Einstein és a táguló világegyetem atyja

Munkássága lehetővé tette Einstein számára, hogy évekkel később visszavonja a kozmológiai állandóját.

A huszadik század legnagyobb – Einsteinhez, Heisenberghez, Hubble-hoz, Hawkinghoz mérhető – fizikusai és kozmológusai között tartja számon a csillagászat, űrkutatás iránt érdeklődők széles köre Alekszandr Friedmann orosz matematikust, fizikust, kozmológust. Az 1920-as évek első felében publikált tanulmányai alapján ő tekinthető a táguló világegyetem „atyjának”, bár már fiatalon elhunyt száz éve, így nem láthatta a mindenség átfogó elméletére vonatkozó egyenleteinek sikerét és a kozmológia történetében egyre növekvő jelentőségét.

Ki volt Alekszandr Alekszandrovics Friedmann? Szentpéterváron született 1888-ban, és Leningrádra átnevezett szülővárosában halt meg 1925. szeptember 16-án. Édesapja balett-táncos volt, édesanyja zongorista. Kitűnő tanuló volt, mind a középiskolában, mind pedig a szentpétervári állami egyetemen, ahol 1906-tól 1910-ig matematikát tanult. Részt vett Paul Ehrenfest modern fizikai szemináriumain is, ahol a kvantumelméletet, a relativitáselméletet és a statisztikus mechanikát tárgyalták. Elméleti és alkalmazott matematikából 1914-ben szerzett mesterdiplomát, s kutatásai kiterjedtek a repüléstanra, a Föld mágneses terére, a folyadékmechanikára, az elméleti meteorológiára is. Az egyetemet elvégezve 1913-ban a pavlovszki Légkörkutató Obszervatórium munkatársa lett, ahol meteorológiát tanult.

A következő évben Lipcsébe ment, hogy a norvég Vilhelm Bjerknesnél, a kor vezető elméleti meteorológusánál tanuljon. Számos léghajórepülésen vett részt, hogy meteorológiai megfigyeléseket végezzen, de amikor kitört az első világháború, Friedmann önként jelentkezett az orosz légierőhöz, ahol műszaki szakértőként és bombázópilótaként teljesített szolgálatot. 1915 után aerodinamikáról tartott előadásokat pilótáknak, 1916-ban pedig a kijevi központi repülőállomás vezetője lett, majd azzal együtt Moszkvába költözött. Az állomás az 1917-es orosz forradalom után feloszlott, és Friedmann 1918-tól 1920-ig a Permi Egyetemen az elméleti mechanika professzoraként dolgozott. Miután a Vörös Hadsereg elfoglalta Permet, és a polgárháború túlságosan megnehezítette az életét, visszatért Szentpétervárra (az akkori Petrográdra), ahol a Központi Geofizikai Obszervatóriumban kapott állást, egyúttal ő lett az orosz geofizikai és meteorológiai folyóirat főszerkesztője. Egyidejűleg több más tisztséget is betöltött: a Petrográdi Egyetem matematika- és mechanikaprofesszora, a Petrográdi Politechnikai Intézet fizika- és matematikaprofesszora, a Petrográdi Vasútépítési Intézet, a Tengerészeti Akadémia és az Optikai Intézet kutatója is volt.

Elsők között foglalkozott a légköri turbulencia elméletével, s 1925 júliusában részt vett az oroszországi rekordnak számító, 7,4 kilométer magasságú léghajórepülésen. Két hónappal később azonban élete alig 37 évesen tragikus véget ért. Állítólag a meteorológiai ballonon a jéghideg troposzférába emelkedve nagyon megfázott, mások szerint viszont tífuszban halt meg, amit a Krímben töltött nyaralása során kapott el. Bárhogy történt, száz éve egy zseniális tudós rendkívül ígéretes pályája tört ketté.

Friedmann csak 1920 végén ismerkedett meg Albert Einstein általános relativitáselméletével, amely a háború sújtotta Szovjet-Oroszországban több éves késéssel jelent meg. Einstein lényegében egy új gravitációs elméletet javasolt, azt állítva, hogy a gravitáció a téridő görbületének eredménye. Elődeihez (Kopernikusz, Galilei, Newton) hasonlóan ő is úgy vélte, hogy a kozmosz örök és állandó, de új elemmel bővítette a gravitációs mező egyenleteit, amely a taszítóerőnek felelt meg, egyfajta antigravitációnak – ez az úgynevezett „kozmológiai állandó” (amit utóbb sötét energiának szoktak nevezni). Ez az energia volt az, ami Einstein szerint mindent kifelé taszít, ennélfogva a gravitációs vonzás ellenében hat, biztosítva a világegyetem változatlanságát.

