A fizika legnagyobb megválaszolatlan kérdései

Mi az a sötét anyag és a sötét energia? Mi okozta a reionizációt? Tényleg szivárognak a fekete lyukak? A világegyetem csak egy a sok közül? Miért van sokkal több anyag, mint antianyag? És még számtalan kérdésre keresik a választ az elméleti fizikusok. Idővel talán megtalálják.

William Thomson, vagyis Lord Kelvin fizikus még 1900-ban állítólag azt mondta, már semmi felfedeznivaló nem maradt a fizikában, már csak a minél pontosabb mérések vannak hátra. Nem tudni, hogy Lord Kelvin tényleg mondta-e, vagy csak legenda az egész, de ennél nagyobbat nem is tévedhetett. Alig néhány évtizeddel voltunk a kvantummechanika és az einsteini relativitáselmélet megjelenése előtt, ami teljesen forradalmasította a fizikát, és olyan problémákat vetett fel, amelyekre még ma sincs válasz.

Kezdjük rögtön Einsteinnel, aki évtizedekkel az általános relativitáselméletről írt tanulmányában megjósolta a gravitációs hullámok létezését. A Harvard-Smithsonian Asztrofizikai Központ kutatói most közvetett bizonyítékot találtak olyan gravitációs hullámok létezésére, amik az univerzum keletkezése után nagyon kevés idővel (10 a mínusz 34-en másodperc) jöttek létre. A most észlelt minta tehát a kozmikus infláció idejéből, vagyis a világegyetem hirtelen tágulásának pillanatából származik. A felfedezést a kozmológia Szent Gráljának nevezte el a média, annyira jelentős – de még számtalan hasonló felfedezés várat magára. Ezekből szemezgetünk.

Kozmikus infláció

Maradjunk egy kicsit a kozmikus inflációnál. Az ősrobbanás pillanatában az univerzum elképesztő növekedésen ment keresztül – ezt hívják kozmikus inflációnak vagy felfúvódásnak. Ekkor az univerzum növekedése exponenciális volt; legalább 90 alkalommal megkétszerezte a méretét. Az infláció után a növekedés folytatódott, de már lassuló ütemben. A növekedéssel párhuzamosan az univerzum lehűlt. A most észlelt gravitációs hullámok arra utalnak, hogy a kozmikus infláció valóban megtörtént a kezdetek kezdetén, de a miértre még nincs válasz.

Ide tartozik a horizontprobléma is, vagyis az a kérdés, hogy miért néz ki az univerzum minden irányban ugyanolyannak. A világegyetem hőmérséklete és összetétele nagyjából egységes, és ezt egyelőre nem tudják megmagyarázni a kutatók. Az ősrobbanás után folyamatosan hűlt a hőmérséklet, de nem telt el azóta annyi idő, ami megmagyarázná ezt az egységességet.

Reionizáció

Folytatva a kozmikus infláció utáni pillanatokat, az univerzum egyre tágult, hőmérséklete csökkent. Az elemi részecskék összeütköztek, és idővel héliummá alakultak. A rekombinációra 380 ezer évet kellett várni, ekkor az intenzív hő hatására az atomok egy plazmafelhőbe préselődtek össze; ebben ködként kavarogtak a protonok, neutronok és elektronok. Az elektronok elkezdtek a szabad atommagokhoz kapcsolódni, és semleges atomokat hoztak létre. Emiatt az univerzumban lehetővé vált a fény terjedése; ennek a nyomai a mikrohullámú háttérsugárzásban is láthatók.

Ekkor kezdődött a reionizáció, amikor a hideg és semleges hidrogénnel töltött univerzumba ionizált hidrogén került, ami protonokra és elektronokra hasadt. A korai világegyetemet kitöltő hidrogénköd átlátszóvá vált, mivel az ibolyántúli sugárzás elpusztította a semleges hidrogéngáz javát. Nem tudni, pontosan miért történt és meddig tartott a reionizáció, ennek okait még kutatják. 

Egy vagy több univerzum?

