Volt-e valójában ősrobbanás, vagy a fény sebessége lassul?

Nincs olyan elmélet, amellyel kapcsolatban ne vethetnénk fel a kérdést: vajon ez az egyetlen helyes magyarázat? Ez a tudomány fejlődésének záloga, enélkül nem léphetnénk tovább, enélkül nem is lenne élő a tudomány. Ez különösen igaz az ősrobbanás elméletére, amely sok érdekes tényt tárt fel, de legalább annyi a kérdőjel is az elmélettel kapcsoltban. Az elméletnek két fontos sarokköve van: az egyik Hubble tágulási törvénye, a másik az univerzum mikrohullámú háttérsugárzása. Jelenleg is több magyarázat létezik az ősrobbanás mellett. Itt most az egyikről lesz szó, amelyik alternatív magyarázatot kíván adni a távoli galaxisok vörös eltolódására a tágulási törvény helyett.

Vöröseltolódás: az ősrobbanás elméletének kiindulópontja

Honnan is indult el az ősrobbanás elmélete? Ennek alapja a távoli galaxisok vöröseltolódása. Hagyományos csillagászati eszközökkel mintegy 70 millió fényév távolságú galaxisok távolságát sikerült megbecsülni. A 10 millió fényévnél nagyobb távolságú galaxisokból érkező fény spektrumvonalai (jelesül a hidrogén alfa vonala) eltolódik a vörös felé, és ennek mértéke a távolsággal arányosan növekszik. Kiindulópontunk:  a fizika törvényei mindenütt azonosak, tehát még a milliárd fényévnyi távolságból érkező fénysugarak tulajdonságait is ugyanazok a fizikai állandók –  így a c fénysebesség és a h Planck-állandó  – határozzák meg az univerzum minden pontjában és minden időben. 

Grafika: Tóth Róbert Jónás

Továbbá az elemi részecskék tulajdonságai sem térnek el, mint például az elektron tömege és töltése. Ebben az esetben a vöröseltolódás egyetlen magyarázata az lehet, hogy a távoli galaxisok távolodnak tőlünk, és a távolodási sebesség arányosan növekszik a távolsággal. Ez a Hubble-törvény, amely a fény Doppler-effektusán alapul. Ahogy a távolodó vonat füttye mélyül, úgy csökken annak a fénynek a frekvenciája is, amit egy tőlünk távolodó objektum, például egy szupernóva vagy kvazár bocsát ki. Ez utóbbi a vöröseltolódás, amelynek mértéke árulkodik az égitest hozzánk mért sebességéről.

A galaxisok nagy része azonban sokkal jelentősebb vöröseltolódással rendelkezik, mint amit az ismert távolságú galaxisoknál találtak, ezért adódott a következtetés, hogy ezek az égi objektumok már jóval távolabb vannak tőlünk: egyesek akár tízmilliárd fényév távolságra is lehetnek. Ezt továbbgondolva alakult ki az ősrobbanás elmélete, amelynek finomítása vezetett ahhoz a következtetéshez, hogy a távolodás sem egyenletes, hanem gyorsul a távolság függvényében. Fontos előrelépés volt, hogy az ősrobbanás korai szakaszában, a becslések szerint 10-36 és 10-32 másodperc között, az univerzum a fény sebességét nagyságrendekkel meghaladó tempóban felfúvódott - ez az infláció jelensége. A modellt csillagászati megfigyelésekkel összevetve meghatározták az univerzum sugarát is, amit 46,6 milliárd fényévre becsülnek. Ez azért meglepő, mert a 13,7 milliárd év alatt csak akkor növekedhetett meg ekkorára az univerzum, ha a növekedés sebessége átlagban háromszorosa volt a fény sebességének. Ezt úgy értelmezik, hogy a speciális relativitáselmélet által szabott korlát csak az anyagi objektumok mozgására érvényes, és nem a tér tágulására, amelyben a galaxisok elhelyezkednek.

A vöröseltolódás magyarázata a fénysebesség változásával

A korábbi írásban már vázoltuk a jelenleg elfogadott ősrobbanási elméletet. De most tegyük fel a kérdést: vajon nem adhatunk-e más magyarázatot a vöröseltolódásra, vajon kizárólag a tágulási elmélet magyarázhatja a csillagászati megfigyeléseket?

Már az ősrobbanás elmélete is elvezetett ahhoz a gondolathoz, hogy a kezdetekben a tágulási sebesség sokkal nagyobb volt, mint a fénysebesség. Kézenfekvőnek tűnik a feltevés, hogy talán maga a fénysebesség sem állandó! Persze ez ellenkezik jelenlegi tapasztalatainkkal, amelyeket a speciális relativitáselmélet vesz alapul, de ismereteink csak a földi körülményekre vonatkoznak, és csak mintegy száz év megfigyeléseit összegzik. De mi volt milliárd évekkel ezelőtt? Nem könnyebb azt elképzelni, hogy akkor a fény sokkal gyorsabban száguldott, mint elfogadni, hogy az egész univerzum egyetlen parányi pont volt? Ez a lehetőség elég kézenfekvő ahhoz, hogy megnézzük a feltevés következményeit. Ha a fénysebesség az időben változik, akkor ezt a legkönnyebben exponenciális függvénnyel írhatjuk le, amely a messze múltban gyorsan növekedett, de napjainkban már a görbe kisimult. Jelöljük a mai fénysebességet c0-al, és egy T0 időállandóval jellemezzük az exponenciális változást:

