolin egy egyszerű példában arra kér, képzeljük el, hogy csak két lehetőség van - egy univerzum vagy csak egyetlen, vagy pedig pontosan tíz utóduniverzumot hozhat létre. Ha a kozmikus tájképen belül véletlenszerűen kiválasztott valamelyik univerzumból indulunk ki, akkor az a legvalószínűbb, hogy az valahol a síkságon található, tehát azok közé tartozik, amelyek csak egyetlen utódot tudnak létrehozni. Az utód, akárcsak szülője, rövid időre felbukkan a létezés színpadán, majd hamarosan összeomlik, de előtte még létrehoz egy utódot. Döntő jelentőségű, hogy minden egyes generáció tulajdonságai csekély mértékben bár, de különböznek az előző generáció tulajdonságaitól. Ez azt jelenti, hogy az egymást követő univerzumok a síkságon tekergő ösvényt alkotnak. Végül olyan univerzum jön létre, amelynek tulajdonságai már egészen közel vannak egy olyan dombhoz, amelyik a tíz utódot létrehozó univerzumnak felel meg. Egy további, kis „mutáció” eredményeképpen az univerzum feljut a dombra, így a lánc következő univerzumának már valóban tíz utóda lesz. Ezek közül néhány olyan mutáció lesz, amely a síkságra visszajutásnak felel meg, ám a következő generáció minden olyan tagjának, amelyik megmarad a hegytetőn, tíz utóda lesz. Ennek eredményeképpen exponenciális ütemű növekedés indul el, ami óriási számú univerzummal népesíti be a tízutódos univerzumok dombját, számuk messze meghaladja a síkságon tanyázó, egyutódos univerzumokét.

A valósághoz közelebb álló tájképben a tízutódú univerzumok dombja egy sokkal magasabb hegy lábánál helyezkedik el, ez a hegy felel meg a Dawkins-féle Valószínűtlenség Hegyének, amelynek csúcsán a miénkhez hasonló univerzumok helyezkednek el. Ily módon az érvelését a sokkal bonyolultabb univerzumokra is kiterjesztve, Smolin úgy gondolja, hogy akkor is eljutunk a fekete lyukakat eredményesen létrehozó univerzumok bőséges sokaságáig, ha a kozmikus tájkép egy barátságtalan pontján egyetlen kvantumfluktuációból indulunk ki. Természetesen nincs okunk feltételezni, hogy a tájképen belül csupán egyetlen kvantumfluktuáció jön létre.

Mindezek alapján azt veti fel, hogy ha a multiverzumban véletlenszerűen kiválasztott bármely univerzum nagy valószínűséggel a leggyakoribb típusba tartozik, akkor a mi Világegyetemünkben a fizika törvényeinek közel kell lenniük a fekete lyukak létrehozása szempontjából optimális értékhez, és „a legtöbb változás a fizika törvényeiben csökkentené univerzumunkban a fekete lyukak keletkezési ütemét”. Az állítás ellentmondásos, és jelenleg is heves vita tárgyát képezi, mindamellett egy példát fel tudok hozni Smolin álláspontjának védelmében, amely szintén megvilágítja azt a véleményét, miszerint az élet csupán a fekete lyukak kialakulásának mellékterméke. Ez a példa az összes közül a leghíresebb kozmikus koincidenciát tartalmazza, a szén atommagjának természetére vonatkozó, Hoyle-tól származó antropikus meglátást.

Új távlat

A mi Világegyetemünkben jelenleg a csillagok haláltusájakor nagy számban keletkeznek fekete lyukak. Nem minden csillag fejezi be fekete lyukként az életét - ez Smolin érvelésének egyik vitatott sajátossága de a csillagászok becslése szerint a Világegyetemben ma megfigyelhető minden tízezer csillagra legalább egy, a csillagok korábbi nemzedéke által létrehozott fekete lyuk jut. Egy a Tejútrendszerhez hasonló, néhány százmilliárd csillagot tartalmazó galaxisban legalább több tízmillió fekete lyuknak kell lennie, és ez a szám folyamatosan növekszik, ahogy mind újabb csillagok érnek fejlődésük végállapotába. A belátható Világegyetem legalább százmilliárd, a Tejútrendszerhez hasonló galaxist tartalmaz, így mértéktartó becslések szerint a látható Világegyetemben 10^18 és 10^19 közötti számú fekete lyuk lehet. Ha Smolinnak igaza van, akkor ezek mindegyike egy olyan köldökzsinór végét alkotja, amelyik a mi Világegyetemünket egy másik univerzummal köti össze. Ahhoz tehát, hogy ez a rengeteg fekete lyuk és csecsemőuniverzum létrejöjjön, mindenekelőtt csillagokra van szükség, és ez az, ahol a szén rendkívül fontos szerepet játszik.

Ha a térben egy gáz-és porfelhő a saját tömegvonzása hatására elkezd összeomlani, és ezzel megkezdődik a csillaggá alakulásának folyamata, akkor anyaga a felszabaduló gravitációs energia hatására felforrósodik, a fejlődő hő viszont nyomást hoz létre, amely igyekszik megtartani a felhőt, vagyis megakadályozni az összeomlását. Közvetlenül az Ősrobbanás után a Világegyetemben az első csillagok a csak hidrogént és héliumot tartalmazó felhőkből fejlődtek ki a sötét anyagot tartalmazó környezetben. Minden bizonnyal nagyon nagyok voltak, mert csak a nagyméretű és -tömegű felhők képesek a felforrósodás ellenében is összeomlani. A csillagok ezen első, majd ezt követő további generációiban felépültek a nehezebb elemek, aminek eredményeképpen sokkal könnyebbé vált a csillagok keletkezése. Azokban a felhőkben, amelyekből napjainkban az új csillagok születnek, a továbbra is bőséges mennyiségben tartalmazó hidrogén és hélium mellett nyomokban szerves és más széntartalmú molekulák, mint például szén-monoxid, is jelen vannak, amelyek hatékonyan nyelik el a felhő belsejéből érkező hőt, majd infravörös hullámhosszakon továbbsugározzák, így az megszökik a világűrbe. A felhők szilárd szemcséket is tartalmaznak, amelyek körülbelül akkorák, mint a cigarettafüstben lévő szemcsék. Ezek is szénatomok köré épülnek fel, megvédve a felhők belsejét a közeli csillagok hőjétől, amely máskülönben elpárologtathatná a felhőket, még mielőtt összehúzódnának.

Anélkül, hogy a részletekbe mennénk, most csak azzal törődjünk, hogy a csillagközi gázfelhők összehúzódását segítő szerepe miatt a szén a csillagok keletkezési folyamatának kulcsfontosságú összetevője. Ez azt jelenti, hogy a természeti állandók értékében bekövetkező bármilyen változás, ami nehezebbé teszi a szén kialakulását, olyan univerzumot eredményez, amelyik kevesebb csillagot és kevesebb fekete lyukat tartalmaz. A szén rezonanciája, amelyre Fred Hoyle hívta fel a figyelmet, még mindig a véletlen kozmikus egybeesések magyarázatra szoruló példája; de Smolin magyarázata szerint a kozmikus tájképből a szelekció kiemeli azokat az univerzumokat, amelyekben könnyű létrehozni a szenet, mert ez elősegíti a fekete lyukak és a csecsemőuniverzumok kialakulását. A mi létezésünknek semmi köze ehhez.

Ugyanebből a szemléletből kiindulva, Smolin megbirkózik a kozmikus egybeeséssel is, kimutatva, hogy sokféleképpen lehet olyan változásokat előidézni a fizika paramétereiben, hogy a létrejövő univerzumban sokkal kevésbé gyakoriak legyenek a fekete lyukak. Ezek ugyanazok a koincidenciák, amelyekre az antropikus kozmológia szószólói hivatkoznak, amikor amellett érvelnek, hogy a Világegyetemet, amelyben élünk, éppen a mi jelenlétünk emeli ki a kozmikus tájképből, mert ha ezek az egybeesések nem állnának fenn, akkor nem lennénk itt, és nem vehetnénk észre őket. Smolin nézőpontjából azonban az élet általunk képviselt fajtája csupán a csillagok és fekete lyukak keletkezésének a mellékterméke. Az igazán véletlen egybeesést éppen az a körülmény jelenti, hogy ami jó a fekete lyukaknak - például a szén különleges tulajdonságai - az egyúttal kedvező az élet számára is. (A „koincidencia” nem a legmegfelelőbb kifejezés, mert ha Smolinnak igaza van, akkor az élet egyfajta parazitaként fejlődött ki, kihasználva a kedvező körülmények előnyét, amelyek elősegítik a fekete lyukak kialakulását. Akármi is a helyzet, ténylegesen csak a fekete lyukak számítanak.)

Smolin arra a hasonlóságra is felhívja a figyelmet, amely a kozmikus tájkép és DNS-be, vagyis az élet molekulájába kódolt alkalmassági tájkép között áll fenn. A DNS a Földön előforduló összes életforma kódját képes hordozni, sőt számos más élőlény kódját is, amelyek azonban jelenleg nem léteznek a Földön. Létezik egyfajta DNS-tájkép, ahol „az összes lehetséges DNS-sorozat készletét és azok minden lehetséges gyűjteményét időtlenül, lehetőségként létezőnek nevezhetjük”. Ez arra emlékeztet, ahogyan a húrelmélet megengedi a kozmikus tájképben az összes lehetséges univerzum időtlen létezését. „Ezután azzal is érvelhetünk - mondja Smolin -, hogy a természetes kiválasztódás nem létrehozza az újdonságokat, csak kiválasztja azokat a lehetőségek mindig létező listájából.” (A tisztesség kedvéért rá kell mutatnom, hogy Smolin nem túlságosan kedveli ezt az érvet, én viszont igen!)

A földi életformák körében működő természetes kiválasztódás és a kozmikus tájképben megjelenő univerzumok formái között működő természetes kiválasztódás közötti hasonlóságok még annál is szorosabbak, mint amire egyébként gondolnánk, ha ismerjük a „túlélésért folytatott küzdelmet”, az erőforrásokért folyó versengést és a hasonló fogalmakat, amelyek megrostálják a földi életformákat, és amelyek a „legalkalmasabb túlélését” eredményezik. Ez a küzdelem rendkívül jó módszer arra, hogy a fajok alkalmassá váljanak a megnyíló ökológiai fülkék betöltésére, mindamellett a faj változékonysága teszi lehetővé, hogy az új életformák meghódítsák ezeket az ökológiai fülkéket. Alapvetően az számít, hány utódot hagy maga után valamely egyed, vagy szakszerűbben, a szervezetek különböző túlélési rátája. (Szigorú értelemben ez sok egymást követő generációra vetítve jelenti a túlélési rátát; hiába jön ugyanis létre nagyon sok utód, ha azok mind elpusztulnak, még mielőtt elérnék a reprodukcióra képes kort. Az evolúciós biológusok azonban az „utód” fogalmát mindezt figyelembe véve használják.) Az erőforrásokért folyó versengés és a túlélésért folytatott harc fontos tényező a földi életformák különböző túlélési rátájának meghatározásakor, de ez nem jelenti azt, hogy a történetnek ne lennének további szereplői, de még csak azt sem, hogy ezek alapvető jelentőségűek az evolúció szempontjából. A lényeg ugyanis a változékonyság, a variánsok megjelenése. Amíg generációról generációra fellépnek különböző, csekély változások, és amíg a reprodukció üteme összefüggésben áll a genetikai anyaggal (a földi élet esetében), illetve a fizika törvényeivel (az univerzumok esetében), addig az evolúció bizonyos változatokból mindig nagyobb számú egyedet hoz létre, mint más variánsokból. Smolin elegánsan összegezi a helyzetet:

Míg az evolúcióról szóló népszerű írások gyakran a versengés szerepét hangsúlyozzák, addig a fajok által az életben maradásra kifejlesztett különböző módozatok bőséges tárházára tekintve, ennek alapján úgy tűnik, az evolúció legfontosabb tényezője sokkal inkább a túlélés új módjainak kifejlesztésére való képesség, annak érdekében, hogy minimalizálják a különböző fajok közötti tényleges versengést.

