2019-ben a Juhari Zsuzsanna-díj különdíjában, 2020-ban elismerő oklevélben részesült tudományos és fantasztikus podcast & blog

Önmagából újjászülető Univerzumunk és Escher halacskái

Sokolébresztő #95

2020. december 17. - vinczemiki

Lassan száz éve ismert már, hogy a galaxishalmazok eléggé szabályosan távolodnak egymástól, s úgy sejtjük, Világegyetemünk egyetlen téridő-pontból, egy szingularitásból nőtt azzá a határtalan mindenséggé, amiben élünk. A hatvanas évek korai, "klasszikus" ősrobbanás-modelljei minderről még úgy szóltak, hogy a születés pillanatában (jelenlegi tudásunk szerint olyan 13,8 milliárd évvel ezelőtt) a méretnövekedés szó szerint végtelen gyorsan kezdődött. Igen, jól olvastátok, az elmélet szerint az első pillanatokban még a fény terjedésénél is gyorsabb ütemben tágult volna a tér (bármit jelentsen is ez).  De ezzel akadt egy kis gond. 

planck_cmwb.png

Az 1989-ben Föld körüli pályára állított COBE (Cosmic Background Explorer, kozmikus háttérsugárzás-felderítő) műhold feladata annyi volt, hogy az ősrobbanás "kihűlt" visszfényét mikrohullámú és infravörös érzékelőivel feltárja, vagyis kissé pongyolán fogalmazva, egy hihetetlenül pontos infralázmérővel megmérje a világűr, az üres tér hőmérsékletét a teljes égboltot végigpásztázva. Az ősrobbanás ugyanis természetesen elképesztően forró lehetett, s ahogy ezt az iskolában megtanultuk: ha egy zárt rendszernek tekinthető gáztartály térfogatát megnöveljük, hőmérséklete lecsökken, de sohasem válik nullává. A Világegyetem annak rendje és módja szerint valóban ki is hűlt, s mivel időközben óriási lett, jelenlegi átlaghőmérséklete nem is több, mint az abszolút nulla foknál (vagyis -273,15°C-nál) éppen csak egy hangyacsápnyival, mintegy 2,7 fokkal nagyobb érték.

A dologban nem is ez volt a meglepő, hanem az, hogy ez a hőmérséklet az Univerzumban a COBE mérései szerint mindenhol iszonyú pontosan ugyanannyinak adódott. Az infravörösben is jól látszó előtérobjektumok (a Tejútrendszer, a Naprendszerben levő por, stb.) és egyéb kiszámítható zavarok levonása után az égbolt hőtérképe teljesen kisimult. A 2,7 kelvines hőmérsékleti háttérsugárzás olyan egyenletesen oszlott el az égen, hogy a rajta levő pici eltérések, fluktuációk (ezek térképét láthatjuk cikkünk előképén) mindössze 0,0001 kelvines nagyságrendűek voltak, vagyis bármilyen irányba is tekintett a műhold, az űr sugárzási hőmérséklete ilyen hibahatáron belül teljesen ugyanannyinak adódott. Arányaiban, ha jól számolom, ez olyasmi, mintha a Föld annyira tökéletesen gömb alakú lenne, hogy nem lennének rajta 400 méteresnél nagyobb szintkülönbségek. Mi ezzel a bökkenő? Hogy nem világos, hogyan és mikor egyenlítődhetett ki ennyire precízen a hőmérséklet. Ahhoz ugyanis sugárzási egyensúlyra volna szükség, vagyis arra, hogy az Univerzum részei közel legyenek egymáshoz annyira, hogy legyen idejük kölcsönhatásba lépni, hőt, információt cserélni. Erre viszont nem nagyon volt lehetőségük, ha a kezdet kezdetén (amikor az egyensúlynak ki kellett alakulnia) végtelen gyorsan rohantak el egymástól!

infacio_magyarazo.png

Ezen a kis diagramon be is mutatom, mi a gond. A klasszikus modell szerinti Univerzum méretfejlődése (kék görbe) kezdetben függőleges érintővel, azaz végtelen gyorsan indul neki, ám az információ (vagy bármely más fizikai hatás) nem terjedhet gyorsabban, mint az egyenletes sebességgel haladó fény. Így az "egymásról tudó dolgok" tartománya az ábrámon sárgával jelölt terület lesz, annak a fénysebesség által kijelölt felső határa pedig egyfajta horizont. Látjuk, hogy pont a buli elején, vagyis a legmeghatározóbb időszakban a kék görbe a horizonton kívül fut. Világos, hogy egyre lapuló módon növekedve előbb-utóbb a horizonton belülre kerül, de az már olyan későn és olyan nagy méretű Univerzumnál történne meg a klasszikus modell szerint, hogy akkor már (itt nem részletezendő okok miatt) túl hideg lenne ahhoz, hogy a megfigyelt hőmérsékleti egyensúly kialakulása ezáltal nyerhessen magyarázatot.

