Két egymással nem összefüggő tanulmány a közelmúltban felvetette ugyanazt a lehetőséget, hogy a fizika törvényei nem mindenütt alkalmazha...
Két egymással nem összefüggő tanulmány a közelmúltban felvetette ugyanazt a lehetőséget, hogy a fizika törvényei nem mindenütt alkalmazhatók, ami ha igaz, több évszázadnyi tudományt kérdőjelezhet meg.
Itt a Földön hozzászoktunk a törvényekhez, amelyek a különböző régiók egyedi szokásainak és igényeinek megfelelően változnak. Például a legtöbb helyen vezetés közben jobbra fordulhatunk egy piros lámpánál, de ezt nem tehetjük meg ott, ahol a forgalmi szabályok szigorúbbak a forgalmas utak miatt.
Az univerzum fizikai törvényei ezzel szemben nem tolerálják az ilyen típusú lokális eltéréseket, legalábbis a legjobb tudásunk szerint. A tudósok azon feltételezés alapján dolgoznak, hogy léteznek egyetemes fizikai törvények, amelyek mindenütt ugyanolyan módon hatnak az anyagra, kezdve a saját szomszédságunktól a több milliárd fényév távolságra lévő galaxisokig.
Más szavakkal, noha az anyag sűrűsége és eloszlása nyilvánvalóan eltérő az űrben, a tudósok feltételezik, hogy az univerzum statisztikailag homogén több száz millió fényéves nagyságrendben, mert a világegyetem tényleges alapelveit mindenhol azonos módon kell alkalmazni.
Az egyetemes törvényeknek ezen "kozmológiai alapelvnek" nevezett fogalma több évszázados elmélet eredménye, amelyet eddig csillagászati megfigyelések támasztottak alá. Az izotróp univerzum modellje megmagyarázza azokat a kritikus jelenségeket, mint a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás homogenitása, az univerzum legrégebbi fénye, valamint az univerzum látszólag egységes sebességgel történő tágulása.
"A kozmológiai elv kézzelfoghatóbban fogalmazva: Az univerzum vajon tisztességesen játszik velünk?" - magyarázta Robert Caldwell, a Dartmouthi Főiskola fizika és csillagász professzora. "A fizika törvényei mindenütt azonosak? Vagy van-e egy preferált hely az univerzumban?"
Noha a legtöbb bizonyíték arra utal, hogy az univerzum méltányos módon játszik, sok kozmikus joker kártya is létezik, amelyek látszólag ütköznek a kozmológiai elvvel. Például az elmúlt néhány hónapban két fizikuscsapat teljesen eltérő megfigyeléseket tett közzé a világegyetem rendellenességeiről, amelyek az alapvető törvények és erők esetleges eltéréseire utalnak.
Még furcsább, hogy ez az új kutatás alátámasztja a múltbeli tanulmányokat, amelyek "irányítottságot" adnak ezeknek a variációknak. Más szavakkal, egy olyan lehetséges világegyetem modellt sugallnak, ahol a fizikai törvények bizonyos irányokba mozognak, mintha titokzatos kozmikus erők lennének.
Az egymással ütköző eredmények nem azt jelentik, hogy ki kell dobnunk a kozmológiai alapelvet, mivel hatalmas mennyiségű bizonyítékra van szükség a bevált fizika elvetéséhez. De az új tanulmányok olyan jelenségeket dokumentálnak, mind "lokális," mind rendkívül távoli léptékben, amelyek jelenleg nem magyarázhatók, és kihívást jelentenek az univerzum viselkedésével kapcsolatos alapvető elvárásainkkal szemben.
A változékony konstans
A természetnek négy alapvető erője ismert: gravitáció, elektromágnesesség és a gyenge és erős atommag kölcsönhatások. A kozmológiai elv azt sugallja, hogy ezek az erők az univerzum egészében egyenlően befolyásolják az anyagot, ezért a látható objektumok, mint például a csillagok és a galaxisok, általában ugyanúgy néznek ki és viselkednek, bárhová nézünk az égen.
De ha egy kicsit közelebbről megnézzük, akkor furcsaságok léphetnek fel a fizikai állandókban. Például az elektromágneses erő erősségét egy olyan értékkel számolják, amelyet finomszerkezeti állandónak neveznek. Ezt az állandót matematikailag megváltoztatható értékekre állítják be, például a Planck-állandóra és a fénysebességre. Ha az univerzum valóban izotróp, akkor a finomszerkezeti állandó (mint minden állandó) soha nem változhat benne.
Az elmúlt évtizedben azonban a tudósok ezt a konstanst az univerzum távoli részein is megmérték és bizonyítékot találtak arra, hogy ingadozhat. Ez a rejtélyes tendencia egy új mérföldkövet ért el a "állandó finomszerkezet eddigi legtávolabbi közvetlen méréseivel" egy 13 milliárd fényév távolságban lévő ősi "kvazár" galaxis esetében, amiről a Science Advances folyóiratban számoltak be egy áprilisban közzétett tanulmányban.
Noha a tudósok évek óta a kozmikus objektumokból érkező fényt használják a finomszerkezeti állandó tesztelésére, az új cikk a kísérlet hatókörét kiterjeszti a korai világegyetemre, csupán egy milliárd évvel az ősrobbanás után.
"Sokkal tovább mentünk, mint valaha," - mondta John Webb társszerző, a Sydney-i Új-Dél-Walesi Egyetem kozmológusa. "A visszatekintési idő szempontjából közelebb kerültünk az ősrobbanáshoz, mint korábban. Ha valaki inkább a távolságot kedveli, akkor nagyobb távolságra mentünk, mint amit eddig tettünk a korai univerzumban az elektromágneses erő közvetlen mérésével."
A csapat ezt egy speciális spektrográfiával, az X-SHOOTER nevű spektrográffal tudta megvalósítani Chilében, a Nagyon Nagy Távcső (VLT) segítségével. A műszer élessége a spektrum közel infravörös részében lehetővé tette Webbnek és kollégáinak, hogy a tárgyakat nagyobb "vöröseltolódásokkal" lássák, vagyis jóval távolabb vannak, és jóval korábban az időben, amitől a fényük elvörösödik.
Az X-SHOOTER segítségével a csoport megvizsgálta a 13 milliárd éves kvazár fényét - egyfajta szuper fényes galaktikus magot - aminek J1120+0641 az elnevezése. A Föld felé vezető útján ez az ősi fény négy gázfelhőn szűrődött át. Webb és kollégái a felhőkön áthaladó fény spektrális mintázata alapján pedig kiszámították a finomszerkezeti állandó értékét.
Ezek a megfigyelések nem tárták fel az állandó változásait az idő múlásával. Amikor azonban a kutatók összehasonlították tanulmányukat a korábbi kutatások során összegyűjtött nagyobb mennyiségű adatponttal, úgy találták, hogy a térbeli tengely mentén a lehetséges változások korábbi jeleivel egyezik meg. Az erősebb mérések a Tejút galaktikus központja felé mutató irányból származtak, és a gyengébb mérések az ellenkező irányba mutattak. Ez felidézi a "dipólus" világegyetem modelljét, amely valami hasonló lehet, mint az északi és a déli pólus.
"A lenyűgöző tudományos helyzet az, hogy vannak ezek a furcsa hatások, az anizotrópia és az irányultság utalásai az univerzumban, és ezek közül sokan az égen sorakoznak," - mondta Webb. "Talán van valamiféle kapcsolat ezek között a dolgok között, amelyeket még nem értünk teljesen, és érdekes megfigyelni ezt az igazodást."
Noha a megfigyelések minden bizonnyal lenyűgözőek, további kutatásokra lesz szükség annak leszűkítésére, hogy mi okozza ezeket a látszólagos ingadozásokat. Előfordulhat, hogy több hétköznapi kérdés eredményeként jön létre, például olyan műszerekkel, amelyek még nem elég pontosak ahhoz, hogy elkerüljék a nagy hibahatárokat a mérések során.
Röntgen anomáliák
A finomszerkezeti állandó még messze nem elég ahhoz, hogy egy olyan modell alapuljon rajta, ahol a törvények és állandók az univerzumban változnak. Egy másik, áprilisban közzétett tanulmány, ezúttal az Astronomy & Astrophysics folyóiratban, szintén kísérteties rendellenességeket jelentett a galaxiscsoportok által kibocsátott röntgenfényben.
A fizikusok Konstantinos Migkas, a németországi Bonni Egyetem doktori kutatójának vezetésével egy új technikát fejlesztettek ki a kutatás szerint a galaxisfürtöket körülvevő forró gáz által kibocsátott röntgen sugarak irányadó viselkedésének vizsgálatára. Megállapításaik összhangban állnak más csoportok eredményeivel, rámutatva a kozmológiai alapelv lehetséges töréseire.
"A galaxis klasztereket korábban még nem használták egy ilyen vizsgálathoz," - mondta Migkas, amely "egy új eszközként szolgál a kozmológiai alapelv tanulmányozásához".
"Előálltunk egy önálló módszerrel, amit annak tesztelésére hoztunk létre, amit mások teszteltek egy ideje," - folytatta. "Kiderült, hogy ezeknek a megfigyeléseknek köszönhetően nagyon meglepő eredményeket kaptunk, nagyon erős bizonyítékokkal."
A galaxis klaszterek a gravitációhoz kötött struktúrák az univerzumban, és több száz vagy akár több ezer egyedi galaxist tartalmaznak. Amint az ezen klaszterekből származó fény eljut a Földre, azt megnyújtja az univerzum tágulása, így a távoli klaszterek fénye úgy tűnik, hogy vöröseltolódik.
Migkas és munkatársai két módszerrel számították ki a klaszterekben a gáz röntgen fényerejét. Az egyiket a gáz becsült hőmérsékletéből származtatták, egy értéket, amelyet az univerzum tágulása nem befolyásol, és egy másik módszert is alkalmaztak, amely figyelembe veszi az univerzum tágulását.