Saját véleményem szerint az evolúció csúcsának tekintett emberiség lényegében a vesztesek hosszú vonulatából származott. A halnak alkalmas halak a tengerben maradtak, míg a halnak kevésbé alkalmas halak kénytelenek voltak kifejleszteni a levegő belélegzésének képességét, és kimásztak a szárazföldre. A kétéltűnek alkalmas kétéltűek a vizek közelében maradtak, míg az alkalmatlan kétéltűek, ahelyett, hogy versengtek volna a rokon fajokkal, inkább kifejlesztették a szárazföldi élet képességét, és meghódították a szárazföldek belsejét, és így tovább. Követve ugyanezt a vonalat, azok a majmok, amelyek jól megéltek a fákon, odafent maradtak, amelyek viszont erre kevésbé voltak alkalmasak, kifejlesztettek egy más életmódot, ami lehetővé tette számukra, hogy Afrika síkságain éljenek. Ha a legalkalmasabb túléléséből indulunk ki, akkor a legsikeresebb és legmagasabb túlélési rátájú földi élőlények a legegyszerűbb baktériumok, amelyek már több mint négymilliárd éve lényegében változatlan formában élnek a földi környezetben. Ez az időtartam az Ősrobbanás óta eltelt idő közel egyharmada; de a DNS-tájkép új részeinek felderítése legalább olyan fontos az evolúció szempontjából, mint azért, hogy az élet jobban alkalmazkodjék egy adott környezethez.

Az univerzumok természetes kiválasztódásának elképzelése eltávolítja az életet - beleértve az emberi életet is - a történet középpontjából, és olyasmit kínál, ami bizonyos szempontból létezésünk meglehetősen sivár perspektívája, miszerint nem vagyunk egyebek parazitáknál, akik kihasználták azt, hogy a Világegyetem a fekete lyukak bőséges elszaporodását lehetővé tevő módon fejlődött. Aki így érez, azt megnyugtathatja, hogy Smolin ötletét semmiképpen sem tekinthetjük széles körben elfogadottnak, sőt érvelésével szemben komoly ellenérvek hozhatók fel, amelyek középpontjában általában az a felfogás áll, miszerint el lehet képzelni olyan univerzumokat is, amelyekben a fekete lyukak termelése még hatékonyabban folyik, mint a mi Világegyetemünkben. Smolin véleménye szerint viszont ez azt jelentené, hogy a táj egy viszonylag ritka részén élünk, márpedig ebben az esetben szembe kell néznünk az ebből következő összes problémával. A vita még távolról sem tekinthető lezártnak, a kérdés egyelőre sem az egyik, sem a másik irányban nem dőlt még el. Nem szükséges azonban e helyütt belemennem a vita részleteinek az ismertetésébe, mert Smolin javaslata nyomán egy másik ötlet is felmerült, amelyik viszont az életet, lehetőség szerint az emberi életet határozottan a középpontba állítja vissza.

Bár az elmúlt évmilliárdok során a változatok között a természetes kiválasztódás kétségkívül működött a Földön, ezzel szemben az elmúlt néhány ezer évben az ember saját maga is végezte az egyedek szelekcióját az általa kívánatosnak tartott tulajdonságok fejlesztése érdekében. Ezért volt kénytelen Charles Darwin a „természetes” kiválasztódás kifejezést használni, mert így tudta egyértelművé tenni, miről is beszél. Az egyedek szelekciója révén azt akarjuk elérni, hogy a későbbi generációk nagyobb termést hozzanak, vagy az állatok jobban szolgálják a céljainkat. A puszta füveiből kinemesítették a búzát, a vadon élő baromból a sokkal több tejet adó tehenet, a farkasból pedig a kutyák számos fajtáját. A kutyák összes fajtája magában foglalja a farkas DNS-ét, pontosan a genetikai tájképnek megfelelően. Ezt a tájképet hagyományos módszerekkel sikerült ízeire szedni és feltárni, amikor adott tulajdonságú állatokat akarunk kitenyészteni, és ennek során az egyik fajta egyedtől egy másikig végigjárunk egy bizonyos útvonalat a DNS-tájképen belül.

Napjainkban már olyan sok mindent tudunk a genetikai anyagról, hogy akár közvetlenül is meg tudjuk változtatni a DNS-t, hogy módosított változatokat hozzunk létre, miáltal a DNS-tájkép egyik pontjából hirtelen átugrunk egy másikba anélkül, hogy végigjárnánk a két pontot összekötő útvonal minden pontját. Szó van arról is, hogy a szülők igényeinek megfelelően alakított gyermekeket lehetne világra hozni - a gyermekeink „tökéletesítését” lehetővé tevő technológia már létezik, de még vita folyik arról, hogy kívánatos-e kihasználni ezt a képességünket. Vajon egy nálunk valamivel fejlettebb civilizáció ugyanezt akár egész univerzumokkal is meg tudja tenni? Az univerzumok természetes kiválasztódása helyett, vagy amellett, lehetséges-e a mesterséges kiválasztás, univerzumok előállítása megrendelésre, és előfordulhat-e, hogy mi is egy ilyen „mérték után készült” univerzumban élünk? Lehet, hogy Isten az univerzumokat nemesítő kertész? A válasz nagyon határozottan „igen”, mert nagyon egyszerűen létre lehet hozni fekete lyukakat. A természetnek ehhez egy csillagra van szüksége, de a miénknél csak kissé fejlettebb technológiával ugyanezt itt a Földön is végre tudnánk hajtani. Sőt még az is felvetődött, hogy a Nagy Hadronütköztetőhöz hasonló részecskegyorsítókban akár véletlenül is létrejöhetnének fekete lyukak. Ez az ötlet az alapja napjaink egyik legjobb „keményen tudományos” sci-fi írásának.

Univerzumok készítői

Egy fekete lyukban minden megtörténhet, ha eléggé össze van préselve. Minden tömeghez tartozik egy kritikus sugár, az úgynevezett Schwarzschild-sugár, ez az adott tömegű fekete lyuk sugara. A Nap tömege esetén a Schwarzschild-sugár körülbelül 3 kilométer, ami azt jelenti, hogy ha a Nap összes anyagát belepréselnénk egy 3 km átmérőjű gömbbe, akkor fekete lyukká válna, eltűnne a szemünk elől, és minden, ami a belsejében van, egy szingularitás felé sodródna, vagy belehullana egy új univerzum felé vezető kvantumalagútba. Ha nem kevesebb mint egymillió naptömeget vennénk, ami egy meglehetősen kis galaxis tömegének felel meg, akkor ezt egy 3 millió km sugarú gömbbe kellene belegyömöszölni, hogy fekete lyukká váljék. Még a Földből is lehetne fekete lyukat csinálni, ehhez az anyagát egy csupán 1 centiméter átmérőjű térfogatba kellene belepréselni. A fekete lyuk sugara egyenesen arányos a tömegével. A részecskegyorsítók, mint például a Nagy Hadronütköztető egymással ütköző részecskenyalábjaiban parányi tömegeket zsúfolnak össze nagyon kicsiny térfogatba. Akár az is előfordulhat, hogy az ütközés ereje ezeket a részecskéket annyira egymáshoz préseli, hogy apró fekete lyukak alakulnak ki. A gravitáció negativitása miatt azonban akármilyen kicsi a fekete lyuk, mindenképpen képes arra, hogy felfúvódjék és saját dimenzióiban kitáguljon, így a miénkhez hasonló, teljes értékű univerzummá váljék.

Alan Guth, az infláció atyja volt az elsők egyike, aki részletesen megvizsgálta ezt az ötletet. A Massachusetts Műszaki Egyetemen dolgozó kollégáival együtt a XX. század végén kidolgozta az általa „univerzumok laboratóriumi teremtésének” nevezett módszer technikai részleteit. Elgondolásait The Inflationary Universe (A felfúvódó Világegyetem) című könyve végén tárgyalta. Következtetése értelmében a fizika törvényei valóban megengedik - elvben legalábbis -, hogy egy kellően fejlett technikai civilizáció ilyen módon létrehozzon egy vagy több univerzumot; a többi, jegyzi meg Guth félig viccesen, félig komolyan, „már a mérnökök feladata”. Az elképzelés tovább finomított változata szerint valószínűnek tűnik, hogy bármely, ilyen módon létrejött, parányi fekete lyuk a Hawking-sugárzás következtében gyorsan elpárolog, és így eltűnik a mi Világ-egyetemünkből, elvágva ezzel a csecsemőuniverzumba vezető köldökzsinórt.

Az 1990-es évek közepén Ted Harrison, a Massachusetts Egyetem kozmológusa Smolinnak az univerzumok természetes kiválasztódására vonatkozó elképzelése egyes elemeit ötvözte Guth elképzelésével az univerzumok laboratóriumi létrehozásáról, aminek eredményeképpen felvetette az univerzumok mesterséges tenyésztésének ötletét. (Zavaró módon, Harrison ezt az „univerzumok természetes kiválasztódásának” nevezi. Ez azonban nem ugyanazt jelenti, mint amire Smolin ugyanezt a megnevezést használja.) Ez a témára vonatkozó spekulációk hosszú történetének (eddigi) csúcspontja. Giordano Bruno 1584-ben azzal a kijelentésével háborította fel az intézményes egyházat, miszerint „Isten kiválósága megsokszorozódna és hatalmának nagysága a maga teljességében mutatkozna meg, ha nemcsak egy, hanem számtalan Nap dicsőítené őt; nemcsak egyetlen Föld, hanem ezer hasonló, mondhatnám, a világok végtelensége dicsérné Őt”. A filozófus David Hume 1779-ben valamivel kisebb bűnt követett el, amikor azt vetette fel, hogy Isten esetleg nem most tette ezt meg először, és talán egyik univerzumot a másik után „tákolhatta össze sikertelenül a végtelen idő alatt, mielőtt ezt a rendszert kikovácsolta; sok erőfeszítés és sok eredménytelen próbálkozás eredményeképpen a végtelen korok alatt fokozatosan tökéletesítve magát a világok készítésének művészetében”. Hume elképzelését kommentálva Harrison felteszi a kérdést: miért kellene megállni a mi Világegyetemünknél? Miért ne folytatódhatna a folyamat még nagyszerűbb univerzumok készítésével, amelyek talán még alkalmasabbak az élet számára, mint az, amelynek mi magunk a lakói vagyunk, akár segítségül hívjuk Istent a folyamat végrehajtásához, akár nem?

