Fizikai Szemle honlap |
Tartalomjegyzék |
Horváth Dezső
MTA KFKI RMKI, Budapest
és ATOMKI, Debrecen
A kozmológia napjaink egyik legizgalmasabb, leggyorsabban fejlődő tudományága, számos kérdésével joggal tartja magát az újságok címoldalán. Bizonyos következtetései, mint a sötét anyag és energia túlsúlya a Világegyetemben, vagy a tér és idő kezdete az Ősrobbanáskor, még a fizikus gondolkodását is megrázzák. És ott van a fizikai paraméterek finomhangolása, mint az élet létrejöttének feltétele. Mindez szépen tükröződik a magyar nyelvű fizikai irodalomban is, lásd például Patkós András és Frei Zsolt tankönyvét [1] és a Természet Világa csillagászati különszámát [2], de a Fizikai Szemle és a Természet Világa évente több cikkben is tárgyalja a kozmológia kérdéskörét.
Amikor Einstein felállította általános relativitáselméletét, a fizikus közösséggel együtt mélyen meg volt győződve a Világegyetem stabilitásáról. Hiába mutatta meg előbb az orosz Alekszandr Friedmann (1922), majd tőle függetlenül a belga Georges Lemaître (1927), hogy az egyenletek táguló vagy zsugorodó Világegyetemet adnak, senki nem hitte el nekik. Einstein állítólag azt mondta 1927-ben, Lemaître levezetésére: "Az Ön matematikája precíz, de a fizikája förtelmes" - és csak 1933-ban fogadta el a tágulás igazát.
Hamarosan a kísérleti bizonyíték is összeállt. Henrietta S. Leavitt már 1910 körül kidolgozta a galaxisok távolságának meghatározását, Vesto Slipher és mások 1912-ben megmérték a galaxisok vöröseltolódását, és végül Edwin Hubble 1929-ben meghatározta a vöröseltolódás és a távolság összefüggését és ebből levezette a táguló Világegyetemet. A lineáris tágulásból - kétszer olyan messze levő galaxis kétszer akkora sebességgel távolodik tőlünk - következett a kozmológiai elv (fordítva is igaz): a Világegyetem homogén, nincs kitüntetett pontja, olyan, mint egy felfúvódó léggömb felülete, a galaxisok pedig úgy távolodnak egymástól, mint a mazsolaszemek az egyenletesen dagadó tésztában.
A táguló Világegyetemben tehát valamikor korábban mindennek közelebb kellett lennie egymáshoz. Lemaître 1931-ben publikálta híres Nature -cikkét [3]: A Világ kezdete a kvantumelmélet szempontjából, amelyben a kezdet egy "kozmikus tojás felrobbanása a Teremtés pillanatában". Elméletét Lemaître az ősatom (primeval atom) hipotézisének hívta, és a kezdetet úgy jellemezte: "a tegnap nélküli nap", hiszen az elmélet szerint a tér és az idő is akkor képződött.
A vallással való kapcsolat azonnal megvolt, hiszen Monsignor Georges Henri Joseph Edouard Lemaître a Leuveni Katolikus Egyetem fizikaprofesszora volt és felszentelt katolikus pap. Egész életében reverendában járt (1. ábra). Amikor Lemaître 1933-ban előadta elméletét, Einstein felállt és elkezdett tapsolni, mondván: "Ez a Teremtés legszebb és legkielégítőbb magyarázata, amelyet valaha hallottam." Ebből persze nem következett, hogy el is hitte volna, mint fizikai modellt.
