"Az utolsó csillag lassan kihűl és elhalványul. Elmúlásával az univerzum ismét űrré válik, fény, élet vagy jelentés nélkül." Így f...
"Az utolsó csillag lassan kihűl és elhalványul. Elmúlásával az univerzum ismét űrré válik, fény, élet vagy jelentés nélkül."
Így figyelmeztetett Brian Cox fizikus a BBC legutóbbi Univerzum sorozatában. Az utolsó csillag elhalványulása csak egy végtelenül hosszú, sötét korszak kezdete lesz. Végül az összes anyagot felemésztik a szörnyű fekete lyukak, amelyek viszont belevesznek a fény leghalványabb csillogásaiba.
A tér folyamatosan tágul kifelé, amíg még ez a halvány fény is túlságosan szétterül ahhoz, hogy kölcsönhatásba lépjen. A tevékenység megszűnik.
Vagy mégis lesz? Különös módon egyes kozmológusok úgy vélik, hogy egy korábbi hideg, sötét és üres univerzum, mint amilyen a távoli jövőnkben rejlik, a saját ősrobbanásunk forrása lehetett.
Az első anyag
Mielőtt azonban erre rátérnénk, vessünk egy pillantást arra, hogyan keletkezett először az "anyag" - a fizikai anyag. Ha meg akarjuk magyarázni az atomokból vagy molekulákból álló stabil anyag eredetét, akkor az ősrobbanás idején semmi ilyesmi nem volt, és utána sem több százezer évig.
Valójában meglehetősen részletes ismereteink vannak arról, hogyan alakultak ki az első atomok egyszerűbb részecskékből, miután a körülmények kellően lehűltek ahhoz, hogy az összetett anyag stabil legyen, és hogyan olvadtak össze később ezek az atomok a csillagok belsejében nehezebb elemekké. De ez a megértés nem foglalkozik azzal a kérdéssel, hogy valami a semmiből jött-e létre.
Tehát gondoljuk tovább visszafelé. Az első hosszú életű anyagrészecskék a protonok és a neutronok voltak, amelyek együtt alkotják az atommagot. Ezek az ősrobbanás után körülbelül egytízezred másodperccel jöttek létre.
Azelőtt a szónak semmilyen ismert értelmében nem volt anyag. De a fizika lehetővé teszi, hogy az idővonalat visszafelé nyomon kövessük olyan fizikai folyamatokig, amelyek minden stabil anyagot megelőznek.
Ezzel eljutunk az úgynevezett "nagy egységes korszakhoz". Mára már jócskán a spekulatív fizika birodalmába értünk, mivel kísérleteink során nem tudunk elegendő energiát előállítani ahhoz, hogy megvizsgáljuk az akkori folyamatokat.
De az egyik elfogadható hipotézis az, hogy a fizikai világ rövid élettartamú elemi részecskék leveséből állt - beleértve a kvarkokat, a protonok és neutronok építőköveit.
Az anyag és az "antianyag" nagyjából egyenlő mennyiségben volt jelen: minden anyagrészecsketípusnak, például a kvarknak van egy antianyag "tükörkép" társa, amely közel azonos önmagával, csak egy vonatkozásban különböznek egymástól.
Az anyag és az antianyag azonban egy villanásnyi idő alatt megsemmisül, amikor találkoznak, vagyis ezek a részecskék folyamatosan keletkeztek és megsemmisültek.
De hogyan jöttek létre ezek a részecskék? A kvantumtérelmélet azt mondja, hogy még egy vákuum is, amely állítólag az üres téridőnek felel meg, tele van fizikai aktivitással, energia-ingadozások formájában. Ezek az ingadozások részecskék kipattanását okozhatják, amelyek röviddel ezután eltűnnek.
Ez inkább matematikai furcsaságnak hangzik, semmint valós fizikának, de számtalan kísérlet során észleltek ilyen részecskéket.
A tér-idő vákuumállapotban nyüzsögnek a részecskék, amelyek folyamatosan jönnek létre és semmisülnek meg, látszólag a "semmiből". De talán mindez valóban azt mutatja, hogy a kvantumvákuum (a neve ellenére) inkább valami, mint semmi.