Meghökkentő módon a két teszt eredményei nem mindig egyeztek: az egyik adott irányba tartozó klaszterek szisztematikusan gyengébbek voltak, mint ahogy várták, egy másik irányba tartozó klaszterek pedig szisztematikusan fényesebbek voltak, mint amire számítottak.
Még furcsább, hogy ezeknek a röntgen fényeknek az irányai nagyjából megegyeznek egy másik, a potenciális kozmikus anizotrópiákat kereső csapat által azonosított mintákkal, amelyeket 2019-ben jelentettek meg az Astronomy & Astrophysics folyóiratban. Ugyanakkor a klaszterek nem tűnnek világosabbnak vagy halványabbnak ugyanazon 180 fokos dipólustengely mentén, amelyet Webb csapata írt le. Ehelyett a szög úgy tűnik, hogy közelebb van a 120 fokhoz.
Ilyen módon a megfigyelési adatok alapján az univerzum potenciális irányultságának vagy anizotrópiáinak különféle modelljei átfedik egymást és ütköznek egymással - amellett, hogy ütköznek más tanulmányokkal, amelyek támogatták a kozmikus izotrópia modelljét nagy léptékben. Végül is az univerzum rendkívül bonyolult entitás, és az emberek folyamatosan fejlődő technológiákat fejlesztenek ki, amelyek bizarr bonyolultságának újabb rétegeit tárják fel.
Eddig Migkas és kollégái számos további magyarázatot mutattak be furcsa eredményeikre. Azt sugallták, hogy a galaxisfürtök közelében levő gravitációs erők eltorzíthatják a fényt, vagy hogy a fény torzulhat a saját Tejutunkban található gázfelhők révén (vagy ezeknek a tényezőknek a kombinációja).
"A fényesebb irány gyanúsan közel van a galaktikus központhoz," - mondta Migkas. "Ha fogadnom kellene, azt mondanám, hogy a fényes régió olyan ismeretlen röntgenprobléma eredménye, amelyet még nem fedeztünk fel galaxisunkban."
"A másik irány, a halványab, valójában megfelel annak az iránynak, amelyet mások a múltban teljesen független módszerekkel találtak," - jegyezte meg.
Sötét anyag és új fizika
Természetesen az is lehetséges, hogy ezek a megfigyelések valójában egy "új fizikát" reprezentálnak, amely felborítja a kozmológiai alapelvet. Az egyik spekulatív magyarázat e vonal mentén az, hogy a sötét energia, a rejtélyes erő, amely az univerzum tágulását hajthatja, valószínűleg egyenetlenül fejti ki hatását az űrben.
"A sötét energia például csomókat képezhet, mint például a normál vagy sötét anyag," - mondta Migkas. "Mostanáig a fejünkben az volt, hogy ez állandó, egyenletes energiamező, de valószínűleg olyan anyag, amely klasztereket vagy struktúrákat alkot."
"Ezen anyag egyenetlen eloszlása az univerzum egyik vagy a másik oldalán ilyen anizotrópiát okozhat," - tette hozzá.
Míg Webb csapata hatalmas távolságban és visszatekintési időpontokban említette meg a lehetséges rendellenességeket, a Migkas és kollégái általi megfigyelések galaxiscsoportokból származnak, körülbelül négy milliárd fényévnyire a Földtől. Ez természetesen még mindig hatalmas távolság, ám a kozmikus történelemben egy modernebb korszakot reprezentál, amelyben a sötét energiának több hatása volt, mint az univerzum korai éveiben.
"Ha ez többnyire alacsony távolságokon zajlik, ennek a sötét energiához lehet köze, mert a sötét energia nem játszik nagyon erős szerepet nagyobb távolságokon," - mondta Migkas. "És nem tudunk semmit a sötét energiáról, igaz? Nem ismerjük a természetét, nem ismerjük annak viselkedését, tehát csak feltételezéseink vannak a sötét energiáról."
"Az emberek megpróbálják megőrizni a standard modellt, bármi is legyen," - mondta Migkas. "Amint azonban egyre több bizonyíték kezd megjelenni, megpróbáljuk kibővíteni a jelenlegi modellünket. Csak ha abszolút szükségessé válik, akkor változtatjuk meg a modellünket."
"Az emberek megpróbálnak az alternatív magyarázatokra összpontosítani, mielőtt megváltoztatnák a kozmológiai modellt," - tette hozzá, "és ez az egészséges dolog."
Ez a két új tanulmány csak a legújabb a kozmikus izotrópia tesztelésének hosszú hagyományain belül. Például a tudósok évekig gyűjtöttek kozmikus nyomokat az irányultságról és az anizotrópiáról az univerzumban, távoli szupernóvák vagy csillagok robbanásának tanulmányozásával.
Ahogy a megfigyelőeszközök egyre kifinomultabbá válnak, valószínűleg összetett bizonyítékrendszer lesz a kezünkben különféle forrásokból, amelyek támogatják a kozmikus izotrópia, a kozmikus anizotrópia modelljeit, vagy talán még az univerzum furcsabb permutációit is. (1)
(1) - https://www.vice.com/en_us/article/3azqq3/unex