Olaf Stapledon írt le egy hasonló folyamatot egyik korai tudományos-fantasztikus regényében, az először 1937-ben megjelent Star Maker (Csillaggyártó) című könyvében. Álmodozó hőse működés közben figyeli meg a Csillaggyártót:

Hiábavaló volt minden fárasztó és gyötrelmes igyekezetem, hogy kövessem azokat az egyre bonyolultabb teremtményeket, amelyeket - álmom szerint - a Csillaggyártó kigondolt. Buzgó képzeletéből egyik kozmosz a másik után tört elő, végtelen sokféleségükben mind különböztek egymástól, mind egyre kidolgozottabbak voltak az előzőeknél, de mindegyik egyre kevésbé volt felfogható a számomra... Lankadó figyelmemet összpontosítva megpróbáltam megragadni valamit a végső kozmikus rendszerből. Csodálattal vegyes tiltakozással tudtam egy-egy pillantást vetni a világok, a testek és a szellemek végső finom részleteire, és a teljes öntudatra és kölcsönös érzékelésre ébredő, lehető legkülönfélébb és mégis egyedi lények közösségére.

A Csillaggyártó egyik univerzumában:

Amikor csak valamelyik teremtménynek több lehetséges cselekvés közül kellett választania, akkor végrehajtotta mindegyiket, miáltal több, különálló időbeli dimenziót hozott létre és a kozmosz különböző történelmeit idézte elő. Minthogy a kozmosz minden fejlődési sorozatában számtalan teremtmény létezett, és mindegyik újra meg újra olyan helyzetbe került, amikor több lehetőség közül kellett választania, és ezeknek a választási lehetőségeknek a kombinációi megszámlálhatatlanok, ezért ennek a kozmosznak az időbeli rendjéből pillanatonként végtelenül sok önálló univerzum szakadt le.

Íme, itt van a sokvilág-elképzelés, elismerten bármiféle tudományos alátámasztás nélkül, viszont két évtizeddel Hugh Everett változatát megelőzően!

Akkor hát - talán mégiscsak létezett a Csillaggyártó? Lehet, hogy egy megtervezett univerzumban élünk?

Evolúció a tervezett univerzumokban

Gondot okoz, ha egy a Világegyetemről szóló könyvben ugyanabban a mondatban használjuk az „intelligencia” és a „tervezés” szavakat. A problémát az okozza, hogy létezik egy nagyhangú csoport, elsősorban az Egyesült Államokban, akik nem fogadják el az evolúció tényét, nem is beszélve a természetes kiválasztódásról, amelyet Charles Darwin és Alfred Russel Wallace az evolúció működési mechanizmusaként javasolt. Ezek az emberek szó szerint értelmezik a Bibliát (vagy legalábbis a Biblia azon fejezeteit, amelyek felfogásuknak megfelelnek), és annak megfelelően úgy hiszik, hogy minden egyes fajt Isten teremtett vagy tervezett. Ezt az elképzelést „értelmes tervezettségnek” (ID, Intelligent Design) nevezik. Ezért a félreértések elkerülése érdekében sietek leszögezni, hogy nem erről beszélek, amikor tervezett univerzumokra hivatkozom, vagy amikor annak a lehetőségéről beszélek, hogy a Világegyetemünket valahol a multiverzum egy másik vidékén élő, fejlett technológiájú civilizáció egy vagy több tagja előre megfontolt szándékkal hozhatta létre. Egy ilyen tervező felelős lehet magáért az Ősrobbanásért, ám ez továbbra is azt jelenti, hogy a természetes kiválasztódás alapján működő evolúció és azok a további folyamatok, amelyek létrehozták bolygónkat és rajta az életet, az Ősrobbanás óta működnek a Világegyetemben, anélkül, hogy ehhez bármiféle külső beavatkozásra lenne szükség.

Az evolúció tény, akárcsak az, hogy az alma leesik a fáról. Ez már Darwin korában is jól ismert volt - valójában nagyapja, Erasmus Darwin volt az egyike azoknak a gondolkodóknak, akik még Charles Darwin világra jötte előtt elgondolkodtak az evolúción, és megpróbáltak valamilyen mechanizmust találni a működésére. Ez a mechanizmus a természetes kiválasztódás, amelyre Darwin és Wallace egymástól függetlenül bukkant rá, amikor az élet elterjedését a trópusokon és a „létért folyó küzdelem” kérdését tanulmányozták. A természetes kiválasztódás az az elmélet, amelyik magyarázatot ad az evolúció tényére, éppúgy, ahogyan az általános relativitáselmélet magyarázatot ad a gravitációra - vagyis egyebek között arra, miért esik le az alma a fáról.

Amikor a fizikusok a „gravitáció elméletére” hivatkoznak, akkor Einstein elméletére gondolnak, amelyik magyarázatot ad a gravitáció tényére, amikor pedig a biológusok az „evolúció elméletét” említik, akkor a Darwin és Wallace elméletére gondolnak, amely magyarázatot ad az evolúció tényére.

Ez a szóhasználat a tudomány művelésének egy másik fontos sajátosságára is rávilágít. Az evolúció bírálói, köztük az értelmes tervezettség szószólói, gyakran arra hivatkoznak, hogy az is „csak egy elmélet”. Eltekintve attól a körülménytől, hogy nem az evolúció, hanem a természetes kiválasztódás az elmélet, a lényeg az, hogy ezek az emberek összetévesztik az elmélet szó hétköznapi értelmét a tudományos összefüggésekben használt jelentésével. A hétköznapi beszédben valakinek a kiforratlan elméletére azt mondhatjuk, hogy „ez csak egy elmélet” - például ha a bátyám úgy véli, hogy a tejes tea készítésének az egyetlen üdvözítő módja az, ha a tejet öntjük először a csészébe, akkor mondhatom, hogy ez csak az ő elmélete, én azonban kitartok a magam véleménye mellett. A tudományban viszont csak azokat a teljesen kiforrott eszméket nevezzük elméleteknek, amelyeket kísérletekkel és megfigyelésekkel alapos ellenőrzésnek vetettek alá, és az elképzelés mindezeket a próbákat kiállta.

Ha azonban egy lényegében sikeres elmélet valamelyik próbát mégsem állja ki, akkor nem feltétlenül kell teljes egészében elvetni, esetleg elég tökéletesíteni. Viszont bármely új elméletnek, amelyik a régi helyére lép, mindazokon a próbákon meg kell felelnie, amelyeken a régi elmélet megfelelt, emellett még az újabb ellenőrzéseken is helyesnek kell bizonyulnia. Ennek megfelelően Newton gravitációelmélete például nem vált érvénytelenné csak azért, mert megjelent a színen Einstein gravitációelmélete. Newton elmélete továbbra is tökéletesen működik, ha például az almák leesését akarjuk leírni. Ugyanezt Einstein elmélete is megmagyarázza, ez azonban ezen felül például a Merkúr bolygó pályaváltozásaira is magyarázatot ad, amit viszont Newton elmélete nem tudott megmagyarázni. Hasonlóképpen, a Darwin-Wallace-elméletet is finomították és tökéletesítették, nem utolsósorban a DNS működésére vonatkozó ismereteink fejlődésének köszönhetően, ez azonban nem vonja kétségbe az elmélet eredeti, XIX. században felismert változatának az alapvető érvényességét.

A természetes kiválasztódás működése körülöttünk mindenütt megfigyelhető - az egyik legszebb és ide illő példa a pintyek populációja a Galápagos-szigeteken, ahol maga Darwin is elámult azon, amit látott. Ezzel kapcsolatban Jonathan Weiner The Beak of the Finch (A pinty csőre) című könyve figyelemre méltó részleteket is elmond. A természetes kiválasztódás működése laboratóriumi kísérletekben is megfigyelhető, ahol olyan teremtményekkel, például gyümölcsmuslicákkal kísérleteznek, amelyek igen rövid életűek, ezért rövid idő alatt sok generációjuk tanulmányozható. Ha adottak a Világegyetemünk működését biztosító fizikai törvények, akkor nincs szükség semmiféle intelligens tervezőre annak magyarázatához, milyen módon jutottunk oda, ahol vagyunk. Ebben az esetben viszont mi lehet a mozgástere az univerzumok értelmes tervezőjének?

Univerzum - megrendelésre

Ha az univerzumok tervezői a fekete lyukak megmunkálásával készítenek új univerzumokat, ami jelenlegi ismereteink szerint az egyetlen lehetséges módja ennek, akkor három szinten tevékenykedhetnek. Először is készíthetnek fekete lyukakat, anélkül, hogy bármiféleképpen megpróbálnák befolyásolni, miképpen működjenek a fizika törvényei az új univerzumban. Ami az univerzumok evolúcióját illeti, ez lényegében megegyezik Lee Smolin forgatókönyvével, amely szerint a multiverzumot természetes fekete lyukakból született univerzumok népesítik be, de megvan az a további előnye, hogy a tervezők saját univerzumuk élettartama alatt sokkal több fekete lyukat és csecsemőuniverzumot hozhatnak létre, mint amennyi természetes úton keletkezett volna. Ez az a szint, amelyet az emberiség már majdnem elért; Gregory Benford Cosm című regénye ezt a lehetőséget szórakoztató, szépirodalmi keretben ábrázolja.

A második szinten, amelyet egy nálunk csak valamivel fejlettebb civilizáció elérhet, már a csecsemőuniverzumok tulajdonságainak meghatározott irányú, csekély módosítása is lehetővé válik. Meg lehet zavarni például a fekete lyukak kialakulásának folyamatát oly módon, hogy a csecsemőuniverzumban a gravitáció valamivel erősebb legyen, mint a szülőuniverzumban, anélkül, hogy a tervezők pontosan meg tudnák szabni, hogy mennyi legyen az értéke.

Végül a harmadik szinten, a nagyon magasan fejlett civilizációk esetében, már pontosan a megkívánt nagyságúra lehet beállítani a csecsemőuniverzumok fizikai paramétereinek értékét, például a szénatommag rezonanciaszintjeinek energiáját, és így részletekbe menően meg lehet tervezni a csecsemőuniverzumot. Ezen a szinten a tervezők tevékenységét a megrendelésre kialakított tulajdonságú csecsemők készítéséhez lehet hasonlítani - ahelyett, hogy a tökéletes gyermek előállítása érdekében a DNS-sel babrálnának, a kellően fejlett technológiai civilizáció a fizika törvényeivel babrálhat, hogy tökéletes univerzumot állítson elő. Döntő jelentőségű azonban, hogy egyetlen esetben sem - és még a legfejlettebb civilizációk esetében sem - lenne lehetséges az, hogy a tervezők utólag, a csecsemőuniverzum létrehozása után avatkozzanak be annak tulajdonságaiba. Saját ősrobbanásának pillanatától kezdve minden egyes univerzum a maga életét éli.

