A Big Bounce lenne az új Big Bang?

Támogasd a tudomány népszerűsítését, segítsd a munkánkat!

Az utóbbi másfél évben új frontvonal jött létre a kozmológiában. A jelenleg uralkodó ősrobbanás-elmélet kulcsmotívuma az univerzum inflációja, amely az elképzelések szerint a semmiből való keletkezés első másodpercének parányi része alatt megy végbe. Ennek helyébe javasol egy új elképzelést a Nagy Kipattanás számítógépes szimuláción alapuló koncepciója – angol nyelven az előbbi a Big Bang, az utóbbi a Big Bounce elnevezést kapta. 

Az új elmélet egyik frontharcosa Ijjas Anna a gravitációs fizikával foglalkozó Max Planck Intézetből, legfőbb támogatója pedig a Princeton Egyetem renegát professzora, Paul Steinhardt, aki korábban az inflációs elmélet kidolgozásában jeleskedett, most viszont annak egyik legfőbb kritikusa. Szerinte amíg az infláció elmélete minden kérdésre választ ígér, valójában egyetlen kérdésben sem ad igazi választ. A probléma abból fakad, hogy az ősrobbanás utáni világ legtöbb tartományában nem áll le az infláció, hogy helyet adjon az univerzum jelenleg megfigyelt – a fénysebességnél lassabb – tágulásának. A következmény, hogy végtelen számú párhuzamos és egymástól elszigetelt univerzum alakul ki, amelyek közül csak az egyik a miénk, ahol létezünk. Ez a multiverzum vitatott – hiszen semmi módon nem ellenőrizhető – koncepciója.

Izotrop és homogén?

De miért is volt szükség az ősrobbanás-elméletben a rejtélyes inflációs szakaszra, amikor az univerzum mérete a másodperc tört része alatt, a fénysebességet messze meghaladó sebességgel korábbi méretének sokszorosára fújódott fel? A hipotézis magyarázatot keres az univerzum galaxisainak eloszlására, amely nagy távlatokban nézve minden irányban azonos (azaz izotrop) és a távolságtól függetlenül mindenütt egyenletes sűrűségű (tehát homogén). Ha egyetlen nagy robbanás hozta létre az univerzumot, akkor ez a szabályosság rendkívül valószínűtlen. Kellett ezért egy magyarázó mechanizmus, ez lett a már említett infláció. Ennek folyamán a kezdeti gravitációs egyenetlenségek kisimulnak, és előáll a mai is érvényes kép a homogén és izotrop univerzumról. 

Szintén ez a folyamat vezet el a gravitációs mező „lapos” szerkezetéhez. Ez azt jelenti, hogy a kezdeti óriási tömegsűrűséghez a relativitáselmélet vadul változó térgörbületet rendel, ami nagyon távol lehetett a mai, közel euklideszi szerkezettől, de a hatalmasra tágult méretek miatt a görbületi ráncok kisimultak, és létrejött mai univerzumunk sima és laposnak nevezett geometriája.

Az univerzum homogén szerkezetét így tehát ki lehetett békíteni az ősrobbanás elméletével, de bőven maradtak kifogások is. Mindenekelőtt nem sikerült meggyőző magyarázatot adni arra, hogy mégis milyen erő hozza létre ezt az inflációt, és mi okozza a folyamat leállását; ráadásul ott van még a már említett multiverzum ellenőrizhetetlen koncepciója is. A kifogások háttérbe szorultak a minden irányból egyenletesen érkező mikrohullámú háttérsugárzás megfigyelése miatt, és jelenleg a kozmológusok nagy többsége elfogadja az inflációs modellt.

A Planck-műhold univerzumtérképe a mikrohullámú háttérsugárzás 30 és 857 GHz közötti tartományábanForrás: ESA

Párhuzamosok végtelenje

Amióta kialakult az ősrobbanás elmélete, mindig is voltak párhuzamos elképzelések, amelyek a semmiből előpattanó egyetlen nagy robbanás helyett váltakozó tágulási és összehúzódási fázisokban gondolkoztak: ez a pulzáló vagy oszcilláló kozmológia. Igaz, igencsak próbára teszi a fantáziát, ha megpróbáljuk elképzelni, hogy a gombostű fejénél sokkal kisebb pontba hogyan lehet összetömöríteni akár csak saját Földünk egész tömegét, nemhogy a Napot, sőt a Tejút százmilliárd csillagát, pláne az univerzum milliárdnyi galaxisát. 

Ha az univerzum pulzál, akkor nem kell eljutnia ennyire szélsőséges viszonyok közé: ebben az esetben a tágulási és összehúzódási folyamatok egymás után jönnek létre. Ez az univerzum mindig is volt, és mindig is lesz, csakhogy ez az elmélet elkerüli a kényes kérdést: hogyan lehet a semmiből valami? A Qubiten mi is bemutattunk egy ilyen alternatív elképzelést. Eszerint a távolabbi galaxisokból érkező fény vöröseltolódása nemcsak a galaxisok távolodásával magyarázható, hanem azzal is, hogy a távoli múltban nagyobb volt a fénysebesség, és ezt összekötöttük a sötét energia és a sötét anyag arányának változásával is, amit az E = mc2 összefüggés alapján a c értéke határoz meg. 

