Kiderült: Einsteinnek még a legnagyobb tévedése is igaz

Albert Einstein 1921-ben, a fizikai Nobel-díj elnyerésének évében. Einstein 1916-ban publikálta az általános relativitáselméletet

A kozmológiai állandó bevezetését először Albert Einstein javasolta az általános relativitáselméletéhez, mivel az egyenletei időben változó világegyetemet mutattak, egy táguló, vagy összehúzódó univerzumot jeleztek előre. Einsteinnek  azonban az volt az álláspontja, hogy az univerzum statikus és időben változatlan, ezért az általa bevezetett kozmológiai állandót élete nagy tévedésének nevezte. Könnyen lehet azonban, hogy Albert Einstein mégsem tévedett, mert a sötét energia ismert tulajdonságai megfelelnek a kozmológiai állandónak. Most, hogy már bizonyított az univerzum gyorsuló tágulása, a sötét energia mint kozmológiai állandó magyarázatot adhat a téridő megnyúlására.

Einstein makacsul ragaszkodott ahhoz, hogy az univerzum statikus állapotú

Az 1915-ben megalkotott általános relativitáselmélet alapját Albert Einstein téregyenletei alkotják; ezek az egyenletek kapcsolják össze a téridő görbületét azzal az anyag és energia mennyiséggel, ami a téridő egy adott régióján keresztülvonul. Amikor Einstein ezeket az egyenleteket az egész univerzumra alkalmazta,

azt az eredményt kapta, hogy a világegyetem nem statikus,

ahogyan ő és akkoriban mindenki más vélte, hanem vagy tágul, vagy összehúzódik.

Albert Einstein 1921-ben, a fizikai Nobel-díj elnyerésének évében. Einstein 1916-ban publikálta az általános relativitáselméletet Forrás: Wikimedia Commons/Ferdinand Schmutzer

Ez az egyenletiből levezetett eredmény azonban nagyon nem tetszett neki, mert úgy gondolta, hogy az univerzum egyértelműen statikus. Így hát az egyenleteibe beillesztett egy lambda képletet ( ƛ), amit úgy nevezett, hogy „kozmológiai tag".

Ez egy olyan kifelé ható nyomást szimbolizált, ami stabilizálja a bejövő gravitációs vonzást és statikussá teszi az univerzumot.

Az Ön matematikája precíz, de a fizikája förtelmes

Alexandr Alexandrovics Fridman szovjet-orosz matematikus, geofizikus és kozmológus érdeklődését is felkeltette Einsein 1916-ban publikált általános relativitáselmélete, aminek hatására 1922-19224 között kidolgozta a homogén, izotróp világmodellt.

Alexandr A. Fridman szovjet-orosz elméleti fizikus úgy találta, hogy az univerzum nem statikus, hanem vagy tágul, vagy pedig összehúzódik Forrás: Wikimedia Commons

(Nagy léptékben vizsgálva az univerzum homogén és izotróp, vagyis helytől és iránytól függetlenül azonos tulajdonságú. Kisebb skálákon nem az, mert lokálisan az anyag csomósodik, például csillagok, illetve galaxisok formájában.)

Az M100 jelű galxis az egyik spirálkarjában felfénylett SN 1979 C jelű szupernóvával Forrás: https://www.space.com/11425-photos-supernovas-star-explosions.html

Fridman rájött, hogy a kozmológiai állandó instabil, és ezért egy táguló univerzum modellt javasolt, amit ma ősrobbanás teóriának hívunk.

A táguló univerzum modellje az ősrobbanástól napjainkig Forrás: NASA

Friedmanntól függetlenül 1927-ben a belga fizikus, és katolikus pap, Georges Lemaitre egyenletei is azt mutatták, hogy a világegyetem nem statikus, vagy tágul, vagy pedig zsugorodik, de Einstein nem fogadta el Lemaitre következtetését, és egy levelében ezt írta neki: „Az Ön matematikája precíz, de a fizikája förtelmes."

Georges Lemaitre (a képen középen) Einstein társaságában, 1933-ban Forrás: Wikimedia Commons/Caltech/Gliscritti

Hiába volt Lemaitre elmélete matematikailag pontos, de hosszú évtizedeken át nem fogadták el azt az elméleti fizikusok, egészen addig, míg végül a megfigyelések igazolták őt.

A pipázó csillagász és a táguló világegyetem

Amikor 1929-ben Edwin Hubble amerikai csillagász a közeli galaxisokat tanulmányozta és a megfigyeléseiből kiderült, hogy az Univerzum tágul, Einstein megbánta a kozmológiai állandó bevezetését és élete nagy tévedésének nevezte azt.

Edwin Hubble amerikai csillagász fedezte fel a vöröseltolódás segítségével az univerzum tágulását Forrás: Space.com

Hubble meghatározta a vöröseltolódás és a távolság összefüggését, amelyből levezette a táguló világegyetemet, valamint megfogalmazta a galaxisok vöröseltolódásának törvényét (Hubble-törvény). A Hubble-törvény szerint a galaxisok, galaxishalmazok

annál gyorsabban távolodnak egymástól, minél nagyobb a köztük lévő távolság,

azaz a galaxisok vöröseltolódása a távolsággal egyenes arányban nő, az arányossági tényező a Hubble-állandó.