A tudományos világ igen nehezen fogadta el Lemaître elméletét. Fred Hoyle, a neves csillagász és scifi-író, a stacionárius Univerzum híve, egy 1949-es rádióműsorban gúnyosan A Nagy Bumm (The Big Bang) elméletének nevezte, és az aztán rajta is ragadt a nemzetközi szakirodalomban, habár magyarul inkább Ősrobbanásnak hívjuk. Harminc évig gyűlt a kísérleti tapasztalat, amely fokozatosan megerősítette az Ősrobbanás elméletét, és végül a kozmikus háttérsugárzás felfedezése (Arno Penzias és Robert Wilson, 1964; Nobel-díj, 1978) feltette rá a koronát. A kozmikus háttérsugárzás 2,7 K hőmérsékletnek megfelelő sugárzás, amely akkor keletkezett, amikor 380 000 évvel az Ősrobbanás után kialakultak a semleges atomok, és azzal az Univerzum átlátszóvá vált az akkor 3000 K hőmérsékletű fotonsugárzás számára, korábban ugyanis a töltött részecskék plazmája folyamatosan elnyelte és újra kisugározta. A Világegyetem terének ezerszeres tágulása a visszamaradt fotonok hullámhosszát ezerszeresére növelte, így hűltek le 2,7 K-re.
Nagyon sok egyéb bizonyítéka is van az Ősrobbanás elméletének. Például, az Univerzum látható anyaga tömegének 75%-a hidrogén és 25%-a hélium, a többi elem részaránya kevesebb, mint 1%. Hélium keletkezése csak a csillagok belsejében lehetséges, és a Világegyetem kezdeti, forró anyagállapota nélkül nehéz ilyen nagy mennyiségűt megmagyarázni. Gyönyörűek a világűrbe telepített, viszontagságos sorsú Hubble-teleszkóp ultra-mély képei: 250 napig figyelte az ég egy sötét (látszólag csillagmentes) pontját, és ott tízezernél több galaxist észlelt, amelyek az Ősrobbanás után 500-800 millió évvel keletkeztek (2. ábra). Ezek a távoli, fiatal galaxisok kisebbek és kevésbé szimmetrikusak, mint a közelebbi, későbbi állapotban megfigyeltek.
A kozmológia jelenlegi álláspontja szerint az Ősrobbanást gyors felfúvódás követte, amely eléggé eltávolította egymástól a kezdeti sűrűségingadozásokat, hogy azok ne tudjanak kiegyenlítődni, és magjai lehessenek a galaxisok kialakulásának. Jelenleg a Világegyetem gyorsulva tágul. Ez magyarázható az úgynevezett kozmológiai állandóval, amelyet Einstein először berakott, majd kivett az egyenletéből. Manapság ezt a sötét energia következményének szoktuk tekinteni, mert az egyenletesen kitölti a teret és a Világegyetem energiasűrűségének mintegy 73%-át teszi ki. Nem tévesztendő össze a nem-barionos hideg sötét anyaggal, amely a galaxishalmazok körül csomósodik, és amely az összes anyag 80%-a, az energiasűrűség mintegy 23%-a. Egyikről sem lehet tudni, hogy igazából micsoda, bár a legkülönbözőbb feltételezések léteznek rájuk. A barionos anyag (csillagok, fekete lyukak, csillagközi por és gáz) energiasűrűsége kevesebb, mint 5%, a sugárzásé pedig nagyon kicsi. A WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) űrteleszkóp adatainak legújabb elemzése [4] a többi megfigyeléssel párosítva igen pontosan meghatározta ezeket a kozmológiai paramétereket: a sötét energia 72,8±1,6%, a sötét anyag 22,7±1,4%, a barionos anyag pedig 4,56±0,16%. A Világegyetem kora 13,75±0,11 milliárd év.
A Világegyetem történetét a 3. ábra szemlélteti. Az Ősrobbanást a feltételezések szerint kezdeti gyors felfúvódás követte. Ezután sugárzás-dominálta időszak következett, amikor az energiasűrűség túlnyomó része sugárzás formájában volt jelen. Az atomok kialakulásával az Univerzum átlátszó lett a sugárzás számára, erről tudósít a kozmikus háttérsugárzás. Jelenleg a Világegyetem enyhén gyorsulva tágul.