Ha nagy c értéke, túlnyomó lesz a sötét energia, ha kicsi, akkor a sötét anyag dominál. A sötét energia eltávolítja egymástól a galaxisokat, a gravitáció összehúzza őket. Ezért az ősi univerzumban – bár kisebb mértékben, de jelenleg is – a taszítási erő dominál, de lehetett egy még ősibb, korábbi állapot, amikor összehúzódott az univerzum, és lehet olyan is a távoli jövőben, úgy egybillió év múlva, amikor elkezdődik egy újabb összehúzódási szakasz.

A Nagy Kipattanás 

Az univerzum pulzáló voltára utaltak Ijjas Anna számítógépes szimulációi és azok a számításai, amelyek az általános relativitáselmélet gravitációs egyenletéből indultak ki. Erről az egyenletről azt kell tudni, hogy az energiát és az impulzust négydimenziós tenzorok adják meg, amelyeket a tér és az idő koordinátáinak segítségével építünk fel. Ezek a tenzorok a tér görbületi szerkezetétől, metrikájától függenek. Ha ismert a metrika, akkor nincs gond, megfelelő számítógépes technikák segítségével az egyenlet megoldható. A nehézséget az jelenti, hogy ismerni kellene a metrikát, mielőtt nekifogunk a megoldásnak. 

A jelenlegi „lapos” univerzumunkban ez megoldható, mert kicsi az euklidészi geometriától való eltérés, de az univerzum korai fázisában már sokszor önkényes megoldásokat eredményez a számítás: ha más a kiindulási metrika, akkor más lesz az eredmény is. A lehetséges megoldásokat két fő paraméterrel lehet jellemezni. Az egyik a skála faktor, ami az univerzum méretét adja meg, a másik a kozmikus látóhatár sugara (ezt az Albert Einstein által bevezetett taszító jellegű sötét energia, más néven a kozmikus állandó határozza meg). Az inflációs számításokban ez a sugár lényegében állandó, ám épp ezt vizsgálta Ijjas. Erősen torzult metrikák esetén ugyanis ez a látóhatár nagyon kicsi lehet. Szemléletesen mindezt egy ballonon elhelyezkedő hangyával mutathatjuk be: ha parányi a ballon, akkor a nagy görbület miatt a látóhatár leszűkül, ha viszont a ballont felfújjuk, a terep kisimul, és messzire távolodik a látóhatár. Erre alapozva végezték el a kutatók a szimulációk hosszú sorát, és akár a legvadabb geometriákból kiindulva olyan megoldásokat kaptak a látóhatár megnövekedése miatt, amelyben a kezdetben erősen csavart, nagy ráncokkal szabdalt térgeometria az univerzum lassú összehúzódása során homogén, izotrop és lapos szerkezetbe ment át. Következtetésük: nemcsak az inflációs tágulás magyarázhatja a homogén univerzumot, hanem a lassú összehúzódás is.

És akkor... 

Az ősrobbanás híveit nem győzték meg a számítások; ők fölvetik az entrópia kérdését is, hiszen szerintük a végtelenszer ismétlődő tágulási és összehúzódási ciklus végtelenre növelné az entrópiát. Így, kitartva korábbi felfogásuk mellett, nagy önbizalommal jelentik ki, hogy nem tartják meggyőzőnek az elméletet.

Ijjas és munkatársai azon vannak, hogy továbbfejlesszék elméletüket, és akár Einstein egyenletének bővítését is lehetségesnek tarják, hiszen nincs rá garancia, hogy az lenne a végső formula. Erre utal az is, hogy még maga Einstein is tévedésnek nyilvánította az univerzum gravitációs egyensúlyát biztosító kozmikus állandó bevezetését, amikor hírét vette annak, hogy Edwin Hubble megfigyelései alapján az univerzum tágul. Ez a tag mégis visszakerült az egyenletbe, mert kiderült, hogy a tágulás sebessége növekvőben van.

A Big Bang- és Big Bounce-hívők vitája még biztosan nem zárult le, mert nehéz igazságot tenni, abban a tekintetben, hogy mi történt a mikrohullámú sugárzás kialakulása előtt. Ekkor az óriási anyag- és energiasűrűség rendkívül magas hőmérséklettel járt együtt, szétvetve az atomokat is, a kaotikusan kavargó pozitív és negatív töltések pedig minden fényt elnyeltek. Ez volt az univerzum sötét korszaka, egy olyan függöny, ami megakadályozza, hogy kedvünkre beláthassunk az univerzum sötét korszakot megelőző világába, és ez törölheti a korábbi ciklusok entrópiáját is.

A szerző fizikus, a BME és az ELTE címzetes egyetemi tanára. A Kalandozások a fizikában címen a Qubiten futó sorozatának korábbi írásai itttudósportréi pedig itt találhatók.   

Korábbi kapcsolódó cikkeink: