A 8. fejezet: Az Univerzum kosmológiai következményei
A korábbi fejezetekben láthattuk, hogy Einstein általános relativitáselmélete radikálisan megváltoztatta elképzeléseinket a tér, idő és a gravitáció terén. Az elmélet a gravitációt nem erőként értelmezi, hanem az időtér görbületének megnyilvánulásaként, melyet a tömeg és energia jelenléte okoz. Az Einstein-tér-egyenletek matematikai leírást adnak arról, hogy az időtér geometriája miként határozódik meg a tömeg és energia eloszlásával.
Bár az általános relativitáselmélet következményeinek a Naprendszer méretekben való látványos megerősítései lettek, a legmélyrehatóbb következményei akkor jelentkeznek, ha az egész univerzumot vesszük figyelembe. Ebben a fejezetben felfedezzük, hogy hogyan vezet az általános relativitáselmélet, ha a kozmológiára alkalmazzuk, egy dinamikus, változó univerzumról alkotott drámai új képhez. Meglátjuk, hogy az Edwin Hubble által az 1900-as évek elején végzett megfigyelések adták az első bizonyítékot egy táguló univerzumra, és hogy ez az ötlet az általános relativitással kombinálva alkotja a kozmológiai Nagy Bumm modelljének alapját. Találkozunk továbbá a modern fizika egyik legnagyobb rejtélyével is - a sötét energia jellegével, a misteriózus energiatípussal, amely úgy tűnik, hogy gyorsítja az univerzum tágulását.
Az Univerzum tágulása és Hubble törvénye
A modern kozmológia története az 1900-as évek elején kezdődik az amerikai csillagász, Edwin Hubble munkájával. Hubble a Kaliforniai Mount Wilson Obszervatórium 100 hüvelykes Hooker távcsövével olyan áttörő jelentőségű megfigyeléseket végzett, amelyek megváltoztatták az univerzum megértését.
Hubble egyik kulcsfontosságú megfigyelése az "homályos fényfoltok", az ún. "ködök" természetére vonatkozott az éjszakai égbolton. Sok csillagász azt hitte, hogy ezek a ködök viszonylag kis, gázos szerkezetek az én Tejútunkon belül. Azonban Hubble képes volt felbontani az egyes csillagokat néhány ilyen ködben, és összehasonlítva az ő látszólagos fényességüket a hasonló csillagokéval a Tejútban, be tudta becsülni távolságukat. Meglepő módon azt találta, hogy ezek a ködök valójában rendkívül távol vannak, jóval a Tejút határain kívül. Hubble felfedezte, hogy az univerzum sokkal nagyobb, mint korábban gondolták, tele "szigetuniverzumokkal" - amiket ma galaxisoknak hívunk.
De Hubble legmélyrehatóbb felfedezése akkor érkezett, amikor megvizsgálta ezen távoli galaxisok fényének spektrumát. Megállapította, hogy az ismert elemek spektrumvonalai a spektrum vörös végéhez képest rendszeresen eltolódnak, ez az ún. vöröshatás jelensége. Ez az eltolódás mértéke nő a galaxis távolságával. Ezt a vöröseltolódást Doppler-elmozdulásként értelmezték, amelyet a galaxis távolodása okoz. Minél nagyobb a vöröseltolódás, annál gyorsabban távolodik a galaxis.
Hubble megfigyelései egy rendkívüli következtetéshez vezették: az univerzum tágul. A galaxisok nem statikusak, hanem egymástól elmozdulnak, mint a mazsola a kenyérlángban. Ráadásul a galaxis távolodásának sebessége arányos a mi távolságunktól. Ezt a kapcsolatot Hubble törvényének nevezik:
$$v = H_0 d$$
Itt $v$ egy galaxis távolodási sebessége, $d$ pedig a galaxis távolsága tőlünk, és $H_0$ egy arányossági állandó, amit Hubble-konstansnak nevezünk. A Hubble-konstans értéke a jelenlegi univerzum tágulási sebességének mérőszáma.