Ide kapcsolódik a párhuzamos univerzumok kérdésköre is. Egy végtelen kiterjedésű, hideg kvantumvilágban több egymástól független inflációs esemény is bekövetkezhet. Így akár rendszeresen is kialakulhatnak az ismert világegyetemhez hasonló világok. Ezek között nincs kölcsönhatás, kozmológiai paramétereik is különböznek, természeti törvényeik is mások, így teljesen más folyamatokon mennek keresztül. A multiverzum elmélet szerint az ismert világegyetem csak egy a sok közül. Persze ennek bizonyítása is várat magára.

Szingularitás

A szingularitás azt jelenti, hogy van egy olyan pont, ahol bizonyos fizikai mennyiségek, mint sűrűség, téridőgörbület végtelenné válnak. Ez történt az ősrobbanás pillanatában, legalábbis Einstein gravitációelmélete ezt feltételezi. A probléma az, hogy ezt matematikailag lehetetlen leírni, a számítások értelmetlenné válnak.

Mi a sötét energia?

Az asztrofizikusok akárhogy is próbálják megérteni a világegyetem működését, valahogy nem állnak össze a számok. Bár a gravitáció vonzza az égitesteket, az univerzum mégis egyre gyorsabban tágul. Ezt valahogy meg kellett magyarázni a fizikusoknak, és kitalálták, hogy kell lennie egy olyan erőnek, amely a gravitációval ellentétes hatást vált ki, széttolja a téridőt.

Ezt az erőt elnevezték sötét energiának. Ez egy olyan feltételezett energiaforma, amely az egész univerzumban jelen van, erős az antigravitációs hatása. Az univerzum nagyjából hetven százalékát ez az energia adja. Bizonyítani még nem sikerült meglétét, létezésére is csak megfigyelések alapján következtetnek. A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás, a gravitációs lencsék, az univerzum kora, a Hubble-állandó mérései is mind a sötét energia meglétére utalnak. Ráadásul a sötét energia létezése megoldaná a hiányzó tömeg problémáját is.

Mi a sötét anyag?

Az univerzum tömegének alig 4,6 százalékát adja megfigyelhető anyag. A Planck űrszonda részletgazdag mikrohullámú égtérképre alapozott számításai szerint sötét anyag adja a világegyetem 26,8 százalékát (a fent említett sötét energia 68,3 százalékot). A sötét anyagot tehát nem látják a tudósok, de a meglétére következtetni tudnak. Nagyon régen, még 1934-ben fedezte fel Fritz Zwicky asztrofizikus, amikor a Coma galaxishalmaz tömegét vizsgálta. A galaxishalmaz szélén levő galaxisok sebességéből, és a galaxishalmaz fényességéből, valamint a galaxisok száma alapján két tömegbecslést adott. A kettőt összehasonlítva látta, hogy a sebességeloszlásból számított tömeg 400-szor nagyobb, mint a távcsővel mért. Vagyis kellett ott lennie még valaminek, ez a sötét anyag. Egyelőre semmit nem tudni erről az anyagról.

Anyag és antianyag

Minden részecskének létezik olyan párja, ami vele azonos tömegű, de néhány kvantumfizikai jellemzője (elektromos, erős és gyenge töltése) ellentétes. Ha az antirészecskékből álló antianyag találkozik az anyaggal, annihiláció történik, vagyis mindkettő megsemmisül, és energia szabadul fel. A fizikusok ma úgy gondolják, hogy amikor nagyjából 13,7 milliárd évvel ezelőtt megtörtént az ősrobbanás, ugyanannyi anyag és antianyag keletkezett – viszont mivel a világegyetemünk szemmel láthatóan anyagból áll, valahogyan megborult ez az egyensúly, úgynevezett szimmetriasértés történt. Hogy ennek mi volt az oka, nem tudják a tudósok.