Az Ősrobbanás Teremtésként való értelmezéséhez az evolúció a kulcskérdés. Az evolúciót a legtöbb vallás és irányzata elfogadja. Kivétel a református egyház, az máig némileg ellenségesen kezeli, ez főleg az Egyesült Államok internetes vitafórumain figyelhető meg.1 Az amerikai evangélikusoknál2 ugyanakkor komoly tudományos vitákat látni a modern kozmológiáról és az Ősrobbanásról, figyelemmel kísérik a természettudomány eredményeit és a Vatikán közleményeit.
A judaizmusban régi hagyomány nem szó szerint értelmezni a Genezist. Már Maimonides (4. ábra) leszögezte3, hogy "a Genezis kezdetének szó szerinti értelmezése a tömegeknek való".
Mivel a katolikus egyház hierarchikus felépítésű, politikáját egyértelműen a Vatikán és a mindenkori pápa határozza meg. XII. Pius (5. ábra) már 1951- ben beletörődött egy részleges evolúcióba, mára pedig a Vatikán egyértelműen elfogadja azt. II. János Pál 1996-ban a következőt jelentette ki a Vatikáni Tudományos Akadémia (Pontifical Academy of Sciences) ülésén:4 "Mára ... új tudásunk elfogadja, hogy az evolúció elmélete több, mint hipotézis. Valóban figyelemre méltó, ahogy a kutatók a tudomány különböző területein tett felfedezések hatására, fokozatosan elfogadták ezt az elméletet. A függetlenül végzett munka eredményeinek sem nem keresett, sem nem fabrikált konvergenciája önmagában is jelentős bizonyítéka az elméletnek." Ezt a elfogadást remekül példázza egy konferencia, amelyet a Vatikán rendezett 2009. februárjában Charles Darwin: A fajok eredete megjelenésének 150. évfordulójára. Itt Gianfranco Ravasi bíboros (6. ábra), a Pontifical Academy of Sciences elnöke közölte: "Habár a Vatikán korábban ellenséges volt a darwinizmussal szemben, soha nem vetette azt hivatalosan el és a könyvet sem ítélte el. Az evolúció ötlete már Szent Ágoston és Aquinói Szent Tamás műveiben is fellelhető."
Érdekes módon, a korai kereszténység valóban evolúcióban gondolkodott. Aquinói Szent Tamás (6. ábra) nagy műve, a Summa Theologica5 ősanyagról beszél: Szent Tamás számára az ősanyag az alapvető változás közös alapja, az anyagi testek meghatározatlan eleme. Tiszta lehetőség... Semmiből készült és csak a semmibe visszahullva tűnhet el.6 Szent Ágoston 800 évvel korábban ennél jóval tovább jutott, de arra még visszatérünk.
Lederman Isteni atomjának társszerzője, Dick Teresi könyvet szentel [5] a régi civilizációk kozmológiai elképzeléseinek. Szerinte indiai kozmológusok voltak az elsők, akik a Föld korát több, mint 4 milliárd évre becsülték. Ők kerültek a legközelebb az atomi és kvantumfizikához és más modern elméletekhez. A görög atomelméletet is valószínűleg ők ihlették, perzsa közvetítéssel. Még a napjaink elméleti fizikusai által megálmodott párhuzamos világegyetemek is beleférnek a következő hindu képbe: a teremtés és megsemmisülés ciklusa örökké tart, megtestesülve Síva istenben, a Tánc Urában, aki jobb kezében a dobot tartja, amely a Világ teremtését szólaltatja meg, a balban pedig a lángot, amely majd megsemmisíti azt. Brahma egyike az isteneknek, akik megálmodják a saját Világegyetemüket.