Amint már említettem, a csecsemőuniverzumok előállításával kapcsolatban a legmeghökkentőbb körülmény, hogy milyen egyszerű dolog ez - sokkal egyszerűbb, mint egy egész univerzumot a számítógépünkön szimulálni, legalábbis az első szinten. Emiatt az univerzumok hamisításának szószólói által felhozott összes érvvel még hathatósabban alá lehet támasztani az univerzumok előállításának elképzelését. Még ha a hamisítók tisztességesek is (bár a magam részéről nem hiszem, hogy azok lennének), éppen saját érvelésük alapján az előállított univerzumok számának messze felül kell múlnia a szimulált univerzumok számát, így sokkal valószínűbb (a hamisítók szóhasználatával: exponenciálisan növekvő mértékben valószínűbb), hogy mesterségesen előállított univerzumban élünk, mint az, hogy egy számítógéppel szimulált univerzum lakói vagyunk.

Harrison javaslata értelmében létezik az univerzumok egy kezdeti tájképe, amelyben az evolúció természetes módon, a Smolin által javasolt folyamatnak megfelelően megy végbe mindaddig, amíg legalább egy univerzumban megjelenik a körülbelül a mi fejlettségi szintünknek megfelelő értelem. (Kétségeim vannak a „kezdeti” szó használatát illetően, mert amint korábban kifejtettem, az idő folyása talán csak illúzió lehet; ám a hétköznapi nyelv nem kifejezetten áll készen az időtlen multiverzum leírására, ezért mégiscsak kénytelen vagyok ezt a szót használni.) Ez az a csíra, amiből az értelmes tervezettség és az evolúció együttes hatására olyan tömegesen jelennek meg a miénkhez hasonló univerzumok (abban az értelemben, hogy alkalmasak az intelligens élet befogadására), hogy az „unintelligens” univerzumok a multiverzumon belül törpe kisebbségbe szorulnak vissza. (Itt sem az evolúcióellenesek által használt értelemben beszélek az „értelmes tervezettségről”!) Az első intelligens univerzum megszületése tehát a véletlen műve lehet, ettől kezdve azonban az előállított univerzumok elszaporodnak és uralkodóvá válnak. Ebben az értelemben valószínűnek tűnik, hogy a körülöttünk látható Világegyetem létezése a multiverzum kozmikus tájképén belül az antropikus szelekció (ahol az „antropikus” kifejezés értelmét minden intelligens életformára kiterjesztjük), és a szándékosan az élet számára alkalmassá tétel együttes hatásának köszönhető.

Harrison ezt így fogalmazza meg a Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society-ben megjelent cikkében:

Maga az élet átveszi a teremtés folyamatát... a magasan fejlett lények, akik a mi univerzumunkat létrehozták, egy a miénktől nem sokban különböző univerzumban laktak. Nemcsak intelligensek voltak, hanem érthetőek is, és talán kései utódainkra hasonlítottak, akik egyszer majd talán szintén képesek lesznek új univerzumokat létrehozni. Miként állították elő ezek a fejlett lények a mi univerzumunkat, és hogyan jött létre az övék? Ezek a problémák ma már felfoghatók, és kutatás tárgyát képezik.

A feladat végrehajtásához szükséges intelligencia minden bizonnyal felülmúlja a miénket, de mégiscsak véges, és a miénkhez hasonló intelligencia lehet, nem pedig egy végtelen és felfoghatatlan Istené. A legvalószínűbb ok, amiért egy ilyen értelem univerzumokat készít, valószínűleg ugyanaz, amiért az emberek meghódítják a hegycsúcsokat vagy az LHC-hez hasonló, nagy részecskegyorsítókkal tanulmányozzák a szubatomi részecskék természetét - csak azért, mert képesek rá, hogy megtegyék. A csecsemőuniverzumok előállítása technológiájának birtokában lévő civilizációk valószínűleg ellenállhatatlan késztetést éreznek erre, míg az univerzumok tervezésében még magasabb szintre jutó civilizációk, ha ezek az értelmes lények valamennyire is hasonlítanak ránk, mindennél jobban vágynak arra, hogy saját univerzumuk terveit is tökéletesítsék.

Ez egyúttal a legjobb megoldást kínálja arra a talányra, amelyet annak idején Albert Einstein gyakran felvetett, miszerint „a Világegyetemmel kapcsolatban a legfelfoghatatlanabb dolog az, hogy felfogható”. A Világegyetem az emberi elmével felfogható, mert azt legalábbis bizonyos mértékig olyan értelmes lények tervezték, akiknek a gondolkodásmódja hasonló lehetett a miénkhez. Fred Hoyle ezt kissé másként fogalmazta meg. „A Világegyetemet”, emlegette, „megbundázták”. Azt hiszem, igaza volt. Ahhoz azonban, hogy ezt a „megbundázott Világegyetemet” megértsük, mindarra az ismeretre szükségünk van, amit ebben a könyvben érintettünk.

Kifejtettem, hogy az „oksági tartományokra” vonatkozó érvelés és a termodinamika összevetéséből az következik, hogy bár soha, semmi sem lehet befolyással ránk ami a mi oksági tartományunkon kívül van, mi mégis csak azért vagyunk itt, mert mindaz létezik, ami az oksági tartományunkon kívül fekszik. Saját létezésünk tűnik a létező legjobb bizonyítéknak amellett, hogy valóban egy multiverzumban élünk. Ennek a multiverzumnak a legjobb matematikai leírása, amely jelenleg a rendelkezésünkre áll, a húrelmélet tájképe. Erről Leonard Susskind kimutatta, hogy lényegében azonos a Hugh Everett-féle sokvilág-értelmezés „tájképével”, amelyet a közelmúltban David Deutsch dolgozott ki világos formában. Akármelyik szemszögből vizsgáljuk is a helyzetet, Lee Smolinnak az univerzumok evolúciójáról alkotott elgondolásának Ted Harrison általi továbbfejlesztése az univerzumok értelmes tervezőinek szerepével egészíti ki ezt a képet. Ettől kezdve már nem tűnnek rejtélyesnek a kozmikus koincidenciák. A Világegyetem valóban úgy indult fejlődésnek, hogy alkalmas otthona legyen az életnek, és ha egyszer a Világegyetem fejlődése elindult, akkor a természetes kiválasztódás folyamatának köszönhetően, bármilyen külső beavatkozás nélkül kifejlődik benne az élet. Nem azért van így, mert Isten a saját képére teremtette az Embert, hanem azért, mert Tervezői a Világegyetemet - többé-kevésbé - saját univerzumuk képére alkották meg.

Irodalomjegyzék

Saját írásaimból

Bár íróként soha nem tűztem ki célul, hogy bemutassam helyünket a Világegyetemben (vagy az univerzumokban), visszatekintve könyveim sorára (itt helyénvalóbb lenne a többesszám használata és a „mi” könyveinkről beszélni, mert a legtöbbet Mary Gribbinnel közösen írtuk), azt látom, hogy a legtöbb jól illeszkedik ehhez a témához. Ezért érdekes lehet néhányat nem a megjelenésük időrendjében, hanem ezen téma összefüggésben csokorba rendezni.

A Science: A History (Allen Lane, 2002) áttekintést ad az emberiség fejlődéséről, különös tekintettel a minket körülvevő világra vonatkozó ismereteinkre. Az In Search of the Big Bang (Penguin, 1998) a mi Világegyetemünk eredetével foglalkozik, míg a The Universe: A Biography (Allen Lane, 2007) naprakésszé teszi a történetet, végül a Kozmikus körforgás (Akkord Kiadó, Budapest, 2007; eredeti: Stardust, Allen Lane, 2000) a földi életet helyezi kozmikus összefüggésbe. A Deep Simplicity (Allen Lane, 2004) a bonyolultság felbukkanását tárgyalja az egyszerű törvények által irányított Világegyetemben, az emberi bonyolultság megjelenését a természetes kiválasztódás által működtetett evolúció eredményeképpen a Being Human (Dent, 1993) tárgyalja. Az evolúciót tágabb értelemben mutatja be James Lovelockról írott életrajzunk: He Knew He Was Right (Allen Lane, 2009). Mindezt egy más univerzumok létezését is lehetővé tevő keretben, a kvantum-elmélet szemszögéből mutatja be a Schrödinger macskája (Akkord Kiadó, Budapest, 2001; eredeti: In Search of Schrödinger’s Cat Corgi, 1985) és a Schrödinger kiscicái és a valóság keresése (Akkord Kiadó, Budapest, 2004; eredeti: Schrödinger’s Kittens Weidenfeld & Nicolson, 1995). Továbbá, erről szól kifejezetten „antropikus” összefüggésben a Martin Reesszel közösen írott The Stuff of the Universe (Penguin, 1995). A jól ismert háromhoz képest további dimenziók létezésének igényét mint a mindenség elmélete keresésének egyik szálát mutatja be az In Search of Superstrings (Icon, 2007). Végül, a Q is for Quantum (Weidenfeld & Nicolson, 1998) az egész kvantumvilágon végigkalauzol.

További irodalom

A csillaggal jelölt könyvek szakmailag elmélyültebb munkák, de a témához mindenképpen kapcsolódnak; a kereszttel jelölt könyvek viszont szépirodalmi alkotások, amelyekben valamilyen módon előfordul a multiverzum elképzelése.

Amir Aczel, Entanglement, Four Walls Eight Windows, New York, 2002. +Poul Anderson, Time Patrol, Baen, New York, új kiadás, 2006.

Svante Arrhenius, Worlds in the Making, Harper, London, 1908.

Jim Baggott, Beyond Measure, Oxford UR 2004.

Jim Baggott, A Beginner’s Guide to Reality, Penguin, London, 2005.

Julian Barbour, The End of Time, Weidenfeld & Nicolson, London, 1999.

John Barrow, The Infinite Book, Cape, London, 2005. [Magyarul: A végtelen könyve (elmélkedés a legfurcsább gondolatról, amit az ember valaha is kiötlött), Akkord Kiadó, Budapest, 2008]

John Barrow, New Theories of Everything, Oxford UR 2007.

■'John Barrow & Frank Tipler, The Anthropic Cosmological Principle, Clarendon Press, Oxford, 1986.

•'John Barrow, Paul Davies & Charles Harper (szerk.), Science & Ultimate Reality, Cambridge UR 2004.

'Gregory Benford, Cosm, Orbit, London, 1998.

*Nicls Bohr, Atomic theory and the description of Nature, Cambridge UR 1934.

*Ludwig Boltzmann, Lectures on Gas Theory, University of California Press, Berkeley, 1964; eredetileg németül, két kötetben jelent meg, 1896-ban és 1898-ban.

+Jorge Luis Borges, Collected Fictions, ford. Andrew Hurley, Allen Lane, 1998.

Nick Bostrom, Anthropic Bias, Routledge, London, 2003.

*Julian Brown, Minds, Machines, and the Multiverse, Simon 8c Schuster, New York, 2000.

