A Mindenség elmélete

A távoli, az elérhetetlen, az ismeretlen utáni kíváncsiság egyidős az emberiséggel. A folyton változó égbolt, a feltűnő égi jelenségek csodálattal, gyakran félelemmel töltötték el az embert barlanglakó korától kezdve. Az ókori Kelet öntözéses kultúráiból kialakuló első társadalmakban a tudás csúcspontját, az életben maradás legfontosabb feltételét az égi jelenségek ismerete jelentette. Nem véletlenül - a sivatagban az öntözéses földművelés alapjául szolgáló időmérést egyedül a csillagok állása alapján lehetett pontosan megvalósítani, a nap- és holdfogyatkozások, bolygóegyüttállások előrejelzése pedig a társadalomban fontos szerepet betöltő vallást szolgálta. Az ókori görög kultúrában végbement kimagasló szellemi fejlődésben központi szerepet játszott az akkor ismert világmindenség - a Nap, a Hold, az öt, szabad szemmel látható bolygó és a csillagok - megismerése és megértése. A végtelen vízen lebegő lapos Föld képzetétől ekkor jutott el az ember a világűrben keringő, gömb alakú égitestek alkotta világképhez. A középkori Európában Kopernikusz, Kepler, Galilei, Newton és sok más zseniális tudós fejlesztette tovább a görög örökséget, megteremtve ezzel a modern természettudomány alapjait. De a világról alkotott kép ezen négyezer éves út alatt nem lépett túl a Naprendszer határain - erre csak a nagy csillagászati távcsövek alkalmazása után nyílhatott mód, a XVIII-XIX. századtól.

Newton már 1670-ben megsejtette, hogy az általa felismert gravitációnak központi szerepe van a világmindenség szerkezetének kialakításában. Rájött, hogy a tömegvonzás miatt a világ nem lehet egyszerre véges méretű és statikus, ekkor ugyanis a gravitáció idővel minden anyagot egy pontba húzna össze. Ennek kikerülésére alkotta meg a végtelen világmindenség képét, amelyben az anyag sűrűsége egyenletes - ebben az esetben a minden irányból ható vonzóerők egyformák, így kiejtik egymást. A XX. század elejére azonban nyilvánvalóvá vált, hogy a newtoni univerzum képe nem egyeztethető össze a megfigyelésekkel. A végtelen univerzumban az égbolt nem lehetne sötét, mert a végtelen sok csillag összfényessége is végtelenné válna (ez az ún. Olbers-paradoxon). A távcsöves megfigyelések (elsősorban William Herschel, Harlow Shapley és Edwin Hubble munkája nyomán) ugyanakkor rávilágítottak, hogy a Naprendszernél sokkal nagyobb struktúrák is léteznek - a csillagok egyáltalán nem egyenletesen oszlanak el a térben, hanem gigantikus méretű, forgó tányérhoz hasonló képződményeket, ún. galaxisokat alkotnak. Ezek a galaxisok kb. százezer fényév átmérőjűek, és több millió fényév távolság választja el őket egymástól. A statikus világképre a végső csapást Hubble 1930-as felfedezése mérte: minden galaxis távolodik a mi galaxisunktól, a Tejútrendszertől, méghozzá úgy, hogy minél távolabb van, annál gyorsabban. Ezzel megszületett a táguló univerzum képe, egyben a modern kozmológia alapproblémája: miért és hogyan tágul az univerzum?

A kozmológia a világegyetem egészének szerkezetét, viselkedését kutató tudományterület. A modern kozmológia elméleti hátterét elsősorban a gravitáció mai elmélete, az Einstein-féle általános relativitáselmélet és a kvantumtérelméleten alapuló modern részecskefizika jelenti. Ezek a magas szintű matematikára épülő elméletek azonban rávilágítottak, hogy a világ elvileg végtelen sokféle felépítésű és viselkedésű lehet - azt, hogy ezek közül melyik felel meg a mi világunknak, megfigyelésekkel lehet eldöntetni. Ez a csillagászat feladata.

