Véges vagy végtelen, ez itt a kérdés

A kozmológia legizgalmasabb kérdése, hogy véges, vagy pedig végtelen-e az Univerzum

Hogyan keletkezett a világmindenség? A kérdés már önmagában sem egyértelmű, hiszen azt sem vehetjük biztosra, hogy volt-e egyáltalán kezdete, vagy öröktől fogva létezik. Napjaink fejlett kozmológiai kutatásai többek között az ehhez hasonló kérdésekre keresik a választ. Az elmúlt évszázad tudományos forradalma következtében pedig egyre jobban közeledünk a megoldáshoz.

A fejtörő Olbers-paradoxon

Sokáig a kozmológia központi kérdése az univerzum végtelen vagy véges voltának firtatása volt. A kérdés nagyon fontos,

hiszen egy végtelen és ezáltal öröktől fogva létező univerzumnak nem volt kezdete,

és ezáltal nem lehet vége sem, de ha véges, akkor valamikor és valahogyan keletkeznie kellett, és egyszer véget is érhet.

A kozmológia legizgalmasabb kérdése, hogy véges vagy végtelen-e az univerzum Forrás: NASA/Hubble Space Telescope

De vajon hogyan lehet a Földről szemlélődve érvelni bármelyik hipotézis mellett vagy éppen ellene? Megközelíthetjük a kérdést a logikai érvelés segítségével. Erre nagyszerű példa az Olbers-paradoxon, amelyet először 1826-ban Heinrich Wilhelm Matthias Olbers (1758 – 1840) német csillagász fogalmazott meg, és a következő gondolatot követi.

Heinrich Wilhelm Matthias Olbers német csillagásztól származik a róla elnevezett paradoxon Forrás: Wikimedia Commons

Képzeljük el, hogy végtelen a világegyetem, amiből az következik, hogy végtelen számú csillagot tartalmaz,

vagyis bármerre néznénk az éjszakai égbolton, tekintetünk egy csillag felületére kéne, hogy essen,

következésképpen éjjel is nappali fényesség lenne. Azonban nem ezt tapasztaljuk, tehát nem lehet végtelen számú csillag odakint, vagyis az univerzum véges.

A galaxisokat kitöltő kozmikus gáz és poranyag a fény egy részét elnyeli Forrás: NASA/Hubble Space Telescope

Természetesen a képet tudományos érvekkel még tovább árnyalhatjuk, hiszen érvelhetünk azzal, hogy a Föld és a csillagok között húzódó hatalmas kiterjedésű csillagközi (intersztelláris) gáz és porködök fényelnyelő hatása miatt nem látunk minden csillagot, csupán néhányat. Csakhogy ha valóban így lenne, az elnyelő közeg egyre jobban felforrósodna a sok elnyelt energia miatt, míg végül maga is sugározni kezdene, és ismét fényárban úszna az égbolt.

A Pleiádok (Fiastyúk) ködös nyílt csillaghalmaza. A fiatal forró csillagok sugárzása felhevíti a halmaz energiát elnyelő gázfelhőit Forrás: NASA/Hubble Space Telescope

Ismét hozhatunk ellenérveket, hogy

az elnyelő közegek között létezik eddig számunkra ismeretlen anyag,

amely különleges tulajdonságokkal rendelkezik, és így tovább. Tehát akkor most véges vagy végtelen az univerzum?

Gravitáció és a táguló világegyetem

A világegyetem működésével kapcsolatban a kezdetektől fogva felmerült legfontosabb tényező a gravitáció, hiszen már Einstein nagy felfedezése előtt is ismertük ezt az erőt Newton nyomán, mely szerint minden tömeggel rendelkező test vonzóerőt fejt ki minden más testre, amely a testek tömegével arányosan nő.

Sir Isaac Newton (1642 - 1727) angol csillagász 1687-ben kiadott híres, Principia című könyvében fogalmazta meg a tömegvonzás törvényszerűségét Forrás: Wikimedia Commons

Bizony, akármennyire különös, de a kedves olvasó is vonzza a Földet, nem csupán a Föld vonz bennünket, habár részünkről ez a hatás elképesztően kicsi. Ha véges az univerzum, akkor a gravitációs erő következtében a világegyetem minden anyagát a középpontba ránthatja össze elpusztítván önmagát.

Newton híres munkája, a Principia egyik oldala Forrás: Wikimedia Commons

Ha azonban végtelen, akkor nincs olyan középpont, ahová a gravitáció összehúzhatná, hiszen minden irányban végtelen erők működnének, amelyek kiegyenlítik egymást,

és egy örökké stabil, változatlan világot eredményeznek.