Giordano Bruno, Gesammelte Werke, szerkesztette L. Kuhlenbeck, Eugen Diederichs, Jena, öt kötetben, 1904-1907 között.

*Bernard Carr (szerk.), Universe or Multiverse?, Cambridge UR 2007.

+Lewis Carroll, The Annotated Alice, szerkesztette Martin Gardner, Penguin, London, 2001.

+Arthur C. Clarke, The Other Side of the Sky, Harcourt, New York, 1958.

* James Cornell (szerk.), Bubbles, Voids, and Bumps in Time: The New Cosmology, Cambridge UR 1989.

Peter Coveney 8c Roger Highfield, The Arrow of Time, W. H. Allen, London, 1990.

Charles Darwin, The Origin of Species, Penguin, London, 1968 (az 1859-ben John Murray által kiadott első kiadás reprintje). [Magyarul: A fajok eredete természetes kiválasztás útján, Typotex Kiadó, Budapest, 2003]

*Paul Davies, The Accidental Universe, Cambridge UI] 1982.

Paul Davies, About Time, Viking, London, 1995.

Paul Davies & Julian Brown (szerk.), The Ghost in the Atom, Cambridge UB 1986.

Richard Dawkins, Climbing Mount Improbable, Viking, London, 1996. [ Magyarul: A Valószínűtlenség Hegyének meghódítása, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 2001]

David Deutsch, The Fabric of Reality, Allen Lane, London, 1997.

■'Bryce DeWitt & Neil Graham (szerk.), The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics, Princeton UB 1973.

+Philip K. Dick, Counter-Clock World, Berkley Medallion, New York, 1967.

' Philip K. Dick, The Man in the High Castle, Gollancz, London, 1975.

Arthur Eddington, The Nature of the Physical World, Cambridge UB 1928.

Lewis Carroll Epstein, Relativity Visualized, Insight Press, San Francisco, átdolgozott kiadás, 1987.

Richard Feynman, The Character of Physical Law, MIT Press, Cambridge, 1967. [Magyarul: A fizikai törvények jellege, Akkord Kiadó, Budapest, 2005]

Richard Feynman, Six Easy Pieces, Addison-Wesley, Massachusetts, 1995. [Magyarul: Hat könnyed előadás, Park Kiadó és Akkord Kiadó, Budapest, 2003]

Galileo Galilei, Two New Sciences, ford. Stillman Drake, University of Wisconsin Press, Madison, 1974; eredetileg olasz nyelven jelent meg, 1638-ban. [Magyarul: Matematikai érvelések és bizonyítások két új tudományág, a mechanika és a mozgások köréből, Európa Könyvkiadó, Budapest, 1986]

George Gamow, Aíy World Line, Viking, New York, 1970.

+David Gerrold, The Man Who Folded Himself, BenBella, New York, új kiadás, 2003.

Donald Goldsmith, Lhe Runaway Universe, Perseus Books, Cambridge, Mass., 2000.

Brian Greene, The Elegant Universe, Norton, New York, 1999. [Magyarul: Az elegáns univerzum, Akkord Kiadó, Budapest, 2003]

+John Gribbin, TimeSwitch, PS Publishing, London, 2009.

John Gribbin & Mary Gribbin, Time Travel for Beginners, Hodder/Headway, London 2008.

Alan Guth, The Inflationary Universe, Cape, London, 1997.

Edward Harrison, Masks of the Universe, Második kiadás, Cambridge Up 2003.

Lawrence Henderson, The Fitness of the Environment, Macmillan, New York, 1913. (Reprint kiadása 1970-ben: Peter Smith, Gloucester, Mass.) Nick Herbert, Quantum Reality, Rider, London, 1985.

Tony Hey & Patrick Walters, The Quantum Universe, Cambridge UP 1987.

Banesh Hoffman, Albert Einstein, Viking, New York, 1972.

Fred Hoyle, Galaxies, Nuclei, and Quasars, Heinemann, London, 1965.

+Fred Hoyle, October the First is Too Late, Heinemann, London, 1966.

David Hume, Dialogue Concerning Natural Religion, szerkesztette J. V Price, Oxford UP 1976 eredeti kiadás: 1779). [Magyarul: Beszélgetések a természetes vallásról, Atlantisz Kiadó, Budapest, 2006]

James Jeans, The Mysterious Universe, Cambridge Up 1930. [Magyarul: A rejtelmes világegyetem, Dante Könyvkiadó, Budapest, 1943]

George Johnson, A Shortcut Through Time, Cape, London, 2003.

Michio Kaku, Parallel Worlds, Allen Lane, London, 2005. [Magyarul: Párhuzamos világok, Akkord Kiadó, Budapest, 2009]

Janna Levin, How the Universe Got Its Spots, Weidenfeld & Nicolson, London, 2002.

Seth Lloyd, Programming the Universe, Random House, New York, 2005.

*Malcolm Longair (szerk.), The Large, the Small, and the Human Mind, Cambridge UP 1997.

James Lovelock, The Ages of Gaia, Oxford UP 1988. [Magyarul: Gaia: A földi élet egy új nézőpontból, Göncöl Kiadó, Budapest, 1990]

•'William Hunter McCrea & Martin Rees, The constants of nature, Royal Society, London, 1983.

Walter Moore, Schrödinger: Life and Thought, Cambridge UP 1989.

+Ward Moore, Bring the Jubilee, Equinox/Avon, New York, 1976.

Heinz Pagels, The Cosmic Code, Simon & Schuster, New York, 1982.

William Paley, Natural Theology, szerkesztette Matthew Eddy és David Knight, Oxford University Press, 2006. (Először 1802-ben jelent meg; könyv formájában pedig 1825-ben, a The works of William Paley, című, R. Lynam által szerkesztett kötetben.) C. F. A. Pantin, in Biology and personality, szerkesztette I. T. Ramsay, Blackwell, Oxford, 1965.

C. E A. Pantin, The Relations Between the Sciences, Cambridge Ulj 1968.

+Fred Pohl, The Coming of the Quantum Cats, Bantam, New York, 1986.

*Huw Price, Time’s Arrow and Archimedes’ Point, Oxford Ulj 1996.

Ilya Prigogine & Isabelle Stengers, Order Out Of Chaos, Ileinemann, London, 1984.

Lisa Randall, Warped Passages, Penguin, London, 2006.

Martin Rees, Before the Beginning, Simon & Schuster, London, 1997. [Magyarul: A kezdetek kezdete: világegyetemek titkai, Athenaeum Kiadó, Budapest, 19991

Martin Rees, Just Six Numbers, Weidenfeld & Nicolson, London, 1999. [Magyarul: Csak hat szám: az univerzumot kialakító erők, Vince Kiadó, Budapest, 2001]

Eugene Shikhovtsev (ford. Kenneth Ford), Biographical Sketch of Hugh Everett III, http://space.mit.edu/home/tegmark/everett/everett.html

Andrei Sakharov, Alarm and Hope, Knopf, New York, 1978.

Dorothea Waley Singer, Giordano Bruno, Schuman, New York, 1950.

Lee Smolin, The Life of the Cosmos, Oxford Ulj New York, 1997.

*Lee Smolin, Three Roads to Quantum Gravity, Weidenfeld & Nicolson, London, 2000.

+01af Stapledon, Last and First Men, and Star Maker (összevont reprint), Dover, New York, 1968. [Magyarul: Az utolsó és az első emberek, Móra Kiadó, Budapest, 1989 (A Star Maker viszont nem jelent meg magyarul - a fordító megjegyzése)]

Victor Stenger, Timeless Reality, Prometheus, New York, 2000.

Victor Stenger, The Comprehensible Cosmos, Prometheus, New York, 2006.

Paul Steinhardt & Neil Turok, Endless Universe, Doubleday, New York, 2007.

Leonard Susskind, The Cosmic Landscape, Back Bay Books, New York, 2006.

*Kip Thorne, Black Holes and Time Warps, Picador, London, 1994.

*Richard Tolman, Relativity, Thermodynamics, and Cosmology, Clarendon Press, Oxford, 1934.

Alex Vilenkin, Many Worlds in One, Hill and Wang, New York, 2006.

Alfred Russel Wallace, Man’s Place in the Universe, McClure, Phillips & Co., New York, 1903.

Jonathan Weiner, The Beak of the Finch, Cape, London, 1994.

+H. G. Wells, The Time Machine, Penguin Classics, London, 2005 (eredeti kiadása: 1895).

*John Wheeler, “Beyond the end of time”, in Black Holes, Gravitational Waves and Cosmology, szerkesztette Martin Rees, Remo Ruffini & John Wheeler, Gordon and Breach, New York, 1974.

John Wheeler & Kenneth Ford, Geons, Black Holes and Quantum Foam, Norton, New York, átdolgozott kiadás, 2000.

'■John Wheeler & WojciechZurek (szerk.), Quantum Theory and Measurement, Princeton UR 1983.

Gerald Whitrow, The structure and evolution of the universe, Harper & Row, New York, 1959.

Kislexikon

a földi középszerűség elve - Elképzelés, mely szerint nem foglalunk el központi helyet a Világegyetemben. Az elv kiterjesztése értelmében a Világegyetemnek sincs kitüntetett szerepe a multiverzumon belül.

állandó állapot elmélete - Elképzelés, amely szerint a Világegyetem örök, és általános megjelenését tekintve változatlan. Bár nem ez a helyzet, az állandó állapotú Világegyetem ötletének egyes elemei (gyakran észrevétlenül) megjelennek a felfúvódás modem kozmológiai elképzelésében.

általános relativitáselmélet - Albert Einstein által kidolgozott elmélet, amely az anyag és a gravitáció közötti kapcsolatot a görbült téridő fogalma segítségével írja le.

antianyag - A bennünket is felépítő anyagnak valamiféle tükörképe, amelynek egyes tulajdonságai éppen ellentétesek az anyaggal. Így például az antielektron (más néven a pozitron) elektromos töltése nem negatív, hanem pozitív.

antirészecske - Az antianyag részecskéje.

antropikus kozmológia - Érvrendszer, amely szerint az emberek által megfigyelhető Világegyetemnek olyannak kell lennie, amilyennek látjuk, máskülönben nem lehetnénk itt és nem figyelhetnénk meg. Ez nem szükségszerűen jelenti azt, hogy a Világegyetemet - benne velünk - valakinek „meg kellett terveznie”; ha sok univerzum létezik, akkor a hozzánk hasonló életformák csak azokban az univerzumokban jelennek meg, ahol az ilyenek számára alkalmasak a létezés feltételei. Hasonlóképpen, az óceánokat sem a halak számára „tervezték”, hanem a halak a környezetükhöz alkalmazkodva fejlődtek ki. A halak bármely filozófusa felismerheti azonban, hogy a halak csak vízben képesek élni, így nem meglepő a számukra, hogy mindenütt vizet találnak maguk körül.

anyag - Lásd tömeg.

atom - A hétköznapi anyag legkisebb összetevője, amely a kémiai reakciókban részt vesz. Minden kémiai elem, mint például az oxigén vagy a vas, meghatározott fajta atomokból áll. Minden atom közepén a parányi atommag helyezkedik el, amelyet elektronok felhője vesz körül. Az elektronfelhőt annyi elektron alkotja, ahány proton található az illető elem atommagjában.

atommag - Az atomok központi, protonokból és neutronokból álló része, bájt - nyolc bit.

barion - A barionos anyag részecskéje.

barionos anyag - Az itt a Földön is megtalálható, hétköznapi anyag, amely protonokból, neutronokból és elektronokból áll. Szigorú értelemben az elektron nem tartozik a barionok közé, mivel tömege kicsiny a proton és a neutron tömegéhez képest.

bit - Az információ legkisebb egysége, egy kapcsoló be-vagy kikapcsolt állásának felel meg. A bináris digit (kettes számrendszerbeli számjegy) szavak összevonásából keletkezett.

bizonytalanság, határozatlanság - A kvantumfizikában annak a mértéke, hogy a konjugált változók esetében milyen pontosan tudjuk a pár két tagjának értékét egyidejűleg meghatározni.