Az időállandó nagyságrendjét az ősrobbanás által javasolt 13,7 milliárd év adja meg, ezért T0 legyen 10 milliárd év. Ez azt jelenti, hogy tízmilliárd évvel ezelőtt a fény sebessége a mostaninál 2,718-szor volt nagyobb. Határozzuk meg, hogy az így változó fénysebesség mekkora vöröseltolódást okoz!  Tételezzük fel, hogy a fénysebességtől eltekintve a többi természeti állandó nem változott az univerzum fejlődése során, tehát azonos maradt a Planck-állandó, az elektromos töltés és az elektron tömege is. Az atomok energiáját meghatározó állandó:

me4/h2

nem függ a fény sebességétől. Szintén független c-től az atom két állapota közötti ugrás frekvenciája, hiszen a fotonok energiája h𝜈 = E. A nagyobb fénysebesség miatt viszont megnövekszik a hullámhossz, hiszen λ𝜈 = c, azaz λ = c/𝜈. Abban a tartományban, ahol a Hubble-állandó meghatározása történik (maximum 70 millió fényév), a T/T0 érték kisebb, mint egy század, amiért az exponenciális függvény

lineáris összefüggéssel közelíthető, azaz a vöröseltolódás mértéke arányos lesz a távolsággal. A lineáristól való számottevő eltérést az 1 milliárd fényév távolságú galaxisoknál kapunk, hasonlóan az ősrobbanás gyorsulva táguló univerzumot feltételező koncepciójához.

Megfigyelhető-e vöröseltolódás a Tejút csillagainál?

Megfigyelhetjük-e a vöröseltolódást a Tejút csillagjainak fényénél? A Tejút sugara 100 ezer fényév, amiért T/T0 nem nagyobb, mint 10-5. Ezt a hatást azonban elfedi a csillagok, illetve a Föld mozgása miatti Doppler-effektus. Például a Föld Nap körüli mozgásának sebessége 30 km/s, azaz négy nagyságrenddel kisebb, mint a fény sebessége. Emiatt ez a Doppler-hatás nagyságrenddel haladja meg a fénysebesség változása miatti vöröseltolódást.

A változó sebességű fény útja

Ha a fénysebesség változik, akkor nagyobb utat tesz meg a fény, mint amit a jelenlegi fénysebesség alapján számolhatunk. Ha például T = 1,5T0, akkor a fény több mint háromszor nagyobb utat tesz, mintha állandó lenne a sebessége. A Tejúton belül, ahol T/T0 nagyon kicsi, a fenti összefüggés elvezet a fénysebesség állandóságának jól ismert törvényéhez, mert ebben a közelítésben a megtett út: s = c0T.

Hová kerül a fény elvesztett energiája?

A fénysebesség csökkenése azt jelenti, hogy a milliárd évekkel korábban kibocsátott foton energiája lassan csökkenni fog. Ez abból következik, hogy mai univerzumunkban a kisebb c0 sebesség határozza meg a 𝜈 = c0/λ frekvenciát és a hozzá tartozó E = h𝜈 energiát. De hová kerül az elvesztett sugárzási energia? Ez feltölti a teret, és megjelenik a sötét energia formájában! A sötét energia tehát az univerzum múltjának hozadéka és forrása annak az erőnek, amely biztosítja az univerzum egyensúlyát, és ami Einstein gravitációs egyenletében szerepel. Ennek értelmében az univerzum stabilitását az biztosítja, hogy a sugárzás révén a korábbi univerzum feltölti energiával a későbbi világot, mégpedig éppen annyival, amennyi szükséges a változatlan szerkezet fenntartásához.

Mikrohullámú háttérsugárzás

De hogyan értelmezhetjük a mikrohullámú háttérsugárzást? Ha az univerzum kiterjedése véges a térben, akkor annak határánál sokkal nagyobb a fénysebesség, amiért az onnan érkező fény frekvenciája oly mértékben csökken, hogy az atomok által kisugárzott energiát leviszi egészen a mikrohullámú tartományba.

És mikor jött létre az univerzum? Erre a kérdésre az ősrobbanás elmélete határozott választ kíván adni, amikor 13,7 milliárd évről beszél. De hogyan jöhet létre a semmiből az anyag? Ha nincs univerzum, akkor mivel skálázhatjuk az időt és a teret? Ebben az állapotban nincs értelme az idő fogalmának. A fénysebesség csökkenésének koncepciója elkerüli ezt a logikai csapdát, hiszen nem ragaszkodik a kezdetekhez, a T/T0 érték tetszőlegesen nagy lehet.

Mérhető-e a fény lassulása?

Tekintsünk most a jövő irányába! Ha a múltban gyorsabban haladt a fény, akkor a jövőben lassulni fog. Mennyire? Ezt is megmondja az exponenciális szabály. Például száz év múlva 100/1010 = 10-8 mértékében lesz kisebb. A c0 = 299 792 458 m/s fénysebesség mérési pontossága 4·10-9, ezért esély van rá, hogy a jövőben kísérleti adathoz jussunk a fénysebesség változásának üteméről.

Melyik világmodell a helyes?

A csillagos ég a távoli múlt üzenetét hozza el hozzánk, ennek eszköze a vöröseltolódás. Ezt értelmezhetjük különböző módon, akár az univerzum tágulásával és az ősrobbanás koncepciójával, akár a fénysebesség változásával. Azt már az olvasóra bízzuk, hogy ki-ki maga döntse el, melyik elképzelést tartja elfogadhatónak.

A szerző a BME és az ELTE címzetes egyetemi tanára.