R. A. S. Kocha is könyvet [6] szentelt a hinduizmus és az Ősrobbanás kapcsolatának. Azt állítja, hogy Brahman, a végső realitás képviselője a hindu vallásban, nem más, mint burkolt utalás magára az Ősrobbanásra. A Brahman szó maga a szanszkrit brh gyökből ered, amelynek jelentése nőj határtalanul nagyra és utalhat robbanásra. Ami pedig az Ősrobbanás téridő- beni szingularitását illeti, Brahman a tiszta időtlen létezés személytelen abszolútuma. Igen érdekes a Saivizmus kasmíri ága, amely szerint kezdetben az egész Világegyetem egyetlen pontban (Bindu) összpontosult. Ez volt a Teremtés Ősmagja. Egy csirázási periódus után felrobbant és a Teremtés (Om) hangját (Nada) eredményezte.
A japán sintoizmus szerint7 Ég és Föld kezdetben egy tojásszerű alakulatban volt, amely behatárolatlan csírákat tartalmazott. Ahogy szétváltak, a tiszta elem kiemelkedett, az Eget alkotva. A sűrűbb, kevésbé tiszta részből lett a Föld. Látni fogjuk, hogy ez igencsak emlékeztet Szent Ágoston világképére, habár aligha befolyásolhatták egymást.
Az iszlám még tovább jut: Mirza Tahir Ahmad [8] szerint a Világegyetem állandó tágulását a szent írások közül egyedül a Korán említi: "Nem látják a hitetlenek, hogy Ég és Föld eredetileg egyetlen tömeg volt és Mi választottuk szét? És Mi készítettünk vízből minden egyes élőlényt?"
Számomra az egész kérdéskör legbámulatosabb alakja Szent Ágoston, az észak-afrikai Hippo püspöke (7. ábra). A 4. század végén írt Vallomásokban [9] a Biblia logikus elemzésével elképesztően közel került a modern kozmológia világképéhez. A Vallomások önéletrajz és vita Istennel a Szentírásról. Könyvekre és fejezetekre tagolódik. A fordítók fejezetcímekkel látták el - gondolom - a jobb érthetőség kedvéért, pedig a latin eredeti világhálón látható változatában nem láttam címeket. Egy-egy fejezet lehet egy mondat vagy több oldal. Végignéztem Vass József magyar és J. G. Pilkington angol fordítását, és a magyar változat sokkal jobban tetszett, érthetőbb és egyértelműbbnek tűnt fel.
A Vallomások XI. és XII. könyve a Teremtéssel foglalkozik. A XI. könyv V. fejezete szerint "Isten a világot semmiből teremtette". A VI. fejezet megállapítja, hogy: "A teremtő ige nem lehetett valami időben elhangzó parancs... Akárminek képzelem ugyanis azt a teremtést megelőző valamit, ami hordozója lett volna parancsodnak, biztosan nem volt, hacsak azt is meg nem teremted vala."
Vissza-visszatérő kérdése: "Működött-e Isten a világ teremtése előtt?" Ennek megválaszolásához hosszan elemzi az idő fogalmát, és eljut a modern kozmológia idő-fogalmához. A XI. fejezet fő tétele: "Isten örökkévalóságához nincs köze időnek", a XII. fejezeté pedig: "A teremtés előtt Isten kifelé, vagyis teremtő módon semmit nem cselekedett."
Az idő elemzése a XIII. fejezetben csúcsosodik: "A teremtés előtt nem volt idő, mert ez maga a teremtmény. ... A te éveid, Uram, egyetlen napot számítanak; de napodban nincs tegnap, hanem csak ma, mert a te mádat nem váltja fel a holnap, s nem következett a tegnap után. Napod az örökkévalóság; azért nemzetted öröktől fogva azt, akinek mondottad: »Ma szültelek téged!« (Zsolt 2,7). Minden idő a te alkotásod. Minden időt megelőz örök jelened, s időtlen idő nem volt sohasem."
A XVI. fejezet az idő mérését elemzi, és arra jut: "Csak a jelen időt lehet mérni."