Hubble felfedezése a táguló univerzumról hatalmas nyitás volt. Megdöntötte a hosszan tartó hitet egy statikus, változatlan világűrt illetően, és bevezette az ötletet, hogy az univerzumnak van egy története - idővel alakult. Ez a felismerés a modern kozmológia születését jelentette.
A Nagy Bumm modellje
A táguló univerzum felfedezése azonnal felvet egy mélyreható kérdést: ha a galaxisok most távolodnak egymástól, akkor közelebb voltak egymáshoz a múltban? Az idő visszafelé való kiterjesztése azt sugallja, hogy a távoli múltban az univerzum összes anyaga egy végtelen sűrűségű pontra - egy szingularitásra - koncentrálódott. Ez az ötlet alkotja a Nagy Bumm kozmológiai modelljének alapját.
A Nagy Bumm modell szerint az univerzum mintegy 13,8 milliárd évvel ezelőtt kezdődött egy rendkívül forró, sűrű állapotban. Ezen kezdeti pillanatban az univerzum végtelenül sűrű és végtelenül forró volt. Ezután gyorsan kitágult és lehűlt. Ahogy ezt tette, számos fázisátmenetet élt át, hasonlóan ahhoz, ahogy a víz forrás közben gőzzé válik, vagy hűlés közben jegggé változik. Ezek a fázisátmenetek vezettek a fundamentális részecskék és erők kialakulásához, ahogy azokat ismerjük.
A Nagy Bumm korai szakaszaiban az univerzum egy forró lángoló energiahalmazzá vált. Ahogy kitágult és lehűlt, ez az energia anyaggá kondenzálódott - először kvarkokká és elektronokká, majd ahogy az univerzum tovább hűlt, ezek a kvarkok egyesültek, hogy protonokat és neutronokat alkossanak. A Nagy Bumm után közel 380 000 évvel az univerzum olyan mértékben lehűlt, hogy ezek a protonok és elektronok kölcsönhatást léptek egymással, és atomokká, főként hidrogénre és héliumra alakultak át. Ezt az időszakot, amikor a képződés történt, reakcióképződésnek nevezik, és ez jelentette a anyag és a sugárzás összeakadásának felbontását. Ezen a ponton előtte a fotonok folyamatosan interakcióba léptek töltött részecskékkel, ami az univerzumot opákká tette. A reakcióképződés után a fotonok szabadon utazhattak, és az univerzum átláthatóvá vált. A kezdeti fotonok utófénye ma is megfigyelhető, mint a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás (CMB). Az CMB-t először Arno Penzias és Robert Wilson fedezte fel 1965-ben. A CMB egy majdnem egységes mikrohullámú háttérsugárzás, amely betölti az eget. A hői fekete test spektrumot tartalmaz, amely egy 2,7 Kelvin hőmérsékletnek felel meg, és megerősíti a Nagy Bumm modellt. Az CMB enyhén egyenlőtlenségei, amelyeket a COBE műhold részletesen feltérképezett az 1990-es években, a rekreáció idejének pillanatképét adják, és azokból a magvakból származnak, amelyekből a jövőbeni kozmikus szerkezetek - a galaxisok, a csillagok és a bolygók - a gravitáció hatására növekednének.
A Nagy Bumm modell, amely az univerzum tágulásának megfigyelésére és a CMB létezésére alapozódik, rendkívül sikeres leírást nyújt az univerzum történetéről. Magyarázza a könnyű elemek eredetét az korai univerzumban a Nagy Bumm nukleoszintézis folyamatán keresztül, és keretet nyújt a kozmikus szerkezetek kialakulásának megértéséhez.
Azonban a modellnek megvannak a problémái. A standard Nagy Bumm modell számos nagyon specifikus kezdeti feltételre támaszkodik - az korai univerzumnak rendkívül egyenletesnek kell lennie, a anyagnak nagy pontossággal elosztva kell lennie, és nagyon specifikus tágulási sebességgel kell rendelkeznie. A feltételektől való eltérések egy nagyon eltérő univerzumhoz vezetnének, amit megfigyelünk. Ezt a kezdeti feltételek problémájának nevezik laposság problémának és a horizont problémának.
