Az univerzum legnagyobb rejtélye: mi lehet a világegyetem határain túl?

Ha az univerzum, amelynek van időbeli kezdete, egy olyan entitás, ami véges, de határtalan, miközben folyamatosan tágul, akkor önként adódik a kérdés, hogy vajon mi lehet a világegyetem határain túl? Azt, hogy az univerzum véges, Albert Einstein általános relativitáselmélete vetette fel először, megfogalmazva, hogy a gravitáció nem erő, hanem a téridő görbültségének, vagyis a véges tér geometriájának a következménye. Az einsteini mezőegyenletek megoldásainak helyessége már többször is bizonyosságot nyert az elmúlt egy évszázad során, mint ahogy a véges, de határtalan és táguló világegyetem kozmológiai modellje is általánosan elfogadottá vált. Ha viszont az univerzumnak időben behatárolható módon volt kezdte és noha az ősrobbanás óta hatalmasra „hízott”, de mégsem végtelen, akkor mi lehetett a megszületése előtt, illetve mi van ott, ahol véget ér az ismert világunk? Ez a két egyszerűnek tűnő felvetés messze túlmutat az empirikus tudomány határain és filozófiai dimenzióba helyezi létezésünk legnagyobb rejtélyét.

Nagy talány, hogy mi lehetett az univerzum keletkezése előtt Fotó: NASA

Az univerzum végessége azt jelenti, hogy az általunk ismert világegyetem, amely az összes anyagot, sugárzást és energiát magában foglalja, nem létezhet örök időktől fogva, és a kiterjedése sem lehet végtelen. Ha létezik a nulladik pillanat, vagyis az univerzum megszületésének az az időbeli kezdőpontja, amikor a jelenleg uralkodónak tekintett kozmológiai elmélet szerint egy szuperforró és szupersűrű állapotból, egyetlen szingularitásból az ősrobbanással létrejött, akkor ebből az is következik, hogy a nulladik pillanat előtt nem létezett sem a tér, sem pedig az idő. Az, hogy akkor mégis mi lehetett az univerzum keletkezése előtt, egyenértékű azzal a másik nem kevésbé izgalmas kérdéssel, hogy mi lehet az ismert világunk határán túl.

Az univerzum egy szupersűrű és forró gravitációs szingularitásból keletkezett  Fotó: NASA/JPL-Caltech

Az univerzum, a felfújódó luftballon

Régen minden egyszerűbb volt. Egészen a 20. század elejéig az volt ugyanis az általános felfogás, hogy az univerzum mind a létezését, mind pedig a kiterjedését tekintve egy olyan végtelen statikus entitás, amit a klasszikus newtoni fizika mozgástörvényei alapján a gravitációs erő tart össze. Ezen a tetszetős elméleten az első repedést két amerikai fizikus, Albert Michelson és Edwrd Morley felfedezése ütötte. Michelson – az első amerikai tudós, aki 1907-ben megkapta a fizikai Nobel-díjat –, először 1877-ben, majd rá hat évvel később, 1883-ban ismét és még pontosabban meghatározta a fény terjedési sebességét, amire azt találta, hogy a vákuumban kereken 299 940 km/másodpercet tesz ki. 

Albert Michelson jött rá először, hogy a fény sebessége nem függ az észlelő helyzetétől   Fotó: Wikimedia Comons/Auguste Léon

Az 1887-ben Edward Morley-vel elvégzett újabb közös kísérlet eredményeként azonban arra is rájöttek, hogy a fény vákuumbeli terjedési sebessége független a megfigyelő helyzetétől, illetve sebességétől, ami a klasszikus newtoni fizika szerint nem lett volna lehetséges. Hendrik Lorentz holland, illetve F. Fritzgerald ír fizikus ezt az ellentmondást azzal próbálták meg feloldani, hogy magyarázatuk szerint a fénysebességgel haladó testek megrövidülnek a mozgás irányába. Noha az ezt leíró modell, az úgynevezett Lorentz-transzformáció matematikai keretbe foglalta Michelson és Morley megfigyelési eredményét, 

ám ennek eredetére mégsem adott magyarázatot, 

amit a korabeli tudomány egy, az egész univerzumot egyenletesen kitöltő hipotetikus anyag, az úgynevezett éter közbeiktatásával igyekezett feloldani. 