A XXX. fejezet újra felveti: "... mit művelt Isten a világ teremtése előtt? - Vagy: hogyan jutott eszébe teremteni valamit, mikor azelőtt soha semmit sem teremtett?" A válasza pedig ugyanaz, amit arra a kérdésre szoktunk válaszolni, hogy mi volt az Ősrobbanás előtt: "... nem lehet ott sohasemről beszélni, ahol egyáltalán nincsen idő. ... teremtmény híján idő sincs."
Konklúziója tehát az, hogy az idő is a Teremtéskor jött létre. Az idő mozgással mérhető, de nem azonos a mozgással.
A XII. könyv visszatér a teremtéshez. A VII. fejezet megállapítja: "Semmiből lett az ősanyag, az ősanyagból az egész világ." Ez megint csak a kozmológia világképével egyezik, csak semminek hívja az Ősrobbanást megelőző, fizikailag nem létező állapotot. A IX. fejezet szerint: "Sem a mennyország, sem az ősanyag megteremtése nem időben történt." Szent Ágostont mélyen foglalkoztatja a Genezis első mondata, "Kezdetben teremté Isten a Mennyet és a Földet." A XIII. fejezet szerint: "Kezdetben teremté Isten a mennyországot és az ősanyagot. ... a mennyet én szellemi égnek tartom, amelyben a megismerés nem »rész szerint «, nem »tükör által és homályban« (1Kor 13,12) történik, hanem egyenlő a teljesen megvilágosított: a színről színre való látással. Nem hullámzik egyszer erre, egyszer arra; hanem, amint említettem, egyszerre és együtt való látás, időbeli változás nélkül."
Mennyországon tehát lényegében a természeti törvényeket érti. Hosszan mereng a "Kezdetben" jelentésén, tekintettel arra, hogy szerinte az idő is a Teremtéskor keletkezett. A XXIV. fejezetben úgy vélekedik, hogy "e szó »kezdetben« az Igét jelenti, de vallja, hogy más magyarázat is lehetséges".
Mint láttuk, más vallások és a korai kereszténység is evolúcióban gondolkodott, és ez lehetővé teszi, hogy gond nélkül interpretálja az Ősrobbanást Teremtésként. A modern kozmológia és a keresztény Teremtés ellentmondásának feloldására több lehetőség van, mindegyikre számos elméletet látni az irodalomban:
A Vatikán már jóval előbb elfogadta az Ősrobbanást a világ kezdetének (azaz Teremtésnek), mint a tudományos közösség. XII. Pius pápa 1951-ben üdvözölte az Ősrobbanást, mint a Világ teremtését Isten létezésének bizonyítékai a modern természettudományok fényében című beszédében [7]: "Így tehát a Teremtés időben történt. Tehát létezik Teremtő. Tehát Isten létezik! Habár nem explicit és nem teljes, ez az a válasz, amelyet a tudománytól vártunk, és amelyet a jelenlegi emberi generáció vár tőle."
XII. Pius beszéde nagy nyilvánosságot kapott. Állítólag Edwin Hubble, a Világegyetem tágulásának fő felfedezője (8. ábra), igencsak dühös lett, amikor levelet kapott egy barátjától, aki megkérdezte, a pápa bejelentése kvalifikálja-e szentté avatásra. "Amíg a reggeli újságban nem olvastam róla, nem gondoltam volna, hogy a pápának rád van szüksége Isten létének bizonyításához." Ezek után Georges Lemaître meggyőzte a Vatikán tudósait (egy évtizeddel később ő lett a Vatikán Tudományos Akadémiájának elnöke), hogy nem szabad túlságosan építeni erre a nem bizonyított elméletre, és XII. Pius többet nem hivatkozott rá.
II. János Pál pápa 1996-ban visszatért a kérdéshez, és a Vatikáni Tudományos Akadémiához intézett beszédében a következőt mondta:
"... úgy tűnik, hogy a modern tudománynak ... sikerült megtalálnia az elsődleges fiat lux [legyen világosság] pillanatát, amikor a semmiből az anyag mellett fény és sugárzás tengere tört elő, az elemek meghasadtak és kavarogtak és galaxisok millióivá váltak.