Boltzmann-fluktuáció - Egy termodinamikai egyensúlyban lévő rendszeren belül, az atomok és a molekulák véletlen mozgásának eredményeképpen megjelenő rendezett tartomány.

brán - A „membrán” szóból származtatott kifejezés a tetszés szerinti dimenziószámú felületek megjelölésére. A húr az 1-brán, a kétdimenziós felület a 2-brán, és így tovább.

cefeida - A változócsillagok egyik fajtája, az ebbe az osztályba tartozó csillagok szabályosan változtatják fényességüket, aminek alapján a csillagászok ki tudják számítani átlagos valódi fényességüket, illetve azt, hogy milyen messze vannak tólünk.

CERN - Az európai részecskegyorsító laboratórium Genf közelében, ahol az „atomokat összezúzó” kísérletekben frontálisan ütköztetnek egymással szembe haladó részecskenyalábokat. Sok egyéb eredmény mellett ezekkel a kísérletekkel bizonyították, hogy az idődilatáció és az ikerparadoxon valóságos jelenségek.

Chandrasekhar-határ - A fehér törpék maximális tömege, ami körülbelül 1,4-szer több, mint a Nap tömege.

csillag - Forró gázgömb, sokszorta nagyobb, mint egy bolygó, azért világít, mert a belsejében folyó magreakciók eredményeképpen energia szabadul fel. A Nap is egy csillag.

csillagászati egység (cse) - A csillagászatban használt távolságegység. 1 csillagászati egység a Föld és a Nap közepes távolságának felel meg (149 597 870 km).

D-brán - Olyan felület, amelyhez a húrelmélet szerint a nyílt húrok végei hozzákapcsolódhatnak.

de Sitter-tér - Az örökké táguló univerzum matematikai leírása. Lásd örökké tartó felfúvódás.

dekoherencia, szétcsatolódás - Az a folyamat, amelynek során a kvantumfizikai interferencia a külső környezetben található részecskék nagyobb csoportjai között szétoszlik, ennélfogva a kvantumfizikai információ szétterjed, és elvész az összes többi folyamat zajában.

Doppler-effektus - A fény vagy hang hullámhosszának megváltozása, ami akkor következik be, ha a hullámokat kibocsátó test a megfigyelő felé közeledik, vagy attól távolodik. A felénk közeledő objektum fényének hullámai összenyomódnak (kékeltolódás), a távolodó objektum fényének hullámhossza viszont megnő (vöröseltolódás). Nem azonos a kozmológiai vöröseltolódással.

Einstein-Rosen-híd - A féreglyuk másik elnevezése.

elektrogyenge elmélet - Az elektromágnesség és a gyenge kölcsönhatás jelenségeinek matematikailag egységes szerkezetű leírása. Fontos lépés a nagy egyesített elmélet felé.

elektromágneses sugárzás - Bármely olyan sugárzás, amely az elektromossággal és a mágnességgel függ össze, és amelyet a Maxwell-egyenletek írnak le. Közéjük tartozik a fény, a rádióhullámok és a röntgensugárzás.

elektromágnesség - Az elektromosság és a mágnesség jelenségeinek matematikailag egységes szerkezetű leírása a Maxwell-egyenletek segítségével.

elektron - Az anyag legkönnyebb építőeleme, az atom külső részében található, negatív töltésű elemi részecske. Az elektronok hullámként is viselkedhetnek.

elektronvolt (eV) - Az energiának a fizikusok által használt mértékegysége. 1 eV energiára tesz szert egyetlen elektron, ha 1 volt elektromos potenciálkülönbség gyorsítja. Egy 100 wattos izzólámpa másodpercenként 624 milliárdszor milliárd eV energiát alakít át sugárzássá.

elemek felépülése a csillagokban - Lásd nukleoszintézis.

elemek felépülése az Ősrobbanáskor - Lásd nukleoszintézis.

entrópia - A rendszerek rendezettségének (rendezetlenségének) a mértéke. Minél nagyobb az entrópia értéke, a rendszer annál kevésbé rendezett, illetve annál inkább random jellegű; és minél kisebb az entrópia, annál rendezettebb, valamint annál nagyobb az információtartalma.

erős kölcsönhatás - A protonokat és a neutronokat az atommagban ösz-szetartó erő.

eseményhorizont - A fekete lyukat körülvevő képzetes felület, az a határ, amelyen át belülről semmi sem tud kiszabadulni. A horizont abban az értelemben képzetes, hogy nincs a térben olyan fizikai határ, amelyik jelezné a helyét, mint ahogyan a Föld felszínén sincsen semmiféle természetes fizikai jele annak, hol húzódik az Egyenlítő. Mindamellett abban az értelemben valóságos, hogy ha egy test egyszer kívülről befelé haladva átlépi az eseményhorizontot, akkor számára már nincs visszaút - olyan ez, mintha északról dél felé haladva átlépve az Egyenlítőn, már soha többé nem térhetnénk vissza az északi féltekére - de ebben csak akkor lehetünk biztosak, ha már kipróbáltuk.

fehér törpe - A halott csillagok egyik fajtája. A Nap is fehér törpeként fogja befejezni életét. A fehér törpe anyaga egy köbcentiméterének tömege körülbelül 1 tonna.

fekete lyuk - A téridő tartománya, amelyik oly mértékben meggörbül önmaga körül, hogy semmi sem képes elhagyni, még a fény sem. Lásd még eseményhorizont.

feketetest - Olyan test, amelyik tökéletesen elnyeli és tökéletesen kibocsátja az elektromágneses sugárzást.

feketetest-sugárzás - A feketetest által kibocsátott sugárzás.

felfúvódás - A Világegyetem fejlődésének kezdeti szakasza, amikor egy parányi kvantumfluktuáció a másodperc töredéke alatt grapefruit nagyságúra növekedett.

fényév - A fény által egy év alatt megtett távolság, 9,46 billió km. Neve ellenére a fényév a távolság mértékegysége, nem pedig az időé.

fénysebesség - A térben mozgó testek számára a természet törvényei által megengedett legnagyobb sebesség, 299 792 458 méter másodpercenként (jó közelítéssel 3 x 10^8 m/s).

féreglyuk - Két fekete lyukat összekötő alagút a téridőben.

Feynman-diagram - A téridő-diagramok speciális fajtája, amelyik az elektronok, a protonok és a hasonló elemi részecskék kölcsönhatásait fotonok kicserélődésével ábrázolja.

fordított négyzetes erőtörvény - Minden olyan, például a gravitációs erő nagyságát kifejező fizikai törvény, amelyikben valamilyen hatás a távolság négyzetének reciprokával arányos. A távolságot kétszeresére növelve a hatás negyedére csökken, és így tovább.

foton - A fény vagy bármilyen más elektromágneses tér vagy hullám részecskéje.

fősorozati csillag - Élete nyugodt szakaszában, ereje teljében járó csillag, mint a Nap.

galaxis - Nagyon sok csillagot tartalmazó, hatalmas sziget a térben - egy-egy galaxisban akár százmilliárd, a Naphoz hasonló csillag is lehet.

gamma-sugárzás - Nagyon nagy energiájú fotonokból álló elektromágneses sugárzás.

gravitáció, tömegvonzás - Olyan objektumok között fellépő erőhatás, amelyeknek tömege van. Az erő nagysága a testek tömegei szorzatának és a közöttük lévő távolság négyzetének a hányadosával arányos. Ezt az összefüggést nevezik a gravitáció fordított négyzetes erőtörvényének.

graviton - A gravitációs erőt közvetítő részecske.

gyenge kölcsönhatás - Rövid hatótávolságú kölcsönhatás, amelyik a szubatomi részecskék radioaktív bomlásakor játszik szerepet.

háttérsugárzás - Lásd kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás.

hatványkitevős alak - A számok (általában) 10 hatványaival kifejezett-írásmódja. 10^2 = 100; 10^3 = 1000, és így tovább, ahol a 2, 3 stb. számokat hatványkitevőnek nevezzük. Használata különösen nagy számok írásakor célszerű, hiszen a 10^36 számot máskülönben az 1-es után 36 darab nullával kellene leírnunk. A nagyon kis számokat negatív hatványkitevők alkalmazásával fejezhetjük ki, így például 10-1 = 0,1; 10-2 = 0,01 és így tovább. Ezekben a példákban a 10 a hatványkitevős alak alapszáma. Alapszámként a 10 helyett bármilyen más számot is választhatunk, a számítástechnikában például a 2-t használják alapszámként, 1 kilobájt = 2^10 bájt (ami valójában nem pontosan 1000, hanem 10^24 bájtnak felel meg).

hamis vákuum - Az „üres tér” olyan állapota, amelyben az üres térnek nagyobb az energiája egy másik állapotánál. Ezt a vákuumot azért nevezzük „hamisnak”, mert ez a vákuum lebomolhat egy alacsonyabb állapotú vákuummá, miközben energia szabadul fel. Egy ilyen folyamat szolgáltathatja a felfúvódás hajtóerejét.

hideg sötét anyag (CDM, Cold Dark Matter) - A sötét anyag másik megnevezése.

horizont - Lásd eseményhorizont

hosszúság kontrakciója - A mozgó testek mozgás irányába eső méretének csökkenése a mozgás következtében.

Hubble-állandó - Hubble-paraméter néven is ismert fizikai mennyiség, azt fejezi ki, milyen gyorsan tágul a Világegyetem.

hullámfüggvény - A kvantumfizikai objektumok, például elektronok matematikai leírása hullámok formájában. Bizonyos körülmények között működik, máskor nem. Lásd koppenhágai értelmezés.

hullámfüggvény összeomlása - A koppenhágai értelmezés központi jelentőségű fogalma, amely szerint a kvantumfizikai objektumok, mint például az elektronok, mindaddig hullámok formájában léteznek, amíg megfigyeljük őket, ezután viszont pontszerű részecskékké „omlanak össze”.

húrelmélet - A világ számos leírásának egyike, amely a multiverzumot nem pontszerű részecskékkel, hanem rezgő húrok által alkotott, parányi hurkokkal írja le. Egyes változataiban „nyílt” húrok is előfordulhatnak.

húrelméleti tájkép - A multiverzum leírása a húrelmélet fogalmaival.

