Bár a Big Bang-modellek a mai kozmológia kifejezései, maga a tudomány messze nem új: bármilyen messze megyünk is vissza az antikvitásban, a tekintetek és a gondolatok mindig az Ég, a Világ, a Kozmosz, a Világegyetem felé fordultak. A világegyetemmel mint egésszel foglalkozó kozmológia kétségkívül arról a helyr+l is mond valamit, amelyet mi ebben az egészben elfoglalunk.
A mai modern tudomány eredetét leggyakrabban Galilei és Newton korára vezetik vissza. A tudományos kozmológia is ekkor született. A huszadik század aztán felforgatta ezt a tudományos kozmológiát, amennyiben relativizálta és modellek formájában konkretizálta, különös tekintettel a Big Bang-modellek családjára. Nem egyetlen modellr+l van szó ugyanis, nem egyetlen, teljesen megmerevedett látásmódról, amelyet a világegyetemr+l és fejl+désér+l alakítottunk ki, sokkal inkább lehetséges leírások együttesér+l, amelyek nemcsak közös karakterjegyeikkel, hanem különbségeikkel is jellemezhet+k. Az asztrofizikusok és kozmológusok jelenlegi munkájának nagy része éppen abban áll, hogy megvizsgálják, a Big Bang-modellek osztályában melyek írják le legjobban a világegyetemet. Azt is folyamatosan kutatják, mindmáig egyre nagyobb sikerrel, hogy mennyiben érvényes a modelleknek ez az osztálya.

A világegyetem

A kozmológia tárgya maga a világegyetem fogalma abban az értelemben, ahogyan ma felfogjuk. Ez azonban a 17. századnál korábbra nem nyúlik vissza: akkor ismerték és fogadták el a világ egységes voltát. Az antikvitás a miénkt+l er+sen eltér+ világot írt le: ez inkább hierarchizált volt, mint egységes, igencsak csekély kiterjedéssel rendelkezett, és nagyon kicsi volt ahhoz képest, amilyennek ma látjuk – hiszen a Naprendszerre korlátozódott. Az + világuk hierarchikusan egymásra épül+ gömbhéjakból állt, amelyek a világ középpontjában lév+ Föld körül helyezkedtek el: a Hold, a Nap, a bolygók szférája, egészen az állócsillagok gömbhéjáig. Ez alkotta a világ határát, amely így véges volt és korlátozott.
Ezek az elképzelések, amelyeket alapjában Platón és Arisztotelész fogalmazott meg, majd számos matematikus, mértanász és csillagász dolgozott rajtuk, közel két évezreden át uralkodtak. A püthagorászi eredet§ gondolatot, a kör és a gömb kiváltságos helyzetét Platón vette át és fejlesztette tovább. Ezek a nagy mértékben szimmetrikus alakzatok meghatározó szerepet játszottak, és megfeleltek annak az igénynek, hogy egy harmonikus világot harmonikus módon írjanak le. A tétel kétezer éven át tartotta magát – minden égi folyamatot a forgásban lév+ gömbök és körök kombinációjával kellett leírni –, egészen addig, amíg Johannes Kepler fel nem fedezte a bolygók pályájának elliptikus jellegét. Ez a 16–17. század fordulópontján bekövetkez+ esemény volt az els+ kozmológiai forradalom egyik leglényegesebb összetev+je. Az egyre er+teljesebb mozgalom a reneszánsz után kezd+dött (számos el+futára volt, így Nicolaus Oresmus, Nicolaus Cusanus és így tovább), és a 17. század végéig tartott. Newton tette fel rá az utolsó ecsetvonást a Principiával, amely számos el+futár munkásságának szintézise volt (Girodano Bruno, Nikolausz Kopernikusz, Tycho Brahe, Johannes Kepler, Galilei stb.). Megvetette az égi mechanika, az asztronómia, a kozmológia alapját, és megteremtette a modern fizikát.
A 17. század világegyeteme sokkal tágasabb, mint az antikvitásé volt. Nem áll meg az állócsillagok gömbhéjánál, nem korlátozódik a Naprendszerre: a csillagok nem egyenl+ távolságra vannak t+lünk, hanem az egész §rben oszlanak szét. Kopernikusz a világ középpontját a Földr+l a Napra helyezi, Newton azonban már azt is tagadja, hogy a világnak volna középpontja. Ma is így gondoljuk: a középpont nélküli világban minden pont egyenérték§, egyiknek sincs kiemelked+ jelent+sége. A világ mint egységes világegyetem homogén. Ez azt jelenti, hogy a világegyetemben minden pont egyenrangú, és a fizika törvényei mindig és mindenütt azonosak. Ez az univerzalitás-gondolat (fizikai törvények, mozgások, az anyag összetétele) teszi lehet+vé a fizikát és az asztrofizikát. Az univerzalitás, az univerzum-fogalom garantálja, hogy egy adott helyen lefolytatott kísérlet eredménye ugyanaz lesz, mint egy másik helyen lefolytatott kísérleté; hogy az eredmények akkor is ugyanazok lesznek, ha a kísérleteket másik napon végezzük el.
A világegyetem gondolata, mint a korszakban született sok más új gondolat is, szembefordul az arisztotelészi elképzelésekkel: a világnak nincs többé középpontja, megsz§nik a Föld privilegizált helyzete, az §r többé nem korlátozott, nem zárt, nincs többé körkörös mozgás. A világegyetemet immár nem négy elem alkotja (föld, víz, leveg+, t§z), hanem kis részecskék (visszatérés az atomizmushoz). Összetétele mindenütt ugyanaz, mint azt a 19. századi asztrofizikusok bebizonyítják. Az anyag ugyanaz a Földön, a csillagokban, a galaxisokban, a csillagközi térben stb. A gravitáció törvényei, az elektromágnesesség, a kvantumfizika, a relativitás mindenütt érvényesül.