A COBE-műhold
(www.umich.edu/~gs265/bigbang.htm)

A világegyetem tágulásának felismerése után a XX. század második felében legalább három döntő jelentőségű, újabb felfedezés született, melyek alapvetően befolyásolták a kozmológia fejlődését. Az első az ún. kozmikus háttérsugárzás felfedezése volt a 60-as években. Ez a minden irányból egyenletesen érkező, 2,7 K hőmérsékletű sugárzás az univerzum nagyon korai korszakából származik. A második felfedezés már a közelmúltban, a 90-es években történt: a COBE-műhold érzékeny antennái kimutatták, hogy a háttérsugárzás nem teljesen egyenletes minden irányban, hanem igen kicsi ingadozások találhatók benne. Ezt az eredményt igazolta és pontosította már a XXI. század elején a WMAP-űrtávcső: a WMAP adataiból az első galaxisok formálódásához szükséges anyagcsomósodásokat tanulmányozzák a kutatók. A harmadik eredmény 1996-ban látott napvilágot: a csillagászok nagyon távoli galaxisokban felrobbanó csillagokat, ún. szupernóvákat észleltek, melyek távolságának méréséből kiderült, hogy az univerzum tágulása egyre gyorsul! Ez a megdöbbentő felfedezés új távlatokat nyitott a kozmológiai elméletek számára. Mindezeket egybevetve nyugodtan mondhatjuk: a XX. század gyökeresen átformálta a világmindenségről alkotott elképzelésünket.

A WMAP-űrtávcső
(map.gsfc.nasa.gov/m_ig/990293/990293.html)

Frei Zsolt és Patkós András "Inflációs kozmológia" című könyve ezekre az izgalmas kérdésekre adható válaszokat elemzi, nagyfokú igényességgel és alapossággal. A cím talán magyarázatra szorul (amit a szerzők természetesen megtesznek), ugyanis az infláció a kozmológiában egészen mást jelent, mint a közismert pénzügyi folyamat: az infláció a világegyetem olyan állapota, amikor (a maitól gyökeresen eltérő viszonyok között) nagyfokú taszítóerő jelent meg, ami rövid ideig a tér igen gyors tágulásához vezetett. Az, hogy az univerzum fejlődésének volt egy ilyen inflációs szakasza, szintén a közelmúlt egyik fontos felfedezése - enélkül igen nehéz lenne megmagyarázni, hogy miért olyan hasonlóak a világegyetem térben nagyon távoli tartományai, illetve miért ennyire euklideszi (azaz nem görbült) a téridő a mi univerzumunkban.

Mint ahogy a szerzők is írják a bevezetésben, ez a könyv elsősorban egyetemi tankönyv, tehát nagyban eltér a közelmúltban magyarul megjelent, számos kozmológiai témájú ismeretterjesztő műtől. Nem célja a különféle versengő elméletek leegyszerűsített, népszerűsítő bemutatása, netán reklámozása, ehelyett az alapvető ismeretanyag és a legújabb eredmények egységes, precíz ismertetését és elemzését tartalmazza. A tárgyalásmód egyetemi szintű matematikára épül, főként az általános relativitáselmélet, a statisztikus fizika és a kvantumtérelmélet használatával, ugyanakkor kitűnik a szerzők sokéves tapasztalata az egyetemi oktatásban: nem merülnek el az egyes elméletek matematikai mélységeiben, nem "halnak meg a szépségben", hanem a minél világosabb, egyszerűbb tárgyalásra törekednek, csak a megértéshez feltétlenül szükséges mennyiségben és mélységben használják a matematikát. A korai univerzumban uralkodó extrém fizikai körülményekre vonatkozó elméleti vizsgálatok mellett hangsúlyozott szerepet kap a szupernóvákra alapozott távolságmérési eljárás, a háttérsugárzás anizotrópiájára, illetve a galaxisok nagy léptékű eloszlására vonatkozó megfigyelési programok ismertetése. Ezt a több szempontból is hiánypótló könyvet forgatva a magyar kutatók, egyetemi hallgatók valóban a legmodernebb ismeretekre tehetnek szert, lényegesen megkönnyítve ezzel bekapcsolódásukat a nemzetközi csillagászati és kozmológiai kutatásokba - ami a szerzők nem titkolt célja is ezzel a kötettel. 


Vinkó József

Természet Világa, 136. évfolyam, 10. szám, 2005. október
http://www.termeszetvilaga.hu/
http://www.chemonet.hu/TermVil/