Ezenkívül a standard Nagy Bumm modell olyan különleges részecskék létezését is előrejelzi, mint a mágneses monopólok, amelyeket soha nem figyeltek meg. Ezt nevezik monopól problémának.
Ezeket a kérdéseket az 1980-as években az Univerzum inflációjának elmélete foglalkozta. Az infláció elmélete szerint az igen korai univerzumban egy rendkívül gyors exponenciális tágulási időszak volt, amit egy hipotetikus inflaton nevű mező hajtott. Ez a gyors tágulás kisimította az eredeti egyenlőtlenségeket, és lapos, homogén állapotba hajtotta az univerzumot. Szintén hígította a különleges részecskéket, hogy megfigyelhetetlen szintekre csökkentsék. Az infláció elegáns megoldást nyújt a standard Nagy Bumm modell problémáira, és az modern kozmológia szerves részévé vált, bár az inflaton mező fizikai jellegét továbbra sem ismerjük.
Sötét energia és az gyorsuló univerzum
Az 1990-es évek végén a távoli szupernóvák tanulmányozása meglepő felfedezéshez vezetett, amely ismét forradalmasította a kozmosz megértését. A szupernovák, a tömeges csillagok robbanásos halála, rendkívül fényesek és láthatóak a kozmosz hatalmas távolságain át. Bizonyos típusú szupernóva, amelyet Ia típusnak neveznek, különösen hasznos a kozmológiában. Ezek a szupernóvák akkor fordulnak elő, amikor egy fehér törpe csillag egy bináris rendszerben anyagot raktároz társától, és végül termonukleáris robbanást okoz. Mivel ezeknek a robbanásoknak az eredetükkel mindig hasonlóak a körülmények, az Ia típusú szupernovák nagyon konzisztens belső fényességgel rendelkeznek. A csillagászok összehasonlíthatják ezt a belső fényességet a látszólagos fényességükkel, és meghatározhatják a távolságukat. Szolgálnak "standard gyertyák" a világegyetem méreteinek mérésére.
1998-ban két független csillagászcsapat, a Szupernóva Kozmológiával Foglalkozó Projekt és a Nagy-Z Supernóva Kutatócsapat, az Ia típusú szupernovák felhasználásával mérte az univerzum tágulási történetét. Várható volt, hogy az univerzum tágulása lelassul a tömeg gravitációs vonzása miatt. Ehelyett azonban a váratlannak találták: az univerzum tágulása gyorsul.
Ez az eredmény sokkoló és váratlan volt. A standard kozmológiai modellek szerint az univerzum végtelenül lassuló tempóban tágulhatna, vagy végül visszaomolhatna egy "Nagy Krach"-be, de egy gyorsuló tágulás nem volt számításba vett. Azon egyetlen mód, hogy magyarázza ezt a gyorsulást azáltal, hogy az általános relativitáselmélet keretein belül új komponenst vezessünk be az univerzumba: sötét energia.
A sötét energia egy hipotetikus energiaforma, amely az összes teret áthatja, és negatív nyomással rendelkezik. Az általános relativitás egyenletei szerint az anyag és az energia nyomása hozzájárul a gravitációs hatáshoz. A normál anyagnak pozitív nyomása van, ami azt okozza, hogy a gravitációsan összegyűlik. A sötét energia negatív nyomásával ellentétes hatást vált ki, azaz gyorsabbá teszi az univerzum tágulását.
A legegyszerűbb modell a sötét energiára a kozmológiai állandó, amit a görög $\Lambda$ betű jelöl. A kozmológiai állandót eredetileg Einstein vezette be egy statikus univerzum lehetővé tételére módosítva egyenleteit. Később elvetette azt Hubble tágulásának felfedezése után, "legnagyobb tévedésemnek" nevezte. Azonban a sötét energia kontextusában a kozmológiai állandó jelentős visszatérést tett. Az azzal is magyarázható, hogy a vákuum intrinszikus energiasűrűsége.