Tér, id+, tér-id+

Newton állapítja meg a tér és az id+ tulajdonságait. A fizikának ez a szilárd kerete geometriai néz+pontból szemlélve azonos a világegyetemmel. A newtoni fizika sikert sikerre halmoz három évszázadon keresztül, és még ma is igen hatékony számos probléma megoldásában.  Megkérd+jelezéséhez a 20. század elején, csakúgy, mint a relativizmus-elméletek megjelenéséhez tisztán fogalmi és nem megfigyelési vagy kísérleti nehézségek vezetnek – a megfigyelési eredmények el+rejelzésében vagy értelmezésében semmi sem vonja kétségbe az elmélet érvényességét. 1917-ben az általános relativitáselmélet alapjaiban újítja meg a kozmológiát. Néhány évtizeddel kés+bb lép be a kvantumfizika, a 20. századi fizika kiegészít+ vonulata.
A 20. század elején tehát teljesen megújul a fizika, ami megalapozza az általános relativitáselméletre és az új megfigyelési eredményekre épül+ második kozmológiai forradalmat. A modern, relativista kozmológia, de különösen a Big Bang-modellek nem születtek volna meg az új elméletek és azok nélkül az új megfigyelési eredmények nélkül, amelyek a nagy teleszkópok alkalmazásához, a fényképezés és a spektroszkópia használatához köt+dnek (ez tette lehet+vé az olyan kis fény§, tehát nagyon távoli égitestek tanulmányozását, mint a galaxisok vagy a kvazárok). Az elmélet és a megfigyelés közeledése alapozta meg az új kozmológia kialakulását, és ez vezetett a Big Bang-modellek megszületéséhez.

A nagy világegyetem

A 19. század vége óta nagy vitában van az asztrofizikusok közössége a világegyetem kiterjedésér+l. A reneszánsz után a természetfilozófusok megértették, hogy sokkal messzebbre terjed ki, mint a Naprendszer, a csillagok egymástól különböz+ és hatalmas távolságokra oszlanak el benne. Lehet+vé vált, hogy szembesüljenek az igen nagy, s+t – mint azt néhány el+futár, például Giordano Bruno képzelte – a végtelen világegyetem tényével. A 19. század végén több csillagszámlálás is megértette az asztronómusokkal, hogy Naprendszerünk (a Nap nev§ csillag és bolygói) csak egy aprócska övezet egy sokkal kiterjedtebb csillagegyüttesen belül: galaxisunk, a Tejút több tucat vagy több százmilliárd csillagot foglal magába. A csillagászok megrajzolták a Tejút határait, és elhelyezték benne a Naprendszert. Többségük akkoriban úgy képzelte, hogy a Világegyetemet ez a galaxis alkotja. Rajta túl nincs semmi, csak az §r – se anyag, se csillagok. Néhányan azonban gyanították, hogy mégis van valami más is. Köztük a filozófus, Immanuel Kant, aki a 18. század végén azt vélelmezte, hogy léteznek más világegyetem-szigetek is. Látnokként vetítette el+re a mai világegyetem-felfogást galaxisok gyülekezetér+l, amelyek valóban mint egy szigetcsoport darabjai helyezkednek el az óceán közepén.
Ezek a kérdések egyre hevesebb vitákat váltottak ki a két század fordulóján. Az univerzumszigeteket vitatók érvei igen meggy+z+nek t§ntek, azonban hamarosan kiderült, hogy hibás megfigyelési eredményeken alapulnak. A vita 1924-ben véglegesen eld+lt, azoknak a megfigyeléseknek köszönhet+en, amelyek Edwin Hubble amerikai csillagász nevéhez f§z+dnek. A rendelkezésére álló nagy teleszkópokkal sikerült kimutatnia, hogy egy égitest, amelyet akkoriban Nagy Androméda-Ködnek neveztek, galaxisunkon kívül helyezkedik el, mi több, t+le igen nagy távolságra: nyilvánvalóvá vált, hogy a világegyetem jóval túlnyúlik a Tejútrendszeren, hogy kiterjedése hatalmas, sokkal nagyobb, mint a mi galaxisunk. Bebizonyosodott, hogy számos galaxis lakja: az Androméda-köd (ma Androméda-galaxisnak nevezik) csak egy közülük, amely nagyjából megfelel a mi galaxisunknak, ám több millió fényévre van t+lünk. Ezt követ+en a csillagászok ezernyi, milliónyi galaxist fedeztek fel, és hamarosan talán már a milliárdos nagyságrendnél tartanak. 1924-ben tehát a világegyetem hirtelen rendkívüli mértékben megn+tt, még ma sem igazán tudjuk, mekkorára. Még azt sem tudjuk, hogy a világegyetem véges vagy végtelen. Az általános relativitáselmélet, amely egy sajátosan új geometrián, az úgynevezett nem euklidészi geometrián alapul, tömegében és kerületét tekintve véges, ám határok nélküli világegyetemet tételez fel.

