Home Tudomány és technológia Hogyan keletkezhetett a világ a semmiből?

Hogyan keletkezhetett a világ a semmiből?

0

Egyes fizikusok úgy vélik, hogy az univerzum kezdete és vége valójában ugyanaz lehet.

Az utolsó csillag lassan kihűl és elhalványul. Elmúlásával az univerzum ismét ürességgé válik, fény, élet és értelem nélkül. Így figyelmeztetett Brian Cox fizikus a BBC Universe című sorozatában. Az utolsó csillag elhalványulása csak egy végtelenül hosszú, sötét korszak kezdete lesz. Végül minden anyagot felemésztenek majd a monstre fekete lyukak, amelyek a maguk részéről a leghalványabb fényfoszlányokká párolognak el. A tér egyre jobban kitágul, amíg még ez a halvány fény is túlságosan szétszóródik ahhoz, hogy kölcsönhatásba lépjen. Az aktivitás megszűnik.

Vagy megszűnik? Furcsa módon egyes kozmológusok úgy vélik, hogy egy korábbi, hideg, sötét, üres világegyetem, mint amilyen a mi távoli jövőnkben van, lehetett a mi saját ősrobbanásunk forrása.

Az első anyag

De mielőtt erre rátérnénk, nézzük meg, hogyan keletkezett először az anyag- a fizikai anyag. Ha az atomokból vagy molekulákból álló stabil anyag eredetét akarjuk megmagyarázni, akkor az ősrobbanáskor – és az azt követő több százezer évben sem – biztosan nem volt ilyen. Valójában elég részletes ismereteink vannak arról, hogyan alakultak ki az első atomok egyszerűbb részecskékből, miután a körülmények eléggé lehűltek ahhoz, hogy az összetett anyag stabil legyen, és hogyan fuzionáltak ezek az atomok később a csillagokban nehezebb elemekké. De ez a megértés nem ad választ arra a kérdésre, hogy valami a semmiből jött-e létre.

Gondolkodjunk hát tovább. Az első hosszú élettartamú anyagrészecskék a protonok és a neutronok voltak, amelyek együttesen alkotják az atommagot. Ezek körülbelül egy tízezredmásodperccel az ősrobbanás után jöttek létre. Ezt megelőzően a szó ismert értelmében vett anyag nem létezett. A fizika azonban lehetővé teszi számunkra, hogy visszafelé haladjunk az idővonalon – olyan fizikai folyamatokig, amelyek megelőztek minden stabil anyagot.

Mostanra már jócskán a spekulatív fizika területén járunk, mivel nem tudunk elég energiát előállítani a kísérleteinkben ahhoz, hogy megvizsgáljuk, milyen folyamatok zajlottak akkoriban. Egy lehetéges hipotézis azonban az, hogy a fizikai világ rövid életidejű elemi részecskék – köztük a kvarkok, a protonok és neutronok építőkövei – leveséből állt. Nagyjából egyenlő mennyiségben volt anyag és “antianyag” is: minden egyes anyagrészecske-típusnak, mint például a kvarknak, van egy antianyag tükörképe, amely közel azonos önmagával, és csak egy aspektusban különbözik tőle. Az anyag és az antianyag azonban egy villanásnyi energiával megsemmisül, amikor találkoznak, ami azt jelenti, hogy ezek a részecskék folyamatosan keletkeztek és megsemmisültek.

De hogyan jöttek létre ezek a részecskék egyáltalán? A kvantumtér-elmélet azt mondja, hogy még az állítólag üres téridőnek megfelelő vákuum is tele van fizikai aktivitással energiaingadozások formájában. Ezekből az ingadozásokból részecskék bukkanhatnak elő, hogy aztán röviddel később eltűnjenek. Ez inkább hangozhat matematikai furcsaságnak, mint valódi fizikának, de ilyen részecskéket számtalan kísérletben észleltek már.

A téridő vákuumállapota forrong a látszólag a semmiből folyamatosan keletkező és megsemmisülő részecskéktől. De talán mindez valójában csak annyit mond, hogy a kvantumvákuum (a neve ellenére) inkább valami, mint semmi. David Albert filozófus emlékezetesen bírálta az ősrobbanásról szóló olyan beszámolókat, amelyek azt ígérik, hogy a semmiből így lesz valami.

