Mi van ott, ahol vége a világegyetemnek?

A Virgo galaxishalmaz a Szűz csillagképben

A 20. század nagy csillagászati felfedezései, valamint Albert Einstein 1905-ben publikált speciális, továbbá az ebből továbbfejlesztett általános relativitáselmélete teremtették meg az univerzum jelenleg elfogadott modelljét. Mai ismereteink szerint 13,8 milliárd éve az ősrobbanással jött létre a táguló univerzum egy gravitációs szingularitásból, ami előtt nem létezett sem a tér, sem pedig az idő. Az ősrobbanás-elméletből vezethető le, hogy a jelenleg ismert univerzum miért térhet el mind a múltbeli, mind pedig a jövőbeli állapotától. A véges, de határtalan és táguló univerzumot leegyszerűsítve úgy kell elképzelni, mint egy felfújódó léggömböt. Ha viszont a világegyetem véges, önként adódó kérdés, hogy vajon mi lehet az univerzum határain túl?

Az univerzum véges, a gravitáció pedig nem erő, hanem a görbült téridő kölcsönhatása

Egészen a 20. század elejéig az univerzumot egy olyan statikus, állandó és végtelen kiterjedésű rendszerként képzelték el, amit a gravitáció tart össze. Először két amerikai fizikus, Albert Michelson és Edward Morley mutatták ki a 19. század végén, hogy a fény a megfigyelő mozgásától független állandó sebességgel terjed, ami pedig a klasszikus newtoni mechanika alapján nem lenne lehetséges. George F. Fritzgerald ír, illetve Hendrik Lorentz holland fizikus ezt az ellentmondást azzal próbálták feloldani, hogy a fénysebességgel haladó testek megrövidülnek a mozgás irányában.

George F. Fitzgerald ír elméleti fizikus Forrás: Wkimedia Commons /OLIVER HEAVISIDE

Az ezt leíró Lorentz-transzformáció ugyan matematikai keretbe foglalta Michelson és Morley megfigyelést, de nem adott magyarázatot a jelenség lényegére, amit egy hipotetikus, az egész univerzumot kitöltő közeg, az éter beiktatásával próbáltak meg feloldani. Albert Einstein jött rá,

hogy a fény bármilyen inerciarendszerben és bármilyen irányban ugyanazzal a sebességgel terjed,

méghozzá a fény frekvenciájától és a megfigyelő, valamint a fényforrás sebességétől függetlenül. Albert Einstein 1905-ben publikált dolgozatában a relativitást az idő, a tér, a tömeg és az energia elméleteként vezette be.

Hendrik Antoon Lorentz Nobel-díjas holland fizikus Forrás: Wkimedia Commons / Royal Library

A speciális relativitáselméletként ismertté vált einsteini teória két legfontosabb megállapítása, hogy nincs semmilyen nyugvó vonatkozatási rendszer, így nem létezik az abszolút tér sem, másrészt, hogy egyetlen kölcsönhatás sem terjedhet gyorsabban a fény vákuumbeli sebességénél. Einstein hosszú töprengés után, a speciális relativitáselmélet továbbfejlesztésével alkotta meg az 1916-ban publikált általános relativitás elméletét,

amelyben a gravitációt az egyesített tér és idő, vagyis a téridő geometriai tulajdonságaként írta le.

(Einstein a teret és időt egyesítő matematikai modelljében a téridő egy olyan négydimenziós koordináta-rendszer, amely három tér és egy idő koordinátával rendelkezik, a rendszer pontjai pedig egy-egy eseménynek felelnek meg.)

Albert Einstein alkotta meg az általános relativitáselméletet, illetve a téridő fogalmát Forrás:Popper Foto/Getty Images

Az általános relativitáselmélet egyik fontos axiómája, hogy az anyag meggörbíti a téridőt, vagyis az univerzum mint fizikai rendszer nem lehet végtelen, hanem véges, mert az anyag térbeli kiterjedéssel és tömeggel rendelkezik. Az általános relativitáselméletet leíró einsteini egyenletekből tehát az következik, hogy a gravitáció nem erő, hanem egy olyan kölcsönhatás, amit a tér torzulásával, görbültségével, az univerzum végességével magyarázhatunk.