A fekete lyuk információs paradoxona

Stephen Hawking még 1974-ben azt állította, hogy amikor egy fekete lyuk létrejön, energiát kezd el kisugározni, és folyamatosan veszít a tömegéből. A kvantumfizika törvényeiből azt a következtetést vonta le, hogy a fekete lyukaknak hőmérsékletük van, tehát hőmérsékleti sugárzást bocsátanak ki, így veszítenek a tömegükből, és fokozatosan eltűnnek. Az elmélet némi pontosítás után mára elfogadottá vált a fizikusok körében, Hawking-sugárzásnak nevezik ezt a jelenséget. Hawking azt is állította szivárgással a fekete lyukba bekerült információ is meg tud szökni, de roncsolt formában. Ha beleugrunk a fekete lyukba, minden információ meglesz arról, hogy nézünk ki, de felismerhetetlen állapotban.

Az általános relativitáselméletben semmi nem szökik ki a fekete lyukból. A kvantumfizikai törvények ugyanakkor azt mondják, az energia és az információ mégis csak meg tud szökni a fekete lyukból. Ennek az ellentétnek a feloldásával és pontos magyarázatával még adósok a fizikusok, hiszen olyan teóriára van szükség ehhez, ami egyesíti a gravitációs elméletet és a kvantumfizikát. Ilyen általános elmélet azonban még nincs.

Húrelmélet

A húrelmélet az univerzum egymásra ható erőit vizsgálja; ezt a mindenség elméletének is nevezik. Az elmélet tesztelését igencsak megnehezíti, hogy a ma használt eszközökkel a tesztek nem kivitelezhetők, mivel ezeknek olyan léptéke és energiaigénye lenne, hogy az túl extrém körülményeket teremtene a vizsgálathoz.

A húrelmélet szerint az univerzumban minden anyag és energia egydimenziós húrokból áll. Ezek egytrilliószor vékonyabbak, mint a hidrogénatomok, pedig már azokat is igen nehéz kimutatni. Ahhoz, hogy az egydimenziós húrok kimutathatók legyenek, egy elképesztő teljesítményű részecskegyorsító kéne: a Nagy Hadronütköztető ugyan a Higgs-bozont megcsípte, de a húrok észleléséhez több milliószor ennyi energiára lenne szükség.

A húrelmélet lehet az lehet az összekötő kapocs két, egymásnak ellentmondó elmélet között. Az egyik Einstein általános relativitáselmélete, és a ma uralkodó gravitációs elméletek; a másik a részecskefizika hagyományos modellje, illetve a kvantumtérelmélet, ami a gravitáción kívüli erőhatásokat is leírja.

A világegyetem jövője

Nagy Fagyás, Nagy Hasadás, Nagy Reccs, Nagy Összeomlás – számtalan elmélet létezik az ismert univerzum végére. Azzal, hogy a tudósok túlnyomó többsége elfogadta az ősrobbanást, mint az univerzum keletkezésének magyarázatát, felmerült kérdésként a világegyetem további sorsa. Az ősrobbanás-elmélet egyik következménye, hogy az univerzum ma ismert állapota jelentősen eltér attól, amilyen a múltban volt és amilyen a jövőben lesz.

A különböző elméletek mind különböző jövőt jósolnak a világegyetemnek. Az egyik örökké tartó tágulást feltételez, amikor egy idő után az elemi részecskék közötti rés egyre nagyobb lesz (nyílt univerzum). Egy másik elmélet szerint az univerzumban elég anyag van ahhoz, hogy megállítsa ezt a tágulást (zárt univerzum). A jövő olyan kozmológiai törvényszerűségektől is függ, amelyek még nem ismertek, ilyen például a sötét energia vagy az univerzum alakjának hatása.

A fenti kérdésekkel csak a felszínt kapargattuk, ezeken kívül még számtalan olyan kérdés létezik, amelyről vitatkoznak az asztrofizikusok, különböző elméleteket gyártottak és gyártanak folyamatosan, amelyek megpróbálják magyarázni a fent felsorolt kérdéseket. Ilyenkor jönnek elő olyan ötletek, hogy a fekete lyukak nem is léteznek, de legalábbis nem úgy, ahogy eddig gondoltuk. Hogy egy hologram a világunk, vagy hogy egy négydimenziós csillag összeomlása miatt létezünk.

index