Relativista tágulás

A világegyetem tehát hatalmas, számos galaxis alkotja. Ez azonban csak az egyik eleme a ma is zajló kozmológiai forradalomnak. Egy sor megfigyelés, amely még a 19. századból származik és els+sorban az amerikai csillagász, Vesto Slipher nevéhez f§z+dik, felveti, hogy minden galaxis felt§n+ és globális mozgást végez. Mi több, meglep+ szabályosságok mutatkoznak ebben a mozgásban: valamennyien távolodnak egymástól, nincs olyan, amely közeledne a többihez (az igen ritka kivételeknek gyakorlatilag nincs jelent+ségük a modell szempontjából). És még valami: minél kevésbé fényes egy galaxis (azaz minél messzebb van t+lünk), látszólag annál gyorsabban távolodik. Ez egyfajta táguló mozgásra utal, amelynek kiterjedése, szabályossága és tulajdonságai messze meghaladják a galaxisok léptékét. A csillagászok gyorsan megértették, hogy itt kozmológiai lépték§ jelenségr+l van szó (amely a világegyetem egészét átfogja, nemcsak egyes részeit), ám nem tudták értelmezni a jelenséget. Számukra a tágulás még 1929-ben is tökéletes rejtély volt. Hubble ekkor fogalmazta meg híres törvényét, amely szerint a galaxisok távolságukkal egyenes arányban álló sebességgel távolodnak. A jelenség magyarázatát tulajdonképpen már 1927-ben megtalálta a belga csillagász, Georges Lemaître, ám a csillagászok csak 1930-ban szereztek róla tudomást. Lemaître kimutatta, hogy az általános relativitáselmélet egyenleteib+l következ+en a világegyetem vagy tágul, vagy sz§kül. Minthogy ismerte Slipher els+ megfigyelési eredményeit, úgy értelmezte +ket, mint a relativisztikus keretben felfogott világegyetem tágulásának megnyilvánulását.
Lemaître els+ eredményeinek, amelyeket 1927-ben egy belga folyóiratban tett közzé, jószerével semmiféle visszhangjuk nem volt; a kozmológusok még 1930-ban is azon töprengtek, hogyan értsék Slipher és Hubble eredményeit. 1931-ben aztán Georges Lemaître elküldte cikke másolatát egykori professzorának, Arthur Eddingtonnak. % tette újra közzé Lemaître eredményeit, amelyek végre méltó nyilvánosságot kaptak. Ekkor értette meg és fogadta el a világegyetem tágulását a csillagászok többsége (megjegyzend+, hogy a szovjet fizikus, Alexander Friedmann már 1922-ben ugyanezekre a megoldásokra jutott, noha nem kapcsolta +ket össze megfigyelési eredményekkel): a galaxisok megfigyelt mozgása, amely oly szabályos, oly hatalmas kiterjedés§, valóban kozmikus lépték§ és relativisztikus. Nem lehet lokális okra visszavezetni, azaz nem arról van szó, hogy a galaxisok vonzzák vagy taszítják egymást. Magának a világegyetemnek a tulajdonságáról van tehát szó, amely tökéletesen érthet+ és értelmezhet+ az általános relativitáselmélet keretei közt.
Ez az elmélet lényegében két alapvet+en új pontra támaszkodik. Az els+ (amely már a speciális relativitáselméletben is jelen van) feltételezi, hogy átfogóbb egységes entitásként értelmezzük az id+t és a teret, s ezt térid+nek nevezzük. Második pont: a térid+ geometriája deformált lehet, amelynek görbülete, topológiája van, és az id+ben változhat. Tulajdonképpen a térid+-geometria a tér tulajdonságainak valamennyi id+beli módosulását a térid+ görbületeként mutatja meg. Ez az el+nye ennek a megközelítési módnak: amit korábban id+beli módosulásnak tekintettek, most tisztán geometriai hatásnak tekintenek abban a geometriában, amely az id+dimenziót is magába foglalja. Ha tehát térid+-geometriáról beszélünk, akkor egyszerre beszélünk a tér geometriájáról és ennek id+beli fejl+désér+l. Ebben a keretben a kozmikus tágulás a térid+-geometria egyik geometriai aspektusaként jelenik meg.
Nem a galaxisok mozognak a térben, hanem maga a tér tágul, s vele mozognak a galaxisok, ahogy egy folyó áramlata is magával ránthatja a motor nélküli csónakot. A csónak mozdulatlan a vízhez képest; ugyanígy mozdulatlanok a galaxisok is, azaz inkább kölcsönös mozdulatlanságban vannak a térhez képest, amely magával rántja +ket. Bár közvetlenül nem láthatjuk ezt a téráramlatot, a relativitáselmélet számol ezzel a jelenséggel, és értelmet is ad neki: a tér tágul. Ennek tapasztalati felfedezése egybeesett a relativitáselmélet felállításával, amely elméleti értelmezési keretet adott hozzá.