Sir Arthur Stanley Eddington brit asztrofizikus és matematikus erősítette meg csillagászati megfigyeléssel az általános relativitáselméletben megjósolt fényelhajlást Forrás: Wkimedia Commons

Az einsteini általános relativitáselmélet kulcspontjának számító fényelhajlást alig három évvel az elmélet publikálása után, 1919-ben sikerült bizonyítania Arthur Stanley Eddington brit csillagásznak, a május 29-i teljes napfogyatkozás megfigyelése során.

De mi lehet vajon a felfújódó luftballonon túl?

A véges, de határtalan térelméletben egy asztronómiai megfigyeléseken alapuló felfedezés, az 1929-ben publikált Hubble-Lemaitre törvény jelentette a következő fontos mérföldkövet. Edwin P. Hubble amerikai csillagász megfigyelte, hogy minél távolabb van tőlünk egy galaxis, annál nagyobb a spektrumában a vöröseltolódás, vagyis a távolsággal arányosan növekszik a kozmikus objektum látszólagos távolodási sebessége.

Edwin Hubble amerikai csillagász fedezte fel az univerzum tágulását Forrás: Pics About Space

A Hubble-Lemaitre törvény szerint a galaxisok távolodási sebessége arányos a mért távolságukkal. Hubble korszakalkotó felfedezése alapozta meg a táguló világegyetem elméletét. Azt már Einstein is felismerte, hogy az univerzum nem statikus rendszer, tehát vagy tágul, vagy pedig összehúzódik,

de nem lehet nyugalomban.

A nagy tudós azonban egészen Hubble felfedezéséig még a saját számításaival kapcsolatban is szkeptikus volt, ezért vezette be az egyenleteibe az úgynevezett kozmológiai állandót, hogy megkerülje ezt a problémát.

Georges Lemaitre (középen) és Albert Einstein 1933-ban. Georges Lemaitre vetette fel elsőként az ősrobbanás lehetőségét Forrás: Wikimedia Commons/Caltech/Gliscritti

(Hubble felfedezése után azt nyilatkozta, hogy a kozmológiai állandó volt élete legnagyobb tévedése.) Miután a táguló világegyetem elmélete tudományos ténnyé vált, újabb kérdések vetődtek fel az univerzum múltjával, illetve jövőjével, valamint a határaival kapcsolatban. (A kérdéseket tovább bonyolítja a közelmúltnak az a felfedezése, amely szerint az univerzum gyorsulva tágul.)

Az NGC 4254 katalógusjelű galaxisról készült felvétel. Az univerzum folyamatosan gyorsulva tágul Forrás: ESO/PHANGS

Ha ugyanis az univerzumban észlelhető galaxisok egymáshoz képest távolodnak egymástól, e mozgási vektorokat visszavezetve, a múltba extrapolálva eljutunk egy olyan kezdőponthoz,

amikor a világegyetem összes anyaga egyetlen tömegbe sűrűsödött.

A számítások szerint 13,8 milliárd éve, az ősrobbanás időpontjától tart a folyamatos tágulás, a „luftballon", vagyis a véges ám határtalan univerzum felfújódása.

A táguló univerzum modellje az ősrobbanástól napjainkig Forrás: NASA

Azt, hogy mi volt a nulladik pillanat, vagyis az ősrobbanás előtt, nem lehet tudni, csak annyi bizonyos, hogy ezt megelőzően nem létezhetett sem a tér, sem pedig az idő. De legalább ennyire izgalmas kérdés, hogy létezik-e valami, illetve, hogy mi lehet a táguló univerzum határain túl?