Ia típusú szupernóva (SN Ia) - A szupernóva különleges fajtája, valódi fényessége mindig pontosan ugyanakkora, ezért hasznos távolságjelzők a Világegyetemben. Az SN Ia szupernóvák tanulmányozása arra enged következtetni, hogy a Világegyetem gyorsulva tágul, ami a sötét energia hatására történhet.

idődilatáció - Az időtartamok megnyúlása a mozgó testek számára, ennek következtében a mozgó órák lassabban járnak.

ikerparadoxon - Ha egy teljesen azonos ikerpár egyik tagja fénysebességhez közeli sebességű űrutazásra megy, akkor az idődilatáció jelensége miatt hazatérése után fiatalabb lesz otthon maradt ikertestvérénél.

impulzus - A testek tömegének és sebességének szorzataként kapott fizikai mennyiség.

infravörös - A láthatatlan fény (elektromágneses sugárzás) egyik fajtája, hullámhossza nagyobb a vörös fényénél. Lásd spektrum, színkép.

interferenciakép - Két hullám egymásra rakodásakor kialakuló mintázat. A két hullám lehet például a pocsolya felszínén kialakuló fodrozódás, vagy egy kartonlapba vágott két lyukon áthaladó, majd szétterjedő fényhullámok.

kékeltolódás - Lásd Doppler-effektus.

Kelvin-féle hőmérsékleti skála - Az abszolút nulla ponttól, vagyis -273,15 °C-tól mért hőmérséklet. A Kelvin-skálán egy fok különbség megegyezik egy fok különbséggel a Celsius-skálán, de az előbbi esetén nem használjuk a fok (°) jelét. Ennek megfelelően 0 °C = 273,15 K, és így tovább.

kettős rendszer - Két csillag, vagy egy csillag és egy fekete lyuk, amelyek egymás körül keringenek.

klasszikus fizika - Az atomoknál sokkal nagyobb objektumokra vonatkozó szabályok és összefüggések rendszere.

kompakttá tétel - A tér „extra” dimenzióinak feltekeredése, amit a húrelmélet követel meg, hogy ezek a dimenziók láthatatlanokká váljanak.

komplementaritás - A kvantumfizika sajátossága, amely szerint egyetlen modell nem lehet alkalmas a valóság leírására. Így például az elektron hullámként vagy részecskeként egyaránt leírható, a körülményektől függően. Ezek az elektron úgynevezett komplementer tulajdonságai.

konjugált változók - Fizikai mennyiségek által alkotott párok, mint például a hely és az impulzus, vagy az energia és az idő, amely mennyiségeket a kvantumfizikai határozatlanság köt össze.

koppenhágai értelmezés - A kvantummechanika egyenleteinek egyik alkalmazási módja a kísérletek eredményének előrejelzésére. Az 1930-as évektől egészen az 1980-as évekig ez volt a kvantumvilág standard „magyarázata”, amely azonban legalább annyi kérdést vet fel (például a hullámfüggvény összeomlásának problémáját), mint amennyit megválaszol.

kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás - Az Ősrobbanásból visszamaradt sugárzás, amely ma a mikrohullámú tartományban a tér minden irányából érkező, halk sustorgásként mutatható ki. Csaknem tökéletesen feketetest-sugárzás.

kozmikus sugárzás - A világűrből érkező, és a Föld légkörébe ütköző, nagy energiájú elemi részecskék.

kozmikus tájkép - Lásd húrelméleti tájkép.

kozmológiai állandó - A sötét energia mennyiségének mértéke.

kozmológiai vöröseltolódás - A távoli objektum fényhullámainak megnyúlása, nagyobb hullámhosszúvá válása, a Világegyetem tágulása következtében. Nem azonos a Doppler-jelenség miatt fellépő vöröseltolódással.

köd - A szó mai csillagászati értelmében gázból és porból álló felhő a csillagok közötti térben. Korábban, amikor még nem ismerték fel, hogy a ma galaxisokként ismert objektumok a Tejútrendszeren kívül fekszenek, akkor ezek egy részére is a köd szót használták, innen ered például az Andromeda-köd megnevezése. Ma már félrevezető, ha a galaxisokat is ködnek nevezzük.

kritikus sűrűség - A Világegyetem átlagsűrűségének azon értéke, amely esetén a téridő szerkezete sík. A kritikus sűrűség köbméterenként körülbelül öt hidrogénatom jelenlétének felel meg.

kubit - A bitnek megfelelő információegység a kvantumszámítógépben. A kvantumszámítógépben egy kapcsoló az úgynevezett szuperpozíció eredményeképpen egyidejűleg „be” és „ki” állapotban lehet.

kvantum - Valamiből a lehetséges legkisebb mennyiség. A foton például a fény kvantuma.

kvantum- (mint előtag) - A legkisebb léptékek világára utaló előtag, általában szóösszetételekben használjuk, például kvantumfizika.

kvantum-elektrodinamika (QED) - A fény és az anyag elmélete, megmagyarázza az atomok és a molekulák működését.

kvantumfizika - A kicsiny részecskék, például az elektronok és az atomok viselkedését leíró törvények és egyenletek.

kvantumfluktuáció - Általában rövid élettartamú energiabuborék a Planck-skálán. Néha egy ilyen buborék megnőhet, és így univerzummá válik. Céljainknak megfelelő szinonimája a vákuumfluktuáció. Lásd felfúvódás.

kvantumgravitáció - A hosszú ideje keresett elmélet, amelyik a természet összes kölcsönhatására egységes matematikai leírást adna.

kvantumhab - A téridő Planck-skálán habos szerkezete, amit a kvantumfluktuációk idéznek elő.

kvantummechanika - A kvantumfizika szinonimája.

kvantumpont - „Kapcsoló” a kvantumszámítógépben, a kubitek tárolására alkalmas egység.

kvantumskála - Lásd Planck-skála.

kvantumszámítógép - Kvantumfizikai elven működő számítógép. Lásd kubit.

kvantumtérelmélet - Az elemi részecskék közötti kölcsönhatások matematikai leírása.

kvark - Alapvető objektum, amelyből egyes „részecskék”, például a protonok és a neutronok felépülnek.

kvazár - Egy galaxis aktív magja, amelynek energiaellátását egy fekete lyukba hulló anyag biztosítja.

lambda- (A-) tér - A sötét energia másik elnevezése.

Maxwell-egyenletek - Az elektromosság és a mágnesség jelenségeit leíró egyenletrendszer. Az egyenletek azt is megmondják, mekkora a fény sebessége, mert a fény is az elektromágneses sugárzás egyik formája.

M-elmélet - Összefoglaló, átfogó elmélet, amelyik a húrelmélet minden ismert változatát magában foglalja.

metaverzum - Egyesek által a multiverzum megjelölésére használt kifejezés.

mindenség elmélete (TOE, Theory of Everything) - Mindazon elméletek, amelyek megpróbálják a természet összes kölcsönhatásának leírását -a gravitációt is beleértve - egyetlen matematikai modellbe egyesíteni. Lásd nagy egyesített elmélet, húrelmélet

Minkowski-diagram - A testek téridőbeli mozgása ábrázolásának egyik módja, egyfajta grafikon vagy térkép.

molekula - Atomok csoportja, amelyet elektromágneses erők tartanak együtt stabilan.

mozgási (kinetikus) energia - A mozgó testek (mozgásukból adódó) energiája.

multiverzum - Minden létező.

nagy egyesített elmélet - Mindazon elméletek összefoglaló elnevezése, amelyek megpróbálják egységes matematikai formában leírni - a gravitáció kivételével - a természet összes többi kölcsönhatását.

Nagy Reccs - Közkeletű kifejezés az univerzum végső összeomlására és pusztulására, ami az Ősrobbanás fordítottjaként képzelhető el. Ma már bizonyos, hogy a mi Világegyetemünk nem ilyen módon fog véget érni.

nagy visszapattanás - Elképzelés, amely szerint egy összeomló univerzum története nem ér véget a Nagy Reccsel, hanem anyaga „visszapattan” egy új ősrobbanás formájában.

neutron - Elektromosan semleges elemi részecske, az atommag egyik alkotóeleme.

neutroncsillag - A halott csillagok egyik fajtája. A neutroncsillag anyaga minden egyes köbcentiméterének mintegy százmillió tonna a tömege. A neutroncsillagok legnagyobb lehetséges tömege a Nap tömegének körülbelül háromszorosa.

newtoni fizika - A klasszikus fizika másik megnevezése.

nukleon - A proton és a neutron összefoglaló neve.

nukleoszintézis - Természetes folyamatok, amelyek során a könnyebb elemekből nehezebbek épülnek fel. Részben az Ősrobbanás során következett be (elemek felépülése az Ősrobbanáskor), de a hidrogén és a hélium kivételével a legtöbb elem a csillagok belsejében épül fel (elemek felépülése a csillagokban).

oksági folt, oksági tartomány - A tér valamely objektumot körülvevő tartománya, amelyik elég kicsi ahhoz, hogy az Ősrobbanás óta a fényjelek bejárhatták. A középpontjában lévő objektumnak elég ideje volt ahhoz, hogy az Ősrobbanás óta a tartomány bármely objektumára hatást gyakoroljon, de a tartományon kívül egyetlen eseményt sem idézhetett elő. Hasonlóképpen, az Ősrobbanás óta eltelt idő alatt egyetlen, a tartományon kívül fekvő test sem gyakorolhatott semmilyen hatást a tartomány közepén található objektumra.

örökké tartó felfúvódás - Exponenciálisan táguló tér, amelyen belül a kvantumfluktuációk a kozmikus tájképet benépesítő, új univerzumokat hoznak létre.

Ősrobbanás - Közkeletű kifejezés arra az eseményre, amellyel 13,7 milliárd évvel ezelőtt egy forró és sűrű tűzgömbből elkezdődött a látható Világegyetem története. A fogalmat kiterjesztve, más univerzumok története a saját ősrobbanásukkal kezdődhetett.

párhuzamos univerzum - Lásd sokvilág-hipotézis.

parszek (pc) - A csillagászatban használatos távolságegység. 1 pc = 3,2616 fényév.

Planck-állandó - Nagyon kicsiny számértékű (~ 6,6 x 10-34) természeti állandó, rendszerint h-val jelölik. Kapcsolatot teremt a kvantummechanikai objektumok, például egy elektron hullámhossza és impulzusa között.

Planck-hosszúság - Bárminek a lehetséges legkisebb hosszúsága, a méret kvantuma. Ha centiméterekben akarjuk kifejezni a nagyságát, akkor a tizedesvessző után 32 nullát kell írnunk, és csak utána egy 1-est.

Planck-idő - Az idő legkisebb egysége - az idő kvantuma. Ha másodpercekben akarjuk kifejezni a nagyságát, akkor a tizedesvessző után 42 nullát kell írnunk, és csak utána egy 1-est.

Planck-skála - Általános kifejezés mindarra, ami nagyjából a Planck-hosszúság mérettartományába esik.