Ha egyszer felismertük a tágulást, fizikai következményeit is meg kell állapítanunk. Georges Lemaître e tárgyban is el+futár volt a maga +satom-modelljével (1931). Akkoriban még nem ismerték sem az atomfizikát, sem a részecskefizikát, a kvantumfizikát is csak alig, így hát ezek az elképzelések még eléggé homályosak voltak. Ám az ismételten átdolgozott, módosított modellekb+l lettek a Big Bang-modellek. Saját korában Lemaître gondolatai csak igen csekély érdekl+dést váltottak ki, minthogy ellen+rzésük lehetetlen volt. S+t, kezdetben némi ellenállásba is ütköztek. A történelmi rálátás nyomán ma már világosan látszik a Big Banggal szemben megfogalmazott kritikák (még ma is létez+) dogmatizmusa, amely abból fakad, hogy roppant nehéz egy évszázadok óta érvényesnek hitt, csaknem mitikus gondolatot – az önmagával örökt+l fogva azonos, így mozdulatlan világot – revízió alá venni. A Big Bang ellenfelei, olykor a józan ész határán túl is, megpróbálták fenntartani azt a kozmológiai modellt, amely szerint a világegyetem örökt+l fogva azonos önmagával (stacionárius állapot), miközben a megfigyelések egyre világosabban igazolják a galaxisok távolodását és fejl+dését. Más kritikus szellemek (olykor ugyanazok, akik az el+bbi csoporthoz tartoznak) a Lemaître elképzelései és a Szentírás Fiat Lux-a közt meglév+ hasonlóságot hangsúlyozzák. Ebb+l következ+en konkordizmussal vádolják Lemaître-t, aki nemcsak fizikus volt, hanem katolikus pap is: szerintük vallási meggy+z+dését ültette át a fizikába. Igazságot kell szolgáltatnunk Lemaître-nek, aki szüntelenül védekezett a vád ellen. A Big Bang-modellek tudományos alapjait annál alaposabban er+sítették meg, minél er+sebb volt a velük szemben megfogalmazott kritika.
A Big Bang-modellek iránt az 1940-es években, azaz az atomfizika megjelenésével n+tt meg ismét az érdekl+dés. Az atomfizikusok megértették, hogy a modellek szerint a világegyetemnek át kellett esnie egy igen s§r§, igen forró és igen koncentrált állapoton, amely ideális feltételeket biztosított az atomreakciók lefolyásához. Minthogy a kémiai elemeket ezek a reakciók produkálják, nem lehetséges-e, hogy a világegyetemben megtalálható minden kémiai elem néhány igen távoli pillanatban jött létre, a forró Big Bang-modell szerint? Ma már tudjuk, hogy a válasz a kérdésre negatív, hiszen ezeknek az elemeknek nem lett volna idejük kialakulni. Ám a legkönnyebb elemek (a deutérium, a hélium, részben a lítium) valószín§leg tényleg így keletkeztek, a Big Bang-modellekre jellemz+ +si nukleoszintézis egyik epizódjaként. Ebben ma már biztosak vagyunk, minthogy ezeknek az elemeknek a világegyetembeli eloszlása megfelel a modellek el+rejelzéseinek.
A modellek iránt az 1960-as években n+tt meg ismét az érdekl+dés. Néhány princetoni fizikus a nukleáris reakciókra vonatkozó újabb számításokat végzett, és arra a következtetésre jutott, hogy ha a világegyetem története valóban ezeknek a modelleknek megfelel+en zajlott, ennek a roppant távoli múltnak, amelyben a világegyetem még igen forró és igen s§r§ volt, ma is kell hogy legyenek maradványai, méghozzá megfigyelhet+ „fosszilis” sugárzás formájában. Ez az elektromágneses sugárzás az egész világegyetemet el kell hogy árassza rádióhullámokkal. 1964-ben, amikor a princetoni fizikusok elkezdték megkonstruálni azt a szerkezetet, amellyel a sugárzást akarták kimutatni, két rádiócsillagász kollégájuk a Bell Telephone társaságnál (Penzias és Wilson, akik munkásságukért Nobel-díjat kaptak), egy rádiócsillagászati antenna tesztelése közben véletlenül fel is fedezte a sugárzást. El+ször kiküszöbölend+ zavaró sercegésnek tartották, mígnem rájöttek, hogy egy mindenütt jelen lév+ sugárzásról van szó. A sugárzás gyorsan bemért tulajdonságairól bebizonyosodott, hogy összhangban állnak a Big Bang-modellek el+rejelzéseivel. A tudományos közösség nagy csoportjai (bár nem az egésze) ekkor fogadták el a Big Bang-modelleket.