És hogyan keletkezett maga a téridő? Akkor tovább forgathatjuk az órát, még tovább, a valóban ősi Planck-korszakba – a világegyetem történetében olyan korai időszakba, hogy a legjobb fizikai elméleteink is összeomlanak. Ez a korszak mindössze egy tízmilliomod trilliomod trilliomod trilliomod másodperccel az ősrobbanás után következett be. Ezen a ponton a tér és az idő maga is kvantumingadozásoknak lett kitéve. A fizikusok általában külön dolgoznak a kvantummechanikával, amely a részecskék mikrovilágát uralja, és az általános relativitáselmélettel, amely a nagy, kozmikus léptékekre vonatkozik. A Planck-korszak valódi megértéséhez azonban szükségünk van a kvantumgravitáció teljes elméletére, amely a kettőt egyesíti.

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 emergensnek tekintik, mint a hullámokat a mély óceán felszínén. Amit mi térként és időként tapasztalunk, az mélyebb, mikroszkopikus szinten működő kvantumfolyamatok terméke – olyan folyamatoké, amelyeknek számunkra, a makroszkopikus világban gyökerező lények számára nincs sok értelme.

A Planck-korszakban a térről és az időről alkotott hétköznapi felfogásunk összeomlik, így az ok és okozatról alkotott hétköznapi felfogásunkra sem támaszkodhatunk többé. Ennek ellenére a kvantumgravitáció minden jelölt elmélete leír valami olyan fizikai dolgot, ami a Planck-korszakban történt – a közönséges tér és idő valamilyen kvantumos előzményét. De honnan származik ez?

Még ha a kauzalitás már nem is érvényesül a hétköznapi módon, akkor is lehetséges lehet, hogy a Planck-korszak univerzumának egyik összetevőjét egy másik összetevőjével magyarázzuk. Sajnos mostanra még a legjobb fizikánk sem tud teljes mértékben választ adni. Amíg nem teszünk további előrelépéseket a “mindenek elmélete felé”, addig nem tudunk végleges választ adni. A legtöbb, amit jelenleg magabiztosan kijelenthetünk, hogy a fizika eddig nem talált olyan megerősített esetet, amikor valami a semmiből keletkezett volna.

Ciklusok a majdnem semmiből

Ahhoz, hogy valóban választ kapjunk arra a kérdésre, hogyan keletkezhet valami a semmiből, meg kellene magyaráznunk az egész világegyetem kvantumállapotát a Planck-korszak kezdetén. Minden erre irányuló kísérlet továbbra is erősen spekulatív. Némelyikük természetfeletti erőkre, például egy tervezőre hivatkozik. Más magyarázatjelöltek azonban a fizika területén belül maradnak – mint például a multiverzum, amely végtelen számú párhuzamos univerzumot tartalmaz, vagy a világegyetem ciklikus modellje, amely megszületik és újjászületik.

A 2020-ban Nobel-díjjal kitüntetett Roger Penrose fizikus a ciklikus univerzum egyik érdekes, de ellentmondásos modelljét, a konformális ciklikus kozmológiát hírdeti. Penrose-t egy érdekes matematikai kapcsolat inspirálta a világegyetem nagyon forró, sűrű, kicsi állapota – amilyen az ősrobbanáskor volt – és a világegyetem rendkívül hideg, üres, kitágult állapota – amilyen a távoli jövőben lesz – között. Az ő radikális elmélete ennek a megfelelésnek a megmagyarázására az, hogy ezek az állapotok matematikailag azonosak lesznek, ha a határértékükre viszik őket. Bármennyire is paradoxnak tűnhet, az anyag teljes hiánya képes lehetett volna létrehozni mindazt az anyagot, amit a világegyetemünkben körülöttünk látunk.

E nézet szerint az ősrobbanás egy majdnem semmiből keletkezett. Ez az, ami megmaradt, amikor az univerzumban lévő összes anyag fekete lyukakká emésztődött, amelyek viszont fotonokká forrnak szét – elveszve az ürességben. Az egész világegyetem tehát valamiből keletkezik, ami – egy másik fizikai nézőpontból nézve – a lehető legközelebb áll a semmihez. De ez a semmi mégis egyfajta valami. Ez még mindig egy fizikai világegyetem, bármennyire is üres.