Az univerzum eddig nem pusztította el önmagát, de ez a megfigyelés önmagában még nem visz közelebb a válaszhoz: véges vagy végtelen-e a világmindenség?

Edwin Hubble (1889–1953) amerikai csillagász fedezte fel az univerzum tágulását Forrás: Pics about Space

Újabb felfedezések kellettek ahhoz, hogy a tudósok egyértelműbben foglaljanak állást ebben a nehéz kérdésben. Edwin Hubble amerikai csillagász korszakalkotó felfedezése váratlan megoldással kecsegtetett, hiszen rájött, hogy az univerzum nem változatlan, hanem fejlődik, egészen pontosan tágul.

A Mount Wilson-i obszervatórium fő teleszkópja, amellyel Hubble fölfedezte a világegyetem tágulását Forrás: Wikimedia Commons

Egy folyamatosan táguló világegyetem egyáltalán nem állandó, és időben visszafelé követve a folyamatot, a múltban egyre kisebb és kisebb kellett hogy legyen, míg elérjük azt a pillanatot, amikor minden elkezdődött. Ez a gondolatmenet vezet el bennünket az ősrobbanás elméletéhez, de ne siessünk ennyire előre, hiszen izgalmas elidőzni kissé a táguló világunk gondolatán.

Tér és idő kéz a kézben jár

Hubble azt találta, hogy bármely irányba is vizsgálódik, távolodnak tőlünk a galaxisok.

Ez azt az érzést keltheti bennünk, hogy valahol éppen az univerzum középpontjában foglalunk helyet,

hiszen minden tőlünk távolodik. Akkor tehát megvan a válasz, mi lennénk a középpontja egy véges világnak? Természetesen nem, ez csupán érzéki csalódás, hiszen csak a saját galaxisunkból, a Tejútrendszerből vizsgálódhatunk, és innen látjuk a többi galaxist.

Az Abell 2744 vagy Pandora galaxishalmaz. A képen látható minden egyes fénypont egy-egy távoli csillagváros Forrás: NASA/Hubble Space Telescope

De ha bármely más galaxisba utaznánk, és onnan nézelődnénk, akkor ugyanazt tapasztalnánk, hogy minden távolodik tőlünk, és ismét csak arra gondolhatnánk, mi vagyunk a középpontban.

Albert Einstein óta tudjuk, hogy a tér és az idő nem választható el egymástól Forrás: Wikimedia Commons

Mi következik mindenből? Minden galaxis távolodik minden más galaxistól az univerzumban (persze van néhány kivétel, mint például az Androméda-galaxis, amely felénk közeledik és a távoli jövőben össze is ütközik velünk), vagyis maga a tér tágul a galaxisok között.

A hozzánk legközelebb fekvő, mintegy 2,5 millió fényévnyi távolságra lévő Androméda-galaxis Forrás: NASA

Tehát a tér a múltban kisebb volt, és egy kezdeti pillanatban keletkezhetett.

Albert Einstein óta pedig tudjuk, hogy a tér és az idő nem választható szét egymástól,

vagyis ha a tér a kezdeti pillanatban keletkezett, akkor vele kellett keletkezzen az idő is, és így jött létre a téridő, amelyben valamennyien létezünk. Ekkor szokták feltenni a kérdést: de akkor mi volt a kezdeti pillanat előtt?

A távoli jövőben az Androméda-galaxis össze fog ütközni a Tejútrendszerrel Forrás: Pics about Space

Mivel akkor jött létre a tér és az idő (és velük együtt az őket kitöltő anyag), így aztán a kérdésnek nincs is értelme, hiszen nem létezett előtte az idő, vagyis az „előtte” szó ugyancsak értelmét veszti. De térjünk vissza az eredeti kérdésünkhöz: akkor tehát megtaláltuk a választ az ősrobbanás elméletében? Az univerzum véges volna? A válasz, hogy még most sem tudhatjuk biztosan!

Véges és mégis végtelen?

Elképzelhető, hogy az univerzum ugyan véges, de mégis végtelen! Ugyanis egy táguló univerzum esetében rögtön felvetődik a kérdés, vajon meddig folytatódik ez a tágulás? Véget ér-e valaha? Ha igen, mikor, és mi lesz utána? Ezekre a roppant izgalmas kérdésekre a gravitációt a téridő görbületeként leíró, Einstein által megalkotott relativitáselméletben kereshetjük a választ.