David Albert filozófus emlékezetesen bírálta az ősrobbanásról szóló beszámolókat, amelyek azt ígérik, hogy ily módon a semmiből nyernek valamit.
Tegyük fel, hogy megkérdezzük: honnan keletkezett maga a téridő? Aztán tovább tekerhetjük az órát még visszafelé, a valóban ősi "Planck-korszakba," - egy olyan korszakba az univerzum történetében, ahol a legjobb fizikai elméleteink megdőlnek.
Ez a korszak a másodperc hihetetlenül rövid töredéke során következett be az ősrobbanás után. Ezen a ponton maga a tér és az idő is ki volt téve a kvantumingadozásoknak.
A fizikusok általában külön dolgoznak a részecskék mikrovilágát szabályozó kvantummechanikával és az általános relativitáselmélettel, amely nagy, kozmikus léptékeken érvényesül. De ahhoz, hogy valóban megértsük a Planck-korszakot, szükségünk van egy teljes kvantumgravitációs elméletre, amely egyesíti a kettőt.
Még mindig nincs tökéletes elméletünk a kvantumgravitációról, de vannak próbálkozások - például a húrelmélet és a hurokkvantumgravitáció. Ezekben a próbálkozásokban a hétköznapi teret és időt jellemzően felbukkanónak tekintik, mint a hullámokat egy mély óceán felszínén.
Amit térként és időként élünk meg, az mélyebb, mikroszkopikus szinten működő kvantumfolyamatok terméke - olyan folyamatoké, amelyek számunkra, mint a makroszkopikus világban gyökerező lények számára nem sok értelmet nyernek.
A Planck-korszakban a tér és idő hétköznapi megértése megbomlik, így már nem hagyatkozhatunk az ok-okozat köznapi megértésére sem.
Ennek ellenére a kvantumgravitáció minden jelölt elmélete leír valami fizikai dolgot, ami a Planck-korszakban zajlott - a közönséges tér és idő valamilyen kvantum előfutárát. De ez honnan jött?
Még ha az ok-okozati összefüggés már nem is érvényes a szokásos módon, a Planck-korszak univerzumának egyik összetevőjét még mindig meg lehet magyarázni egy másikkal. Sajnos mostanra még a legjobb fizikánk sem tud teljes választ adni. Amíg nem haladunk tovább a "mindenség elmélete" felé, addig nem tudunk végleges választ adni.
A legtöbb, amit ebben a szakaszban bátran kijelenthetünk, az az, hogy a fizika eddig nem talált megerősített példát arra, hogy valami a semmiből származna.
Ciklusok szinte a semmiből
Ahhoz, hogy valóban megválaszolhassuk azt a kérdést, hogyan keletkezhet valami a semmiből, meg kell magyaráznunk az egész univerzum kvantumállapotát a Planck-korszak elején.
Minden erre irányuló kísérlet erősen spekulatív. Némelyikük olyan természetfeletti erőket feltételez, mint egy tervező. Más lehetséges magyarázatok azonban a fizika birodalmán belül maradnak - mint például egy multiverzum, amely végtelen számú párhuzamos univerzumot tartalmaz, vagy az univerzum ciklikus modelljei, amelyek születnek és újjászületnek.
A 2020-as Nobel-díjas fizikus, Roger Penrose egy érdekes, de ellentmondásos modellt javasolt a ciklikus univerzumra, amelyet "konformális ciklikus kozmológiának" neveznek.
Penrose-t egy érdekes matematikai kapcsolat ihlette az univerzum egy nagyon forró, sűrű, kicsi állapota között, - ahogyan az ősrobbanáskor is volt - és a világegyetem rendkívül hideg, üres, kitágult állapota között, ahogy az a távoli jövőben is lesz.
Radikális elmélete ennek a megfelelésnek a magyarázatára az, hogy ezek az állapotok matematikailag azonosakká válnak, ha határaikig eljutnak. Bármennyire paradoxnak tűnik is, az anyag teljes hiánya minden olyan anyagot előidézhetett, amit magunk körül látunk az univerzumunkban.
Ebben a felfogásban az ősrobbanás szinte a semmiből fakad. Ez az, ami megmarad, amikor az univerzumban az összes anyag felemésztődik fekete lyukakká, amelyek viszont fotonokká forrtak össze - elveszve egy űrben.