A Big Bang alapjai

A Big Bang-modellek szinte megkerülhetetlenek. A csillagászati megfigyelések és az általunk ismert fizikai törvények óhatatlanul hozzájuk vezetnek. Els+ helyen annak megállapításáról van szó, hogy a világegyetem hatalmas és galaxisokból áll; ezt 1924 óta a távoli galaxisok számtalan megfigyelése igazolta, amelyeket mind nagyobb teljesítmény§ teleszkópok segítségével végeztek el.
A kozmológusok leszögeztek egy alapvet+ elvet, a kozmológia elvét. Ez kinyilvánítja, hogy végleg elvet minden Kopernikusz el+tti koncepciót, és leszögezi, hogy minden pont ekvivalens: nincs középpont, nincs peremrész. A világegyetem homogén, s ez a homogenitás kozmikus léptékben értend+: lehet egy galaxis itt, és nem amott. Ám igen nagy léptékben, amely túlmegy a galaxisok halmazán vagy szuperhalmazán (azaz több tízmillió fényévben számol, ám még ez is igen kis távolság a kozmológiai skálán), nincs olyan övezet, ahol a galaxisok többé vagy kevésbé számosak és különböz+k volnának. Ez az elv tagad minden ember- vagy földközpontú felfogást. Azt is leszögezi, hogy a világegyetem izotróp: nemcsak hogy egyetlen sajátságos pontja nincs, de sajátságos iránya sincs. Nincs fent és lent, nincs középpont, tehát a középpont felé mutató irány sincs, nincs forgási tengely. Minthogy nincs olyan jel, amely ennek az ellenkez+jére utalna, ezt az elvet fogadták el a kozmológiai modellek megszerkesztéséhez.
Ám a Big Bang-modellek alapja a világegyetem tágulása maradt. Ez arra épül, amit Doppler-effektusnak neveznek: amikor egy tárgy (egy forrás) sugárzást bocsát ki, mi ezt a sugárzást magasabb frekvencián észleljük, ha a tárgy közeledik, és alacsonyabb frekvencián, ha távolodik. Amikor egy csillag vagy egy galaxis fényt bocsát ki (egyfajta sajátos elektromágneses sugárzást), amely eljut hozzánk, a fény hullámhossza eltolódik a kisebb vagy a nagyobb tartomány felé (a kék vagy a vörös felé), attól függ+en, hogy a forrás közeledik vagy távolodik hozzánk képest. Pontosan ezt figyelték meg: a vöröseltolódás annál er+teljesebb, minél távolabbi a galaxis. Egy galaxis spektrumában, azaz az általa kibocsátott fény felbontásánál a csillagászok tökéletesen felismerik az esetleges eltolódást a vörös vagy a kék felé. Vesto Slipher óta így mérik a galaxisok sebességét és állapítják meg a világegyetem tágulását. Néhány fizikus és asztrofizikus vitatta ezt az interpretációt, de nem tudtak helyette kielégít+ értelmezését nyújtani. A világegyetem tágulása tehát határozottan megállapított tény.
Mások azt sugallták, hogy a világegyetem fejl+dését nem a gravitáció, hanem valami más irányítja. Márpedig minden más ismert kölcsönhatásnak, például az elektromágnesességnek, igen korlátozott a hatóköre. Úgy t§nik tehát, hogy a világegyetemet valóban a gravitáció irányítja, amelyet szintén leír az általános relativitás elmélete (ez utóbbi hipotézis ma már vitatott: még ha a Naprendszer és bizonyos asztrofizikai rendszerek elemzése igazolja is, nincs véglegesen bizonyítva, hogy az egész világegyetemben érvényesülne. De pillanatnyilag nincs más elmélet, így ésszer§nek látszik elfogadni az érvényességét. Mindent egybevetve egy verseng+ elmélet beemelése valószín§leg nem módosítaná a Big Bang-modellek leglényegesebb vonásait).
Az általános relativitáselmélet a világegyetemet geometriai jellemz+kkel (f+ként görbülettel) rendelkez+ térid+ként írja le, amelyek magukban foglalják az id+beli fejl+dést is. Az általános relativitáselmélet szerint ezek a geometriai jellemz+k a világegyetem energiatartalmától függnek – Einstein egyenletei szerint. Például az anyag s§r§sége lassítja a tágulást. Attól függ+en, hogy a világegyetem többet vagy kevesebbet tartalmaz bel+le (átlagosan), azaz hogy többé vagy kevésbé s§r§-e az anyag, a tágulás is többé vagy kevésbé lassul (még az is megeshet, hogy gyorsul).
Ha elfogadjuk az általános relativitáselméletet és a fizika jól megalapozott törvényeit (elektromágnesesség, atomfizika, termodinamika, nukleáris fizika, asztronómia stb.), óhatatlanul eljutunk a Big Bang modelljeihez. Ha vitatni akarjuk +ket, és más modellel leírni a világegyetemet (amely modellt még ki kell találni), a mai fizika egész területeit kell megkérd+jeleznünk. Például a „stacionárius modell” hívei kénytelenek voltak új fizikai jelenségeket feltételezni: negatív tömeg§ részecskék jelenlétét, spontán anyagkeletkezést (a semmib+l). Ma kizárólag a Big Bang modelljei képesek leírni azt, amit megfigyeltünk; a verseng+ modellek valamennyi tételét kísérleti úton megcáfolták. Ám talán majd egyszer...