Albert Einstein 1916-ban fogalmazta meg az általános relativitáselméletet Forrás: Wikimedia Commons

Hiszen valójában a kérdés az, hogy van-e elegendő gravitációs hatása a világegyetemben fellelhető összes anyagnak ahhoz, hogy megfordítsa a tágulást, és ismét egy kezdeti pontba rántsa vissza a mindenséget, létrehozván a „Nagy Reccs-et”.

Alekszandr Friedmann orosz csillagász új megoldásokat vezetett le az Einstein-egyenletekből Forrás: Wikimedia Commons

Mindenesetre Alexandr Friedmann 1922-ben megtalálta Einstein egyenleteinek egy olyan speciális megoldását, amely egyértelműen arra utalt, hogy az univerzumnak volt kezdete.

A Tejútrendszer (a kép közepén ábrázolva, oldalnézetből) tágabb kozmikus környezetében lévő galaxisok. Még az Einstein szerint véges, ám de határtalan univerzum méretei is felfoghatatlanok az emberi elme számára Forrás: Wikimedia Commons

De eredményei még ennél is távolabbra mutattak:

egy pulzáló univerzum képe rajzolódott ki a tudósok előtt,

amely megszületik, tágul, majd a tágulás egyre jobban lelassul, míg végül megáll, és összehúzódásba megy át, azután pedig elpusztul, és a folyamat kezdődik elölről.

Az ősrobbanás, az univerzum születése utáni pillanatok fantáziarajza Forrás: Devianart

A modellben a legfontosabb paraméter pedig éppen az univerzum összes anyagának gravitációs hatása, hiszen ez határozza meg minden egyes ciklusban a világegyetem fejlődését.

Egymással ütköző galaxisok Forrás: NASA/Hubble Space Telescope

Ebben a világmodellben az univerzum véges, hiszen az ősrobbanással kezdődik, és a "Nagy Reccs" vet véget neki, mégis végtelen lenne,

hiszen az örökkévalóságig pulzál a létezés és a pusztulás körforgásában.

A világegyetem nagyléptékű szerkezetét leíró relativitáselmélet ezt a lehetőséget is megengedi, de vajon tényleg ilyen lenne a világunk?

Az egyre gyorsulva táguló univerzum paradoxona

A kutatások azt mutatják, hogy az univerzumban a megfigyelhető anyag mennyisége a gravitációs összeroppanáshoz nagyon kevés, ráadásul a 20. század végének nagy szenzációja volt, amikor távoli szupernóvák elemzésével megállapították, hogy egyre gyorsuló ütemben tágul a világegyetem.

A WMAP-2 műhold értékes segítséget nyűjt a kutatóknak a gyorsulva táguló univerzum rejtélyeinek feltárásában Forrás: NASA

Ezt a viselkedést a jelenleg ismert elméleteinkkel egyáltalán nem tudjuk leírni, csupán feltételezhetjük,

hogy valamiféle titokzatos, sötét energia lehet ilyen különös hatással a téridőre,

habár semmit sem tudunk erről a különös energiáról. De mi lehet a sötét energia, és hogyan befolyásolhatja az univerzum jövőjét?

A titokzatos sötét energiáról szinte még semmit sem tudunk Forrás: Devianart

A válasz: egyelőre még nem tudjuk. Tegyük fel ismét a kérdésünket: véges vagy végtelen? A napjainkban leginkább elfogadott ősrobbanás-elmélet egyértelműen kijelöli a kezdőpillanatot a múltban, azóta az univerzum pedig tágul és lehűl, de ez az elmélet sem tud minden kérdésre választ adni, többek között az egyre gyorsuló tágulás rejtélyére sem. Így jutunk el a végkövetkeztetéshez; egy annyira alapvető kérdésre, mint hogy „volt-e egyáltalán valamiféle kezdet?”, sem tudunk egyértelmű választ adni.

Arra, hogy volt-e valamiféle kezdet, még ma sem tudunk pontos választ adni Forrás: NASA/Hubble Space Telescope

Ami biztosnak tűnik, hogy egy folyamatosan fejlődő és nem állandó univerzumban élünk, azonban a fejlődés iránya, jövője és egyben múltja is ma még kérdéses a kozmológusok számára. Érdemes elgondolkodnunk azon, hogy milyen fejlettnek hisszük a civilizációnkat, miközben a világmindenség legalapvetőbb kérdéseire sem vagyunk képesek válaszolni.

(Zábori Balázs, az MTA kutatójának összeállítása)