Az aktuális kozmológiai standard modell, amit $\Lambda$CDM modellnek neveznek (hideg sötét anyag egy kozmológiai állandóval), mind a sötét energiát $\Lambda$ formájában, mind a sötét anyagot, egy láthatatlan anyagformát, amely csak a gravitáción keresztül hat, magában foglalja az univerzum megfigyelt szerkezetének és evolúciójának magyarázatához. Ebben a modellben a sötét energia kb. az univerzum teljes energia sűrűségének 68%-át teszi ki, míg a sötét anyag körülbelül 27%-ot. A szokásos anyag, minden, amit látni és érinteni tudunk, kevesebb mint 5% -a az univerzumnak. Bár a $\Lambda$CDM modell rendkívül sikeres volt számos kozmológiai megfigyelés magyarázatában, a sötét energia fizikai jellege továbbra is az egyik legmélyebb rejtély a fizika területén. A kozmológiai állandó megfigyelt értéke sok nagyságrenddel kisebb, mint amit a kvantummezőelmélet elvárna, ez az ismert kozmológiai állandó problémája néven ismert. Alternatív modellek, mint például a kvintesszencia, amely egy dinamikus, fejlődő sötét energia mezőt javasol, felmerültek, de ezeknek a modelleknek az elkülönítése megfigyelési módon kihívást jelent.
A sötét energia felfedezése mélységes következményekkel jár az univerzum végső sorsára nézve. Egy anyaggal dominált univerzumban a terjeszkedés végső soron lelassulna és megfordulna, ami egy Nagy Összeomlást eredményezne. Egy kozmológiai állandóval rendelkező univerzumban azonban a terjeszkedés továbbra is gyorsulna, aminek eredményeként egy "Nagy Fagyasztás" következne be. Ebben a forgatókönyvben a galaxisok végül annyira eltávolodnának egymástól, hogy a fény nem tudna átjutni az egyikből a másikba. Az univerzum hideggé, sötétté és üressé válna.
Következtetés
A relativitáselmélet alkalmazása a kozmológiára alapvető átalakulást eredményezett a világegyetem megértésében. Newton statikus, örökös világrendjét egy dinamikusan fejlődő univerzum váltotta fel, amely egy forró Nagy Bummal kezdődött és azóta terjeszkedik és hűl. Az univerzum terjeszkedésének, a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásnak és a sötét energiának a felfedezése olyan képet festett egy univerzumról, amely furcsább és csodálatosabb, mint amire valaha is gondoltunk.
Azonban ez a kép messze nem teljes. A sötét anyag és a sötét energia jellege, amelyek együttesen alkotják a világegyetem 95%-át, továbbra ismeretlen. A nagyon korai univerzum fizikája, ahol a kvantumhatások fontossá válnak, még mindig rosszul érthető. És az univerzum végső sorsa, hogy örökké terjeszkedni fog-e, vagy végül összeomlik-e önmagába, továbbra is nyitott kérdés.
Ezeknek a kérdéseknek a megválaszolásához új megfigyelések és új elméleti felismerések szükségesek. A közelgő kozmológiai felmérések, mint például a Nagy Synoptic Survey Teleszkóp és az Euclid műhold, páratlan pontossággal fogják felvázolni az univerzum szerkezetét, új teszteket nyújtva a relativitáselméletre és új korlátokat helyezve a sötét energia jellegére. Az ilyen gravitációs hullám megfigyelők, mint például a LIGO és a Virgo, új ablakot nyitnak a korai univerzum és a fekete lyukak fizikája számára. És az elméleti fejlemények, mint például a húrelmélet és a hurok kvantumgravitáció, keretet nyújthatnak a relativitáselmélet összeegyeztetéséhez a kvantummechanikával, egy kulcsfontosságú lépéshez a kvantumgravitáció teljes elméletének elérése felé.
Einstein forradalmi elmélete után egy évszázaddal az univerzum tanulmányozása továbbra is az összes tudományterület egyik legizgalmasabb és legdinamikusabb területe. Ahogy továbbra is felfedezzük a relativitáselmélet következményeit a kozmológiára, sok meglepetést és felfedezést várhatunk a következő években. A világegyetem története, a Nagy Bummól a távoli jövőbe, továbbra is íródik.