A Big Bang-modellek

Ezek a modellek mindenekel+tt azt mondják, hogy a világegyetem homogén, izotróp, és tágulásban van. Számítások és megfigyelések egybehangzóan igazolják, hogy ez a tágulás jelent+sebb változás nélkül zajlik meghatározott tU id+ óta, amelyet az univerzum korának nevezünk – ezt jelenleg mintegy 15 milliárd évre becsüljük (tekintettel a bizonytalanságokra, jobb azt mondani, hogy 10–25 milliárd évre). Ebb+l egyenesen következik, hogy a világegyetemben semmi sem lehet id+sebb tU id+nél. Márpedig a bolygók, csillagok, galaxisok korának becslése nagyjából minden értéket kiad 0 és 15 milliárd év közt. Nagy siker a Big Bangnek! Ugyanis ha maga a világegyetem nem 15 milliárd éves, mivel magyarázzuk, hogy egyetlen ennél id+sebb csillagot vagy galaxist sem tudunk megfigyelni?
A tágulás miatt a kozmikus anyag egyre nagyobb térfogatban található meg. Más szóval eloszlik, így – a fizika törvényeivel összhangban – kih§l. Ezzel egyidej§leg az eloszlást és a kih§lést lassú strukturálódás kíséri. Így a Big Bang-modellek a világegyetem történetét 15 millió éves tágulásként, szétoszlásként, kih§lésként és strukturálódásként írják le.
Minél messzebb megyünk vissza a múltban, a világegyetem annál koncentráltabb és melegebb volt, annál kevésbé strukturált. Ma már strukturált objektumokkal van tele, mikroszkopikus szinten éppúgy – atomok, molekulák, kristályok –, mint csillagászati méretekben: csillagok, galaxisok, bolygók. Közülük semmi sem létezett az +s-világegyetemben. A Big Bang-modellek lehet+vé teszik a világegyetem múltbeli fejl+désének rekonstruálását, a fizika törvényeinek segítségével. Ez két korszak megkülönböztetéséhez vezet el: az +s-világegyetem az els+ egymillió évnek felel meg; a következ+ korszak, az anyag korszaka sokkal hosszabb, és nagyjából 15 milliárd éve tart. Noha jóval rövidebb szakasz, az +s-világegyetem volt számos kozmikus fontosságú jelenség színhelye.
A két periódus közt a határt egy átmeneti id+szak jelzi. Ezt az igen fontos eseményt rekombinációnak nevezik. Az +s-világegyetem (az els+ egymillió év) átláthatatlan az elektromágneses sugarak számára: ebb+l a periódusból soha semmit sem figyelhetünk meg közvetlenül. Csak rekonstruálhatjuk a fizika törvényei alapján: ezt teszik a Big Bang-modellek. Az +s-világegyetem id+szakában alakultak ki el+ször az elemi részecskék, majd a legkönnyebb atommagok. A végén pedig, egészen pontosan a rekombinációs id+szakban, jöttek létre az els+ valódi atomok. Az +s-világegyetemet átitatta az elektromágneses sugárzás, amelynek energiája akkor nagymértékben meghaladta az anyagét (ma viszont a sugárzás energiája ezerszer kisebb az anyagénál). Az atomok még nem alakultak ki, az +s-világegyetemben még semmiféle struktúra nem létezett, néhány atommagtól eltekintve.
A rekombináció azt a pillanatot jelzi, amelyben a világegyetem átláthatóvá vált. Mindaz tehát, amit a csillagászok képesek megfigyelni, ennél kés+bbi fejlemény. Maga a rekombináció is igen érdekes esemény, mert ekkor jött létre a híres szórt háttérsugárzás, amelyet ma körülöttünk minden irányban megfigyelhetünk: az embernek az a benyomása, hogy egy hatalmas, egyenletes fényben csillogó gömb közepében vagyunk. A felszín mögött pedig ott van az átláthatatlan, megfigyelhetetlen világegyetem (a fény véges sebessége miatt ennek a „mögött”-nek térbeli és id+beli jelentése is van). A legutóbbi megfigyelések azt mutatták, hogy a sugárzás intenzitása az égbolton minden irányban azonos, néhány milliomodrész eltéréssel. Ez az egyik olyan er+s érv, amely igazolja, hogy csak a Big Bang-modellekkel írható le a sugárzás, amelyet e mellett a bámulatos egyöntet§ség mellett rendkívül sajátos energiaeloszlás is jellemez: a fekete test sugárzásának spektruma, amely a termikus egyensúlyi helyzet megnyilvánulása. A szórt háttérsugárzás megfigyelése tehát azt jelzi, hogy az igen távoli múltban az egész világegyetem termikus egyensúlyban volt – és a Big Bang-modellek pontosan ezt tételezik fel. A háttérsugárzás számos megfigyelési eredménye (köztük a leghíresebb megfigyelések, amelyeket a COBE m§hold végzett) egyre inkább meger+sítik a kivételes egybeesést a valóság és a Big Bang-modellek elméleti el+rejelzései közt.
A rekombináció után a világegyetem belép az anyag korszakába, ahol már kezd hasonlítani a mai állapotához. Az elektromágneses sugárzás elveszti befolyását az anyag javára, amely felhígul és kih§l, lassan megszervez+dik. Kialakulnak az atomok, a molekulák, a kristályok, a por. Ezeknek az objektumoknak egy része a mindenütt jelen lév+ gázzal (mindenekel+tt a hidrogénnel) együtt összetömörül, és megszületnek a galaxisok, a csillagok, a bolygók, a galaxishalmazok, egyszóval mindazok az objektumok, amelyeket a csillagászok ma megfigyelnek az univerzumban.