Az egész univerzum tehát olyasvalamiből keletkezik, ami - más fizikai perspektívából nézve - olyan közel van a semmihez, amennyire csak lehet. De ez a semmi még mindig valami. Ez még mindig egy fizikai univerzum, bármilyen üres is.
Hogyan lehet ugyanaz az állapot az egyik szemszögből hideg, üres univerzum, a másik szemszögből pedig forró, sűrű univerzum? A válasz egy összetett matematikai eljárásban, az úgynevezett "konformális átskálázásban" rejlik, egy geometriai transzformációban, amely valójában megváltoztatja az objektum méretét, de változatlan formában hagyja az alakját.
Penrose megmutatta, hogy a hideg sűrű állapot és a forró sűrű állapot hogyan hozható kapcsolatba egy ilyen átskálázással úgy, hogy azok téridejük alakja szerint illeszkedjenek - bár nem méretükhöz.
Igaz, nehéz felfogni, hogyan lehet két objektum ilyen módon azonos, ha különböző méretűek, de Penrose azt állítja, hogy a méretnek mint fogalomnak nincs értelme ilyen szélsőséges fizikai környezetben.
A konformális ciklikus kozmológiában a magyarázat iránya az öreg és hidegtől a fiatal és meleg felé halad: a forró, sűrű állapot a hideg üres állapot miatt létezik. De ez a "mert" nem az ismerős ok, amelyet idővel követ a következménye. Ezekben a szélsőséges állapotokban nem csak a méret szűnik meg, hanem az idő is.
A hideg sűrű állapot és a forró sűrű állapot eltérő idővonalon helyezkedik el. A hideg üres állapot a megfigyelő szemszögéből örökké folytatódna a maga időbeli geometriájában, de az általa előidézett forró sűrű állapot gyakorlatilag egy új idővonalban lakozik.
Segíthet megérteni a forró, sűrű állapotot, amely a hideg üres állapotból keletkezik valamilyen nem okozati módon. Talán azt kellene mondanunk, hogy a forró, sűrű állapot a hideg, üres állapotból fakad, vagy abban van megalapozva, illetve megvalósul.
Ezek jellegzetesen metafizikai gondolatok, amelyeket a tudományfilozófusok alaposan megvizsgáltak, különösen a kvantumgravitáció kontextusában, ahol a közönséges ok és okozat összeomlani látszik. Tudásunk határán a fizika és a filozófia nehezen választható szét.
Kísérleti bizonyíték?
A konformális ciklikus kozmológia részletes, bár spekulatív választ ad arra a kérdésre, hogy honnan ered ősrobbanásunk. De még ha Penrose vízióját igazolja is a kozmológia jövőbeli fejlődése, azt gondolhatnánk, hogy még mindig nem válaszoltunk meg egy mélyebb filozófiai kérdést - azt a kérdést, hogy honnan származik maga a fizikai valóság.
Hogyan jött létre az egész ciklusrendszer? Aztán végül a tiszta kérdéshez jutunk, hogy miért van inkább valami, mint semmi - ez a metafizika egyik legnagyobb kérdése.
Itt azonban azokra a magyarázatokra összpontosítunk, amelyek a fizika birodalmán belül maradnak. A ciklusok kezdetének mélyebb kérdésére három tág lehetőség kínálkozik.
Ennek egyáltalán nem lehetett fizikai magyarázata. Vagy létezhetnek végtelenül ismétlődő ciklusok, mindegyik egy univerzum a maga jogán, és az egyes univerzumok kezdeti kvantumállapotát az univerzum valamilyen jellemzője magyarázta. Vagy létezhet egyetlen ciklus, és egyetlen ismétlődő univerzum, amelynek kezdetét a saját végének valamilyen jellemzője magyarázza.
Az utóbbi két megközelítés elkerüli az ok nélküli események szükségességét, és ez megkülönböztető vonzerőt ad nekik. A fizika semmit sem hagyna megmagyarázat nélkül.
Penrose végtelen új ciklusok sorozatát képzeli el, részben a kvantumelmélet saját preferált értelmezéséhez kapcsolódó okokból. A kvantummechanikában egy fizikai rendszer egyszerre több különböző állapot szuperpozíciójában létezik, és csak véletlenszerűen "választ ki egyet," amikor megmérjük.