Hogyan lehet ugyanaz az állapot az egyik nézőpontból hideg, üres világegyetem, egy másik nézőpontból pedig forró, sűrű világegyetem? A válasz egy bonyolult matematikai eljárás, a konformális átskálázás, egy olyan geometriai transzformáció, amely valójában megváltoztatja egy tárgy méretét, de az alakját változatlanul hagyja.

Penrose megmutatta, hogyan lehet a hideg sűrű állapotot és a forró sűrű állapotot ilyen átskálázással úgy egymáshoz viszonyítani, hogy a téridejük alakját tekintve megegyeznek – bár a méretüket tekintve nem. Bevallottan nehéz felfogni, hogyan lehet két objektum ilyen módon azonos, ha különböző méretűek – de Penrose szerint a méret mint fogalom ilyen szélsőséges fizikai környezetben értelmét veszti.

A konformális ciklikus kozmológiában a magyarázat iránya az öreg és hidegből a fiatal és forró felé halad: a forró sűrű állapot a hideg üres állapot miatt létezik. Ezekben a szélsőséges állapotokban azonban nem csak a méret szűnik meg relevánsnak lenni: az idő is. A hideg sűrű állapot és a forró sűrű állapot valójában különböző idősíkokon helyezkedik el. A hideg üres állapot egy megfigyelő szemszögéből nézve örökké folytatódna a saját időgeometriájában, de a forró sűrű állapot, amelyet létrehoz, ténylegesen egy új, teljesen saját idővonalon lakik.

Talán segíthet megérteni, hogy a forró sűrű állapot a hideg üres állapotból keletkezik valamilyen nem kauzális módon. Talán azt kellene mondanunk, hogy a forró, sűrű állapot a hideg, üres állapotból keletkezik, vagy abban alapozódik meg, vagy abban valósul meg. Ezek jellegzetesen metafizikai gondolatok, amelyeket a filozófusok alaposan megvizsgáltak, különösen a kvantumgravitáció összefüggésében, ahol a közönséges ok és okozat látszólag összeomlik. Tudásunk határainál a fizika és a filozófia nehezen választható szét.

Kísérleti bizonyítékok

A konformális ciklikus kozmológia részletes, bár spekulatív válaszokat kínál arra a kérdésre, hogy honnan származik az ősrobbanás. De még ha Penrose vízióját igazolja is a kozmológia jövőbeli fejlődése, azt gondolhatnánk, hogy akkor sem kapnánk választ egy mélyebb filozófiai kérdésre – arra a kérdésre, hogy honnan származik maga a fizikai valóság. Hogyan jött létre a ciklusok egész rendszere? Akkor végül is eljutunk ahhoz a puszta kérdéshez, hogy miért van valami, és miért nincs semmi – a metafizika egyik legnagyobb kérdéséhez.

De mi itt olyan magyarázatokra összpontosítunk, amelyek a fizika területén belül maradnak. A ciklusok keletkezésének mélyebb kérdésére három nagy vonalakban három lehetőség kínálkozik. Lehet, hogy egyáltalán nincs fizikai magyarázat. Vagy lehetnek végtelenül ismétlődő ciklusok, amelyek mindegyike egy-egy saját univerzum, és minden egyes univerzum kezdeti kvantumállapotát az előző univerzum valamely tulajdonsága magyarázza. Vagy lehet egyetlen ciklus és egyetlen ismétlődő világegyetem, amelynek kezdetét a ciklus végének valamilyen tulajdonsága magyarázza. Az utóbbi két megközelítés elkerül minden ok nélküli esemény szükségességét – és ez adja a sajátos vonzerejüket. Semmi sem maradna megmagyarázatlanul a fizika számára.

Penrose végtelen új ciklusok sorozatát képzeli el, részben a kvantumelmélet általa preferált értelmezéséhez kapcsolódó okokból. A kvantummechanikában egy fizikai rendszer egyszerre sok különböző állapot szuperpozíciójában létezik, és csak véletlenszerűen választ egyet, amikor mérjük. Penrose szerint minden ciklusban a véletlenszerű kvantumesemények másképp alakulnak – vagyis minden ciklus különbözik az előtte és utána lévőktől. Ez tulajdonképpen jó hír a kísérleti fizikusok számára, mert talán lehetővé teszi, hogy a Planck műhold által észlelt, az ősrobbanásból visszamaradt sugárzás halvány nyomain, vagyis anomáliáin keresztül bepillantsunk a régi világegyetembe, amelyből a miénk keletkezett.