... Így tehát a fizikai bizonyításra jellemző konkrétsággal [a tudomány] megerősítette a Világegyetem esetlegességét és annak a kornak a megalapozott levezetését, amikor a Világ előjött a Teremtő kezéből. Így megtörtént a teremtés. Kijelentjük: tehát létezik Teremtő. Tehát Isten létezik!"
Stephen Hawking nemcsak elismert fizikus, de a tudományos eredmények népszerűsítéséért is igen sokat tett. Erre kitűnő példa kozmológiáról írott könyve, Az idő rövid története, amely csak magyar nyelven négy kiadást ért meg (9. ábra). II. János Pál fogadta Hawkingot egy vatikáni konferencia alkalmából, és azt tanácsolta neki, ne feszegessék az Ősrobbanás pillanatát, mert az Isteni beavatkozás volt. Hawking később azt mondta: "Örültem, hogy nem ismerte a konferencián éppen elhangzott előadásom témáját - a lehetőségét annak, hogy a tér-idő ugyan véges, de nincs határa, kezdete sem, tehát a Teremtésnek sincs időpontja."
Úgy érzem, ezen a ponton találkozik Szent Ágoston, II. János Pál és Stephen Hawking álláspontja a Világ keletkezésével kapcsolatban.
A vallások túlnyomó része tehát elfogadja az Ősrobbanást isteni beavatkozásként Teremtésnek. Logikus elmével a táguló Világegyetemtől viszonylag könnyű eljutni egy kezdeti Ősrobbanásig: ami most távolodik, annak korábban közelebb kellett lennie, és a folyamat valamikor nyilván elindult. Amint azt Szent Ágoston is megtette, a modern fizika tér- és időfogalma is kikövetkeztethető logikus gondolkodással. Ugyanezt az utat egyébként számos filozófus (Spinoza, Kant, Hegel, Engels ) is végigjárta, értékes tudományos következtetésekre jutva tisztán logikai úton. A természettudomány és a vallás vagy a filozófia tehát hasonló következtetésekre juthat a Világ tulajdonságaira vonatkozólag. A különbség a kettő között a kérdésfeltevés és a válaszok kidolgozása módszertanában van.
A fizika kísérleti tudomány. Alapkérdése az, hogyan néz ki, hogyan működik világunk. A Világegyetem szerkezetét próbáljuk megérteni, ehhez elméleteket állítunk fel és számításokat végzünk, amelyeket megfigyelésekkel mennyiségileg ellenőrzünk. Hiába volt Lemaître elmélete matematikailag pontos, évtizedekig nem fogadta el a fizikus közösség, amíg a kísérleti megfigyelések megfelelően alá nem támasztották.
A fizikai kozmológia az Ősrobbanást modellként kezeli, amelyet eddig minden megfigyelés messzemenően igazol. A konkrét megfigyelések az Ősrobbanást követő századmásodpercig visznek vissza bennünket; az azt megelőző időszakra csak különböző elméleti becsléseink vagy spekulációink vannak.
A gyorsítós részecskefizika segítségével elvben közelebb mehetünk az Ősrobbanáshoz, amikor megpróbáljuk laboratóriumi körülmények között rekonstruálni az Ősrobbanást közvetlenül követő anyagállapotot, ez most mintegy milliomod másodpercre megközelíti az Ősrobbanást. Ebben is áttörést várunk a CERN Nagy Hadronütköztetőjétől, az LHC-tól, ahol négy óriási kísérletben is működnek magyarok: az ólom-atommagok ütköztetése az anyag Ősrobbanásközeli állapotát próbálja rekonstruálni, a proton-proton ütközésekben pedig, más témák mellett, a sötét anyag mibenlétére próbálunk rákérdezni.
_______________________