Penrose esetében minden ciklus véletlenszerű kvantumeseményekből áll, amelyek eltérő módon alakulnak - vagyis minden ciklus különbözni fog az előtte és utána történtektől. Ez valójában jó hír a kísérleti fizikusok számára, mert lehetővé teheti számunkra, hogy bepillantást nyerjünk a régi univerzumba, amely a miénket teremtette halvány nyomok vagy anomáliák révén, a Planck műhold által látott, az ősrobbanásból visszamaradt sugárzásban.
Penrose és munkatársai úgy vélik, hogy már észrevették ezeket a nyomokat, és a Planck-adatok mintázatait az előző univerzum szupermasszív fekete lyukaiból származó sugárzásnak tulajdonítják. Állítólagos megfigyeléseiket azonban más fizikusok megkérdőjelezték.
A végtelen új ciklusok kulcsfontosságúak Penrose saját víziójában. De van egy természetes módja annak, hogy a konformális ciklikus kozmológiát többciklusból egyciklusos formává alakítsuk. Ezután a fizikai valóság egyetlen körciklusből áll az ősrobbanáson keresztül egy maximálisan üres állapotba a távoli jövőben - majd ismét visszatér ugyanahhoz az ősrobbanáshoz, ami újra és újra ugyanazt az univerzumot hozza létre.
Ez utóbbi lehetőség összhangban van a kvantummechanika egy másik értelmezésével, amelyet a sokvilág-értelmezésnek neveznek. A sokvilág-értelmezés azt mondja nekünk, hogy minden alkalommal, amikor egy szuperpozícióban lévő rendszert mérünk, ez a mérés nem véletlenszerűen választ ki állapotot. Ehelyett a mérési eredmény, amelyet látunk, csak egy lehetőség - az, amely a saját univerzumunkban játszódik le.
A többi mérési eredmény mind más univerzumokban játszódik le egy multiverzumban, gyakorlatilag elvágva a sajátunktól. Tehát bármilyen kicsi az esélye annak, hogy valami megtörténjen, ha nem nulla esélye van, akkor valamilyen kvantum-párhuzamos világban fordul elő.
Vannak olyan emberek, mint te, más világokban, akik nyertek a lottón, vagy egy furcsa tájfun sodorta őket a felhők közé, vagy spontán kigyulladtak, vagy mindhármat egyszerre csinálták.
Vannak, akik úgy vélik, hogy az ilyen párhuzamos univerzumok a kozmológiai adatokban is megfigyelhetők, mint egy másik univerzumnak a miénkkel való ütközése által okozott lenyomatok.
A sokvilág kvantumelmélete új csavart ad a konformális ciklikus kozmológiának, bár Penrose nem ért egyet vele. Az ősrobbanásunk egyetlen kvantummultiverzum újjászületése lehet, amely végtelenül sok különböző univerzumot tartalmaz, amelyek mindegyike együtt fordul elő. Minden lehetséges megtörténik - aztán újra és újra és újra megtörténik.
Ősi mítosz
Egy tudományfilozófus számára Penrose víziója lenyűgöző. Új lehetőségeket nyit meg az ősrobbanás magyarázatában, túlmutatva magyarázatainkon, a hétköznapi ok-okozatokon. Ezért ez egy nagyszerű tesztpélda annak feltárására, hogy a fizika hogyan magyarázhatja világunkat. Több figyelmet érdemel a filozófusok részéről.
A mítoszok szerelmesei számára Penrose látomása gyönyörű. A Penrose által kedvelt többciklusú formában végtelenül új világokat ígér őseik hamvaiból. Egyciklusos formájában az uroborosz, vagyis világkígyó ősi eszméjének feltűnő modern újraidézése.
A skandináv mitológiában a kígyó Jörmungandr Loki, az okos csaló és az óriás Angrboda gyermeke. Jörmungandr a saját farkát harapja, és a létrejött kör tartja fenn a világ egyensúlyát. De az uroborosz mítoszát az egész világon dokumentálták, beleértve az ókori Egyiptomot is. (1)
(1) - https://www.sciencealert.com/how-did