Kozmikus geometria

A fizika szempontjából így néz ki a világegyetem története. Ám nem egyetlen Big Bang-modell van, hanem egy egész családra való, amelynek tagjai geometriájuk bizonyos jellegzetességei alapján különböznek egymástól. Ennek a geometriának a térbeli aspektusa alapján három családot különíthetünk el, aszerint, hogy térbeli görbületük negatív, nulla vagy pozitív. A pozitív görbület§ tér háromdimenziós képe egy gömb felszínére hasonlít. A nulla görbület§ tér háromdimenziós képe egy síklapra hasonlít. Vannak ezen kívül negatív görbület§ terek, ezeket kevésbé ismerjük. Hogy a három változat közül melyikr+l van szó, azt csak a megfigyelés döntheti el. Azok az újabb állítások, amelyek szerint „a világegyetem sík”, annak a köztes változatnak felelnek meg, amely szerint a tér sík (a Big Bang-modellek elvileg térbeli topológiájuk alapján is megkülönböztethet+k). Egyébként a kozmikus tágulás törvénye alkotja a térid+-geometria id+-részét. A tágulás azt jelzi, hogy a térid+ nem lehet sík, még ha a tér az is.
Az általános relativitáselmélet elvileg azt is lehet+vé teszi, hogy megjósoljuk a világegyetem sorsát. Két lehet+ség mutatkozik, és egyel+re nem tudjuk megmondani, melyik a helyes. Az egyik lehet+ség, hogy a tágulás a végtelenségig folytatódik. A másik, hogy befejez+dik, és a világegyetem ismét összehúzódik, azaz a tágulással ellentétes folyamat megy végbe, amely nagyjából a Big Banghez hasonló véget ér. Ezt a véget big crunch-nak nevezik. Senki sem tudja, hogy ekkor mi történik, mint ahogy azt sem, mi történt az +s-világegyetem els+ pillanataiban. Lehet, hogy a világegyetem ismét tágulásnak indul. Lehet, hogy az lesz a vég...
Ma néhány jel arra utal, hogy a tágulás a végtelenségig folytatódik, s+t gyorsul. Ezt a feltételezést azonban igen óvatosan kell kezelnünk, minthogy nem tudjuk még pontosan, a Big Bang-modellek családjában mely modellek a legalkalmasabbak a világegyetem leírására. Asztrofizikusok és kozmológusok gondolkoznak a térbeli geometria görbületér+l és topológiájáról, a Hubble-állandó értékér+l, amely a tágulás aktuális fokát méri, a gyorsuló vagy lassuló tágulás törvényének pontos megfogalmazásáról, a tágulás jöv+jér+l, amely lehet örök is, de végz+dhet a big crunch-csal is.
A legmeglep+bb ezeknek az általános relativitáselméletre alapozott kozmológiai modelleknek a geometriai egyszer§sége. Hogy lehet az, hogy ennyire egyszer§ modellekkel ilyen jól le lehet írni egy olyan bonyolult dolgot, mint a világegyetem a maga globalitásában? Természetesen a választ erre a kérdésre nem maguk a modellek adják meg. Vannak, akik túl könnyen megfeledkeznek err+l, és emiatt bírálják a modelleket, de ennyi er+vel az egész fizikát kritizálhatnák, vagy éppen magát a tudományt mint olyat. %szintén szólva ha megpróbáljuk megérteni, miért m§köd+képes egy modell, akkor általánosabb síkra kell helyezkednünk, egyfajta szupermodell vagy szuperelmélet keretébe. Erre egyébként más okunk is van, ma ugyanis a két alapteória, az általános relativitáselmélet és a kvantumfizika összeegyeztethetetlen. Túl azon a kellemetlenségen, amelyet ez elméleti néz+pontból jelent, lehetetlenné teszi a fekete lyukak vagy az +s-világegyetem leírását is. A kutatások nagy er+vel folynak, hogy az általános relativitáselméletnél vagy a kvantumfizikánál átfogóbb elméletet találjunk, amely megközelít+leg mindkett+t magába foglalná (ahogy az általános relativitáselmélet magába foglalja a newtoni fizikát). Ez átfogóbb (kvantum?) kozmológiát eredményezhet, amely talán segítene megérteni a Big Bang-modellek megalapozottságának eredetét. Ez az új elmélet ma még ismeretlen, még ha vannak is érdekes kísérletek a megtalálására (kvantumkozmológia, szuperhúrok, szuperszimmetria).