Penrose és munkatársai úgy vélik, hogy ezeket a nyomokat már felfedezték, és a Planck-adatokban található mintázatokat a korábbi univerzumban lévő szupermasszív fekete lyukak sugárzásának tulajdonítják. Állítólagos megfigyeléseiket azonban más fizikusok megkérdőjelezték, és a zsűri még nem döntött.

A végtelen új ciklusok kulcsfontosságúak Penrose saját elképzelésében. De van egy természetes módja annak, hogy a konformális ciklikus kozmológiát a többciklusosból egyciklusos formába alakítsuk át. Ekkor a fizikai valóság egyetlen körforgásból áll, amely az ősrobbanáson keresztül a távoli jövőben egy maximálisan üres állapotig tart – majd ismét ugyanahhoz az ősrobbanáshoz vezet, és újra és újra ugyanazt a világegyetemet hozza létre.

Ez utóbbi lehetőség összhangban van a kvantummechanika egy másik értelmezésével, amelyet sokvilág-értelmezésnek nevezünk. A sok-világ-értelmezés azt mondja, hogy minden egyes alkalommal, amikor egy szuperpozícióban lévő rendszert mérünk, ez a mérés nem véletlenszerűen választ ki egy állapotot. Ehelyett a mérés eredménye, amit látunk, csak egy lehetőség – az, amely a saját univerzumunkban lejátszódik. A többi mérési eredmény egy multiverzum más univerzumaiban játszódik le, amelyek gyakorlatilag el vannak vágva a miénktől. Tehát nem számít, milyen kicsi az esélye annak, hogy valami bekövetkezik, ha ennek az esélye nem nulla, akkor az egy kvantumos párhuzamos világban történik. Példéul vannak hozzád hasonló emberek más világokban, akik nyertek a lottón, vagy akiket egy tájfun felhők közé sodort, vagy akik spontán meggyulladtak, vagy mindhárom egyszerre történt meg.

Egyesek úgy vélik, hogy az ilyen párhuzamos univerzumok a kozmológiai adatokban is megfigyelhetők, mint a miénkkel ütköző másik univerzum okozta lenyomatok.

A sok-világ kvantumelmélet új fordulatot ad a konformális ciklikus kozmológiának, bár Penrose nem ért egyet vele. A mi ősrobbanásunk egyetlen kvantum-multi-világegyetem újjászületése lehet, amely végtelenül sok különböző, együttesen előforduló univerzumot tartalmaz. Minden lehetséges megtörténik – aztán újra és újra és újra és újra.

Egy ősi mítosz

Egy tudományfilozófus számára Penrose víziója lenyűgöző. Új lehetőségeket nyit meg az ősrobbanás magyarázatára, túlmutatva a hétköznapi ok-okozati összefüggéseken. Ezért nagyszerű próbatétel a fizika különböző módjainak feltárásához, amelyekkel a fizika magyarázhatja világunkat. Több figyelmet érdemel a filozófusok részéről.

A mítoszok szerelmese számára Penrose víziója gyönyörű. Penrose által kedvelt többciklusos formában végtelen új világokat ígér, amelyek az elődök hamvaiból születnek. Az egyciklusos formában az ouroborosz, vagyis a világkígyó ókori eszméjének lenyűgöző modern újjáéledését jelenti. Az északi mitológiában a Jormungandr kígyó Loki, az agyafúrt szélhámos és az óriás Angrboda gyermeke. Jormungandr felfalja saját farkát, és a keletkezett kör fenntartja a világ egyensúlyát. De az Ouroborosz-mítosz az egész világon dokumentálva van – többek között egészen az ókori Egyiptomig visszamenőleg.

Az egyetlen ciklikus világegyetem ouroborosza valóban fenséges. A gyomrában benne van a mi világegyetemünk, valamint a kvantumfizika által megengedett minden egyes furcsa és csodálatos alternatív lehetséges világegyetem – és azon a ponton, ahol a feje a farkával találkozik, teljesen üres, ugyanakkor százezer-millió-milliárd-milliárd billió Celsius-fokos hőmérsékletű energiával árad. Még Lokit, az alakváltót is lenyűgözné.

Fotó