A multiverzumok fantasztikus világa

Ha az általunk ismert univerzum több mint 13 milliárd éve keletkezett, és a világunkban semmilyen információ, illetve kölcsönhatás sem terjedhet gyorsabban a fény sebességénél, úgy egyetlen elektromágneses sugárzás sem juthatott még messzebb el a térben 13,8 milliárd fényévnél. Az egyik teória, a végtelen univerzumok elmélete szerint a jelenlegi, 13,8 milliárd fényéves határon túl a téridő már egy másik, önálló univerzumnak tekinthető.

A hozzánk legközelebb fekvő csillagváros, az Andromeda-galaxis, valamint a Tejút a mi galaxisunk síkjának montázsfotója. Az Andromeda nagy sebességgel közeledik a tejútrendszer irányába, és a távoli jövőben ütközni fog egymással a két galaxis Forrás: Pics About Space

Az örök infláció, vagyis a végtelen tágulás elmélete szerint

az univerzum felfúvódása nem egyenletes, az a tér egyes szegleteiben megáll, máshol pedig tovább folytatódik.

Az úgynevezett buborék univerzumok elméletét publikáló Alexander Vilenkin, a Tufts Egyetem professzora szerint a leálló és tovább táguló térrészek között önálló entitások, buborék univerzumok alakulnak ki, amelyekben teljesen eltérőek lehetnek az alapvető fizikai állandók és kölcsönhatások.

A Virgo galaxishalmaz a Szűz csillagképben Forrás: Case Western Reserve University

Paul Steinhardt, a Princeton Egyetem professzora, valamint Neil Turok kanadai elméleti fizikus a húrelméletből kiindulva alkotta meg a négynél többdimenziós univerzumok elméletét. A húr-, vagy szuperhúrelméletet az általános relativitáselmélet és a kvantummechanika összhangba hozatala céljából alkották meg. (Az elméleti fizikusok reménye szerint a húrelmélet lehetőséget biztosít arra, hogy valamennyi kölcsönhatás leírását egyetlen elméletbe foglalják.)

A húrelmélet egyik különös sajátossága a sokdimenziós univerzum hipotézise.

A húrelmélet olyan izgalmas kérdéseket vet fel, amelyek szorosan kapcsolódnak az időutazás problematikájához is Forrás: TED

A húrelmélet nemcsak azt fogalmazza meg, hogy az általunk ismertnél sokkal több dimenzió létezhet, hanem megjósolja ezek számát is, ami a klasszikus einsteini négy dimenziótól (három tér + egy idődimenzió) eltérően és különböző megközelítések szerint lehet 10, 11, vagy akár 26 is. Steinhardt és Turok elképzelése szerint a párhuzamos univerzumok ugyan valamennyien négydimenziósok, de ettől eltérő más és más dimenziókban léteznek, ezért nem láthatóak.

A húrelmélet szerint végtelen számú párhuzamos univerzum lehet Forrás: https://www.livescience.com/48685-physics-field-revolution.html

A két tudós úgy véli, hogy noha ezek az univerzumok közvetlenül határosak, de normál esetben nem érintkeznek egymással. (Egyes elképzelések szerint két párhuzamos univerzum ütközése okozta a mi univerzumunkat létrehozó ősrobbanást.) A multiverzum-elmélet egyik teoretikusa és népszerűsítője, Paul Davis úgy véli, hogy statisztikai valószínűséggel megszámlálhatatlanul sok univerzum létezhet az általunk ismert világegyetem határain túl, amelyek közül többen is létrejöhetett a földihez hasonló kémiai élet, a matematikai logika alapján.

Rengeteg univerzum létezhet az általunk ismert világegyetemen kívül Forrás: NASA/JPL-Caltech

Hogy ez valóban így van-e, és az univerzumunk határain túl is létezhetnek-e más világok, erre jelenleg még senki sem tudja az egzakt választ.