Miután az ismeretlen petrográdi matematikus, meteorológus tanulmányozni kezdte a már akkor világhírű német fizikus (1921-ben kapta meg a fizikai Nobel-díjat) relativitáselméletét és téregyenleteit, s kihatásukat a kozmológiára, több érdekes megoldásukat is kidolgozta. Mint Paul Davies Templeton-díjas brit fizikus írja Isten gondolatai (The Mind of God) című könyvében, Friedmann olyan kozmológiai modellt írt le, amely szerint a világegyetem vagy tágul, vagy összehúzódik. Az egyik megoldásnak megfelelő univerzum „Nagy Bummal” kezdődik, gyorsan kitágul, amelynek üteme azután egyre csökken, míg végül összehúzódásba kezd. Ez a folyamat mindinkább felgyorsul, végül az univerzum eltűnik egy végzetes összeroppanásban: „Nagy Reccsben”. A tágulásnak és összehúzódásnak e ciklusát újabb ciklus követheti, majd megint újabb, és így tovább. Nem lehetséges-e, hogy Friedmann oszcilláló (ismétlődő) világegyeteme az örök visszatérés ősi eszméjének modern, tudományos párja, s hogy a Nagy Bummtól a Nagy Reccsig tartó sok milliárd éves időtartam megfelel a hindu teremtő isten, Brahma életciklusa Nagy Évének? – teszi fel a kérdést Davies, de hozzáteszi, bármily vonzónak tűnnek is ezek a párhuzamok, nem állják meg a tüzetesebb vizsgálatok próbáját. A mérések ugyanis azt mutatják, hogy a csillagok a világegyetem összeomlásához szükséges sűrűség mindössze egy százalékát képviselik, és bár megalapozott bizonyítékok szólnak nagy mennyiségű sötét vagy láthatatlan anyag létezése mellett, amely talán pótolná ezt a hiányt, csakhogy senki nem tudja, mi is ez – és mennyi? – ez a hiányzó anyag – húzza alá 1992-ben (magyarul 1995-ben) megjelent könyvében.

Az orosz tudós 1922-ben publikálta a táguló, egyben ciklikus világegyetemről szóló, A tér görbületéről című tanulmányát a berlini Zeitschrift für Physik folyóiratban, és küldött egy másolatot a német tudósnak, de mivel nem válaszolt, egy barátját küldte hozzá. Einstein azt hitte, hogy hibát talált Friedmann munkájában, és üzenetet küldött a szerkesztőnek, mire Friedmann egy második, kibővített tanulmányt írt, amelyet ugyanebben a folyóiratban publikáltak 1924-ben.

Friedmann munkássága végül is lehetővé tette Einstein számára, hogy évekkel később visszavonja a kozmológiai állandóját. Állítólag később pályafutása „legnagyobb baklövésének” nevezte a bevezetését. Ezt George Gamow orosz-amerikai fizikus és kozmológus – egyike a táguló világegyetem „ősrobbanás” elméletét kidolgozó tudósoknak – írta meg önéletrajzában, a Friedmannról szóló részben, ugyanis az ő tanítványa volt az 1920-as évek elején Leningrádban. Mások szerint azonban nincs bizonyíték arra, hogy Einstein valóban így érzett volna, hiszen jó okkal vezette be a kozmológiai állandót. Amikor Friedmann jobb indokot adott arra, hogy miért nincs rá szükségünk, akkor egyszerűen elvetette.

1923-ban és 1924-ben Friedmann-nak lehetősége nyílt arra, hogy beutazza Európát, és megvitassa kutatási területeit más tudósokkal, különösen Németországban, Norvégiában és Hollandiában. Miután visszatért Leningrádba, a geofizikai obszervatórium igazgatójává nevezték ki, ott dolgozott 1925 szeptemberében bekövetkezett haláláig. Két év múlva, 1927-ben a Brüsszeli Tudományos Társaság Évkönyvében egy fiatal belga katolikus pap, fizikus és kozmológus, Georges Lemaître közzétette a táguló univerzum elméleti modelljét, de sem ő, sem a tudóstársadalom nagy része nem tudta, hogy Friedmann ezt már évekkel korábban leírta, így a korszakalkotó felfedezést illetően az orosz matematikusé az elsőség. Igaz, eleinte a belga fizikus elméletét sem fogadták el – maga Einstein sem –, de két évvel később Edwin Hubble amerikai csillagász (ő szintén nem tudott Friedmann létezéséről) teleszkópos megfigyelései és mérései alapján igazolta a világegyetem tágulását. Ugyanis felfedezte, hogy minél nagyobb a távolság két galaxis között, annál nagyobb a relatív távolodási sebesség közöttük, s ez vezetett később (1948-ban) az ősrobbanás elméletének kidolgozásához Gamow és Hoyle által.

Az ősrobbanás és a táguló világegyetem kozmológiai hipotézisét végül a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás (CMB) Arno Penzias és Robert Wilson amerikai csillagászok általi felfedezése igazolta 1964-ben, negyven évvel Friedmann kulcsfontosságú tanulmányának közzététele után, így – Lemaître-rel együtt – valóban őt illeti meg a táguló világegyetem atyja cím.