A gondot azonban megoldja az inflációs kozmológia 1981-ben felvetett elegáns elmélete: ha feltesszük, hogy a Világegyetem nem végtelen gyorsan, hanem eleinte a fénynél lassabban, de egyre gyorsuló ütemben felfúvódva látott neki a tágulásnak egy elképzelhetetlenül rövid kezdeti időszakban (ahogy rajzocskám piros görbéje mutatja), akkor ezzel a kis korrekcióval lehetőséget adunk a hőmérsékleti egyensúly kialakulásának amíg a horizonton belül tartjuk az Univerzumot. Így már nem olyan meglepő, hogy miért találjuk ilyen nagy mértékben egyenletesnek a COBE és utódai által mért hőmérsékleteloszlást.

penrose_lecture_slides_2.png

De Sir Roger Penrose – aki épp múlt héten vette át az idei fizikai Nobel-díjat – új elméletében más megoldást is kínál. Most, hogy már tudni véljük, hogy világunk örökké tágulni fog (ráadásul ismét gyorsuló ütemben), felmerülhet a kérdés: mi lesz benne, ha már annyira idős lesz, hogy korát mondjuk egy százjegyű számmal lehetne években kifejezni? A válasz talán az, hogy addigra minden anyagi részecske lebomlik már, beleértve a protonokat, neutronokat, elektronokat is, még a szupermasszív fekete lyukak is "elpárolognak" a Hawking-surárzás nevezetű effektus miatt, vagyis nem marad benne sem tömeggel rendelkező anyag, sem struktúra, csak tökéletes egyensúlyba került színtiszta energia, vagyis fotonok, fény. Maga a nirvána. Penrose azt is megkérdezi: egy ilyen Univerzum "tudja-e egyáltalán magáról", hogy mekkora, vagy hogy milyen idős? Hiszen a fény számára minden méterrúd ugyanolyan hosszúnak tűnik, az idő múlása pedig nem értelmezhető. Penrose úgy érvel, hogy az ilyen Világegyetem lényegében megkülönböztethetetlen a szinte pontszerű kezdeti állapottól, s ráadásul a hőmérsékleti egyensúly hőn áhított tulajdonságával is rendelkezik. Az, hogy a végtelen végessé, a szingularitás végtelenné transzformálható, Sir Roger szerint nem egy nagy ügy; ha már nincsen stopperóránk, vagyis semmilyen fizikai folyamat, amivel időt lehetne mérni, sem méterrúdunk, akkor a kérdés teljesen irreleváns. Szemléltető példának fel is hozza M.C. Escher híres festményeit; ezen például végtelensok halacskát látunk egy véges tartományra leképezve úgy, hogy minden halacska teljes joggal lehet meggyőződve arról, hogy ugyanakkora, mint minden szomszédja, világuknak pedig nincs határa.

figure2.gif

Márpedig ha a távoli jövőnk ugyanolyan, mint a kezdet kezdete, akkor miért ne lehetne, hogy a mi ősrobbanásunk is valójában egy korábbi, "örökké táguló" univerzum végtelenül távoli jövője volt valaha? Ha sokáig nézegetjük Escher halacskáit, talán megérezhetünk valamit e gondolat mélységéből. Kozmikus háttérműsorunkban, a hétfői Sokolébresztőben erről az érdekes elméletről is sok szó esett, de természetesen a Starship űrhajó "kirobbanóan sikeres" tesztrepülését is alaposan kibeszéltük kitűnő asztrofizikus barátommal, Werner Norberttel. Hallgassátok szeretettel!

emTV.hu // képek: ESA, Nobelprize.org, M.C. Escher

 tudomany_es_fantasztikum_podcast.jpg

A bejegyzés trackback címe:

https://parallaxis.blog.hu/api/trackback/id/tr2816345802

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.

süti beállítások módosítása