Poincaré-féle visszatérési idő - Statisztikus értelemben az az időtartam, amelynek elteltével egy rendszer, például egy tartályba zárt gáz atomjai bármilyen külső behatás nélkül visszatérnek egy tetszés szerinti kezdőállapotba.

potenciális (helyzeti) energia - Energiafajta, amelyre a testek helyzetük vagy állapotuk alapján tesznek szert. Ha létezik egy alacsonyabb energia-állapot, akkor a potenciális energia felszabadulhat, miközben a test átkerül az alacsonyabb potenciális energiájú állapotba (például egy hegyi tó esetében a víz lefolyik a hegyoldalon).

pozitron - Az elektron megfelelője az antianyagban.

proton - Pozitív töltésű elemi részecske, az atommag egyik alkotórésze.

pulzár - Forgó neutroncsillag, amely rádióimpulzusokat bocsát ki, olyan, mint egy rádiósugárzó világítótorony az űrben.

röntgensugárzás - Nagy energiájú foton.

Schrödinger macskája - Titokzatos, képzeletbeli macska, amelyik a kvantumfizika egyik értelmezése szerint egyidejűleg élő és holt is lehet.

Schwarzschild-sugár - A fekete lyuk eseményhorizontjának a sugara.

sebesség - Fizikai mennyiség, amelyik megadja, hogy egy test milyen gyorsan és milyen irányban mozog. A test sebességének megadásához nem elég azt tudnunk, hogy például 100 km-t tesz meg óránként, azt is meg kell adnunk, hogy milyen irányban halad.

sokvilág-értelmezés - Elképzelés, mely szerint a valóságnak nagyon sok, különböző változata létezik, amelyek valahogy „egymás szomszédságában” fekszenek, mint egy könyv lapjai. Ezeket néha párhuzamos univerzumoknak vagy párhuzamos világoknak nevezzük.

sötét anyag - Csak gravitációs hatása alapján kimutatható anyag, amely hatást gyakorol a galaxisok mozgására és a Világegyetem tágulására. A Világegyetemben hatszor több sötét anyag van jelen, mint amennyi barionos anyag.

sötét energia - Az energiának egész teret betöltő formája, amelyet csak a Világegyetem tágulására kifejtett hatása alapján lehet kimutatni.

spektroszkópia, színképelemzés - Az objektumok, például csillagok és galaxisok kémiai összetételének meghatározására alkalmas módszer. Az égitest fényét színeire bontva kapják a színképét (spektrum), ennek tulajdonságait vizsgálják. Minden egyes kémiai elem csak rá jellemző vonalakat hoz létre a színképben, ezek annyira egyediek, mint az ujjlenyomat vagy a vonalkód.

spektrum, színkép - A prizmán átvezetett fény által létrehozott, szivárványszínű minta. A színek a vöröstől a narancssárgán, a sárgán és zöldön keresztül a kékig és az ibolyaszínig tartanak. A vörös fénynek a legnagyobb a hullámhossza, az ibolyáé a legrövidebb.

statisztikus mechanika - A termodinamika fejlődésének egyik iránya, amelyben statisztikai módszerekkel számítjuk ki egy nagyszámú összetevőből álló rendszer, például egy nagyon sok molekulából álló gáz viselkedését. Ebben a könyvben a termodinamika szinonimájaként használjuk.

szingularitás - Nulla térfogatú pont vagy nulla szélességű vonal.

szökési sebesség - Az a legkisebb sebesség, amely ahhoz szükséges, hogy egy test kiszakadjon valamely másik objektum által okozott gravitációs kötöttségből. A Föld felszínén a szökési sebesség nagysága 11,2 km/s. A fekete lyuk eseményhorizontján belül a szökési sebesség meghaladja a fénysebességet, ezért nem tud semmi sem kiszabadulni a fekete lyukból.

szuperhúrelmélet- A húrelmélet másik megnevezése.

szupernóva - Egy adott határnál nagyobb tömegű csillag felrobbanása élete végén. Rövid ideig a szupernóva olyan fényesen ragyoghat, mint egy egész galaxis, amelyik a Naphoz hasonló, közönséges csillagokból áll. A szupernóva felrobbanása után neutroncsillag vagy fekete lyuk marad vissza.

szuperpozíció - A kvantummechanikai rendszereknek az a képessége, hogy egyidejűleg két (vagy több) állapotban létezhessenek. Lásd Schrödinger macskája.

tehetetlenség - Lásd tömeg

Tejútrendszer - Az a galaxis, amelyben mi is élünk, amelyiknek egyik csillaga a Nap.

tér, mező - A térnek az a tartománya, ahol valamely objektum erőt fejt ki egy másikra anélkül, hogy közvetlen érintkezésbe lépne azzal. Közismert példa a mágneses erőtér. Ha egy papírlap alá egyszerű rúdmágnest helyezünk, a papírra pedig vasreszeléket szórunk, akkor a vaspor az „erővonalak” mentén rendeződik, ami láthatóvá teszi a mágneses mező jelenlétét.

téridő - A tér három és az idő egy dimenziójának egyesítése, a négy dimenzió egységes matematikai leírása az általános relativitáselméletben.

téridő-diagram - Lásd Minkowski-diagram, Feynman-diagram.

termodinamika - Az energia, az entrópia és a hő jelenségeinek tanulmányozásával foglalkozó tudományág. Ebben a könyvben a fogalmat a statisztikus mechanika szinonimájaként használjuk.

termodinamika második főtétele - A hő mindig a melegebb testtől a hidegebb felé áramlik, sohasem ellenkező irányban. Szakszerűbben fogalmazva ez azt jelenti, hogy a zárt rendszerek entrópiája mindig növeltszik. Hétköznapi nyelven szólva : a dolgok mindig elhasználódnak.

tömbuniverzum - A valóság modellje, amely szerint a téridőben az idő minden pillanata éppúgy létezik, mint ahogy a tér minden pontja. E szerint az 1452. év és a 3173. év ugyanolyan valóságos, mint a mai nap, jóllehet az előbbiekről nincs közvetlen tapasztalásunk, hasonlóan ahhoz, ahogy New York és Mumbai ugyanolyan valóságosak, mint London, még akkor is, ha éppen Londonban élünk.

tömeg - A testek által tartalmazott anyag mennyiségének mértéke. A tömeg okozza a testek gyorsítással szembeni ellenállását (tehetetlenség, tehetetlen tömeg), és a tömeg hozza létre a gravitációs erőt, amellyel a testek vonzzák egymást (súlyos tömeg). Minél nagyobb a tömeg, annál nagyobb a test tehetetlensége, és annál erősebb a gravitációs vonzása.

ultraibolya, ibolyántúli - A nem látható fény egyik fajtája, hullámhossza rövidebb, mint az ibolyaszínű fényé. Lásd spektrum, színkép

univerzum - A kifejezést a téridő fejlődését leíró matematikai vagy számítástechnikai modellekben használják, de így nevezik a téridő hipotetikus, esetleg más dimenzióban fekvő, számunkra elvileg bármilyen megfigyeléssel elérhetetlen tartományait is. A téridő ilyen elérhetetlen tartományai a multiverzum részei, a multiverzumnak a mi Világegyetemünkkel ekvivalens összetevői.

vákuumfluktuáció - Lásd kvantumfluktuáció.

Világegyetem - Mindannak az összessége, amiről térben és időben, legalábbis elvben, tudomást szerezhetünk - a multiverzumnak azon összetevője, amelyikben mi élünk.

Világegyetem hőhalála - Elképzelés, amely szerint egyszer majd az összes csillag kiég, és a Világegyetemben a hőmérséklet mindenütt ugyanakkora lesz.

visszatekintési idő - Az az időtartam, amely alatt egy távoli égitest fénye elér hozzánk. Minthogy a fény sebessége véges, olyannak látjuk az objektumokat, amilyenek akkor voltak, amikor a fénysugár elhagyta őket. Ilyen értelemben a távcsöveink tulajdonképpen időgépek, amelyekkel bepillanthatunk a Világegyetem múltjába.

visszatérési idő - Lásd Poincaré-féle visszatérési idő.

A Talentum Tudományos Könyvtár kötetei

ACZEL, AMIR D.: ISTEN EGYENLETE

BARROW, JOHN D.: A SEMMI KÖNYVE

BARROW, JOHN D.: A végtelen könyve

BUCHANAN, MARK: ITT ÉS MINDENÜTT

DAVIES, PAUL: A KÍSÉRTETIES CSÖND

DAVIES, PAUL: A MEGBUNDÁZOTT VILÁGEGYETEM

DIACU, FLORIN: ÉGI TALÁLKOZÁSOK

FEYNMAN, RICHARD: A DOLGOK ÉRTELME

FEYNMAN, RICHARD: A FELFEDEZÉS ÖRÖME

FEYNMAN, RICHARD: A FIZIKAI TÖRVÉNYEK JELLEGE

GREENE, BRIAN: AZ ELEGÁNS UNIVERZUM

GRIBBIN, JOHN ÉS MARY: A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

GRIBBIN, JOHN: AZ IDŐ SZÜLETÉSE

GRIBBIN, JOHN: KOZMIKUS KÖRFORGÁS

GRIBBIN, JOHN: SCHRÖDINGER KISCICÁI

GRIBBIN, JOHN: SCHRÖDINGER MACSKÁJA

FIAWKING, STEPHEN: AZ IDŐ RÖVID TÖRTÉNETE

FIAWKING, STEPHEN - PENROSE, ROGER: A TÉR ÉS AZ IDŐ TERMÉSZETE

KAKU, MICHIO: A LEHETETLEN FIZIKÁJA

KAKU, Micmo: Hipertér Kaku, MiCHIo: Párhuzamos világok Mlodinow, Leonard: Eukleidész ablaka NuLAND, SHERWIN B.: Hogyan halunk meg?

PENROSE, ROGER - HAWKING, STEPHEN: A NAGY, A KICSI ÉS AZ EMBERI ELME

PÓLYA, GYÖRGY: A GONDOLKODÁS ISKOLÁJA

REES, MARTIN: KOZMIKUS OTTHONUNK

RÓBERT LÁSZLÓ: A HOSSZÚ ÉLET TITKAI

SAGAN, CARL: BROCA AGYA

SAGAN, CARL: MILLIÁRDOK ÉS MILLIÁRDOK

WELLS, SPENCER: AZ EMBER ÚTJA

Table of Contents

A multiverzum nyomában

Tartalom

Köszönetnyilvánítás

Előszó

Bevezetés

1. A kvantummacskák színre lépnek

A történelem ágas-bogas fája

2. Még egyszer a kozmikus egybeesésekről

Fodrozódások a kozmikus óceán sima felszínén

3. Kvantumbitek és időcsúszások

A multiverzum metaforája

4. Minden irányban végtelen

Idő és termodinamika

5. (Mintha) újrakezdenénk

Buborékok az Idő Folyóján

A gravitáció a figyelem középpontjába kerül

A feneketlen kút

7. Hamisítsuk? Vagy alkossuk meg?

Új távlat

Irodalomjegyzék

Kislexikon