A világ eredete?

El+adásomat nem fejezhetem be anélkül, hogy ne beszélnék a világ eredetér+l, amelyet sokan a Big Banghez társítanak. A kapcsolat azonban nem ilyen egyértelm§. Minthogy a világegyetem tágul, minden kozmikus dimenzió nagyobb lesz az id+ múlásával. A növekedést egy nagyságrendi tényez+ id+beli fejl+désével észleljük: minden kozmikus hosszúság n+ az id+vel, ezzel a tényez+vel arányosan. Az +smúlt felé közeledve ez a nagyságrendi tényez+ egyre kisebb lesz, olyannyira, hogy magától értet+d+en adódik a gondolat: volt egy pillanat, amikor az értéke nulla volt. Ezt a pillanatot olykor „mindennek a kezdetével” azonosítják, s néha Big Bangnek nevezik. %szintén szólva a fizika és a kozmológia egyáltalán nem jelez el+re ilyen pillanatot. Azt természetesen mindkett+ feltételezi, hogy a nagyságrendi tényez+ is, ahogy a kozmikus hosszúságok is, igen kicsik voltak (a maiakhoz viszonyítva), de nem nulla érték§ek. Semmiféle olyan eseményt nem tudunk leírni, amely egy kozmikus robbanásnak felelne meg. A múlt rekonstruálása nem vihet+ el egy hipotetikus zéró pillanatig, mert az +s-univerzum igen magas s§r§sége, energiája, h+mérséklete túln+ a mai fizika keretein: azt feltételezik, hogy a kvantum- és relativitáshatásoknak egyidej§leg kellett volna m§ködniük, márpedig egy ilyen helyzettel a mai fizika nem tud mit kezdeni (az említett összeegyeztethetetlenség miatt). Lehetetlen megnyújtani a múlt rekonstrukcióját a „nemtudás korlátain” túlra (ahol nincs egyetlen beazonosítható speciális kozmikus esemény sem, és ismerethiányunk itt kezd+dik). Ezt Planck-határnak nevezzük, a Planck-állandó nyomán, amely a kvantumjelenségeket határozza meg.
A kvantumfizika feltételezi, hogy minden dinamikus mennyiség fluktuál. Az általános relativitás feltételezi, hogy a tér és az id+ dinamikus mennyiség. Térnek és id+nek tehát egyaránt fluktuálnia kell, méghozzá az egész világegyetemre nézve (amely akkoriban igen tömör volt). Ez például lehetetlenné teszi, hogy kiderítsük: két esemény egyazon pontban játszódott-e le vagy sem, egyazon id+pillanatban-e vagy sem, hogy az egyik el+zte-e meg a másikat vagy fordítva. Ezek a kérdések az értelmüket is elvesztik, ami lehetetlenné tesz minden fizikai megközelítést. Jól meghatározott tér és id+ nélkül nem m§velhet+ a fizika. Talán majd egy teljesen eltér+ elméleti keret lehet+vé teszi, hogy tér és id+ nélkül dolgozzunk – ezt a keretet azonban még meg kell találni.
Mindenesetre a világegyetem múltjának rekonstrukciója tehát semmiféle kezd+ponthoz, semmiféle teremtéshez nem vezet el. Az egyszer§ logika egyébként óvatosságra kell hogy intsen bennünket a tekintetben, hogy azonosítsuk a világegyetem születését és id+beli kezdetét. A mi fogalmaink szerint ugyanis az id+ a világegyetem alkotórésze, vagyis születése (már amennyiben ez értelmes kifejezés itt) magába foglalja az id+ születését is. Márpedig id+ nem születhetett egy már létez+ id+ kebelén belül.
A világegyetem születése, ha mindenképpen számolni akarunk vele, a térid+ születése volna, tehát a téré is és az id+é is. Nem mehetett végbe az id+ben, tehát csak atemporális lehet. A fizikában vagy a kozmológiában nincs módunk a születés pillanatáról beszélni.
A Big Bang-modellek hallatlan sikere ellenére szerénynek kell lennünk: a kozmológia és általában véve a tudomány sohasem fogja nekünk megmagyarázni a világot és azt a helyet, amelyet elfoglalunk benne.

Kérjük küldje el véleményét címünkre: lettre@c3.hu