Az ősrobbanás művészi ábrázolása Forrás: Solar Story

(A Hubble-állandó a világegyetem átlagos sűrűségével kapcsolatos és ma ismert értéke 70 km/s/Mpc, 1 Mpc, vagyis megaparszek nagyjából 3.3 millió fényév.) A Hubble-törvény tapasztalati úton, mérésekkel támasztja alá a világegyetem tágulását. A távoli galaxisok a távolságukkal arányos sebességgel távolodnak tőlünk.

Einstein élete nagy tévedésének nevezte a kozmológiai állandót Forrás: Wikimedia Commons/Orren Jack Turner, Princeton, N.J.

A lineáris tágulásból következett, hogy a világegyetem homogén, nincs kitüntetett pontja, olyan, mint egy felfúvódó léggömb felülete, és a galaxisok úgy távolodnak egymástól, mint a mazsolaszemek az egyenletesen dagadó tésztában: nem a galaxisok mozognak el egymástól, hanem maga a tér tágul, és a tágulásával „magával viszi" a benne lévő galaxisokat, vagyis a Földről megfigyelt távolodó mozgás nem egy térbeli mozgás, hanem a térnek a széthúzódása.

Az univerzum története az ősrobbanástól Forrás: ELTE

Az Univerzumban lévő anyagnak a tér tágulásából származó elmozdulását nevezzük Hubble-áramlásak.

Új életre kelhet az elvetett kozmológiai állandó

Sok kozmológus javasolja a kozmológiai állandó felélesztését teoretikus területeken. A modern térelmélet a vákuum energiasűrűségével kapcsolódik a kozmológiai állandóhoz,

és az, hogy ezt az energia sűrűséget összehasonlítsuk más anyagformákkal az univerzumban, új fizikát kíván.

A kozmológiai állandó bevezetésének mélyebb összefüggései vannak a részecskefizikában és a természet alapvető erőinek megértésében.

Az ESO Nagyon Nagy Távcsövének (Very Large Telescope – VLT) felvételén látható rendkívül távoli és idős galaxishalmaz az ősrobbanás után egymilliárd évvel keletkezett Forrás: ESO/L. Calçada

A kozmológiai állandó fő vonzereje, hogy szignifikánsan javítja az elmélet és a megfigyelés közti összhangot. Ennek leglátványosabb példája az a törekvés, hogy megmérjék, mennyit változott az univerzum tágulása az utóbbi néhány milliárd évben.

Generikusan az anyag által kifejtett gravitációs vonzás lassítja az ősrobbanás okozta tágulást.

Az 1990-es években a csillagászok a szupernóvák megfigyelését használták fel ahhoz, hogy nyomon kövessék az univerzum tágulásának történetét, vagyis a az utóbbi időkben történt tágulást.

Az NGC 4526 spirálgalaxisban fellángolt SN 1994D Ia típusú szupernóva (balra lent) Forrás: NASA/ESA/ Hubble Space Telescope

Az elméleti várakozásokkal szemben igen nagy meglepetést okozott az a megfigyelési eredmény,

mely szerint az univerzum tágulása nem hogy lassulna, hanem éppen ellenkezőleg, gyorsul.

Eleinte volt némi aggály, hogy talán rosszul értelmezik a megfigyelési adatokat, de bebizonyosodott, hogy szó sincs tévedésről. A kozmológiai állandó praktikussá, alkalmassá vált a csillagászok számára, hogy a szupernóvák megfigyelése alapján megmérjék, hogyan alakult az univerzum tágulása az utóbbi néhány milliárd év során.

A Rák-köd a Bika csillagképben az 1054-ben felvillant szupernóva maradványa. A szupernóvák megfigyelése fontos felismerésekre vezetett a kozmológiai állandóval kapcsolatban Forrás: NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University)

Az univerzum gyorsuló tágulását bizonyító eredmények felvetik annak a lehetőségét, hogy a világegyetem az anyagnak vagy az energiának egy furcsa formáját tartalmazza, ami gravitációsan taszító hatást fejt ki. A kozmológiai állandó egy matematikai példa erre a típusú energiára.

Ma már úgy gondolják, hogy a kozmológiai állandó leírja a valódi univerzumot

Számos megfigyelés arra utal, hogy szükséges egy kozmológiai állandó. Például, ha a kozmológiai állandó magába foglalja az univerzum energiasűrűségének legnagyobb részét,

akkor az univerzum extrapolált kora sokkal több, mint amennyi a kozmológiai állandó nélkül volna,

ez pedig feloldja azt a dilemmát, hogy az univerzum extrapolált kora fiatalabb, mint a néhány megfigyelt legrégibb csillagé.

Kozmikus gáz és porköd, születő csillagok bölcsője az Orion csillagképben Forrás: NASA

A kozmológiai állandót hozzáadva a standard ősrobbanás modellhez egy olyan modellt eredményez, ami úgy tűnik, hogy konzisztens a megfigyelt galaxisok és galaxishalmazok nagyskálájú eloszlásával, a kozmikus mikrohullámú háttér fluktuációk és a megfigyelt röntgensugár halmazok tulajdonságaival.