Albert Einstein az általános relativitáselméletben a gravitációt a görbült tér geometriájaként írta le   Fotó: Popper/Getty

Albert Einstein az 1905-ben publikált speciális relativitáselméletében fogalmazta meg azokat a máig érvényes axiómákat, amelyek romba döntötték a végtelen és statikus univerzumra vonatkozó és egészen a századfordulóig kitartó általános elméletet. Albert Einstein a relativitást ugyanis a tömeg, a tér és az idő, valamint az energia elméleteként fogalmazta meg, bebizonyítva, hogy a vákuumbeli fény sebessége bármilyen inerciarendszerben és bármilyen irányban állandó, a megfigyelő és a fényforrás sebességétől függetlenül. Einstein elméletének döntő hatása volt a newtoni alapokon álló világegyetem-felfogás zárójelbe tételére és a modern kozmológiai modell megszületésére is kimondva, hogy egyrészt nincsen semmilyen nyugvó vonatkoztatási rendszer, ezért az abszolút tér sem létezhet, másrészt pedig egyetlen kölcsönhatás sem terjedhet gyorsabban a fény sebességénél. 

A világegyetemben egyetlen kölcsönhatás sem terjedhet gyorsabban a fény sebességénél  Fotó: NASA/JPL-Caltech

Az univerzum modern kozmológiai elméletének megszületéséhez azonban szükség volt a speciális relativitáselmélet továbbfejlesztésére, amit Einstein hosszas töprengés után 1916-ban publikált. Az általános relativitáselméletben a gravitációt nem erőként, hanem az egyesített tér és az idő, vagyis a téridő geometriai következményeként fogalmazta meg.

Az általános relativitáselmélet teret és időt egyesítő matematikai modelljében a téridő egy olyan négydimenziós koordináta-rendszer, amely három tér és egy idő koordinátával rendelkezik, a rendszer egy-egy pontja pedig egy-egy eseménynek felel meg.

Einstein szerint az univerzum nem végtelen, hanem véges, ami abból következik, hogy a gravitáció mint kölcsönhatás kiterjedése nem lehet végtelen. 

Leegyszerűsítve; az einsteini kozmológiai modellben tehát úgy kell elképzelni az univerzumot, mint egy felfújódó luftballont, aminek véges a térfogata, de határtalan a felülete. Kezdetben Einstein is hajlott rá, hogy az univerzumot statikus egységként képzelje el, noha a számításaiból nem ez következett.

Edwin P. Hubble fedezte fel a galaxisok vöröseltolódását, vagyis az univerzum tágulását  Fotó: Space.com

Ám amikor 1929-ben Edwin P. Hubble amerikai csillagász felfedezte, hogy a galaxisok színképe a spektrum vörös tartománya felé tolódik el, vagyis távolodnak egymástól, és minél messzebb van tőlünk egy galaxis, annál erősebb a színképében a vöröseltolódás, azaz a távolsággal arányosan növekszik a látszólagos sebessége is, a híres tudós feladta korábbi álláspontját, és az univerzum statikus állapotára bevezetett matematikai formulát, az úgynevezett kozmikus állandót élete legnagyobb tévedésének nevezte.

Túl a téridő határain rejtőzik a megfejtetlen nagy titok

Hubble felfedezése, a világegyetem tágulásának ténye érdekes gondolatkísérletre sarkallta a Leuveni Egyetem fizika- és csillagászatprofesszorát, Georges Lemaitre belga katolikus papot. Lematrie szerint ha ugyanis az univerzum folyamatosan tágul és a galaxisok mozgási vektorait visszafelé extrapoláljuk az időben, akkor elérkezünk egy olyan ponthoz, amikor a világmindenség összes anyagának és energiájának egyetlen pontban kellett összesűrűsödnie.

Georges Lematrie ( a képen középen) Einstein társaságában  Fotó: Wikimedia Commons/Caltech/Gliscritti

Lemaitre 1931-ben publikálta elméletét, ami, mint az ősrobbanás kozmológiai modellje, igazán csak az 1960-as évektől vált általánosan ismertté, illetve elfogadottá, miután 1964-ben Arno Penzias és Robert W. Wilson amerikai csillagászok felfedezték a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást, amit mind a mai napig az ősrobbanás legfontosabb bizonyítékának tartanak.

A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás az egész univerzumot kitöltő olyan elektromágneses sugárzás, amelynek energiaeloszlása a 2,725 kelvin hőmérsékletű feketetest-sugárzásának felel meg. Ennek maximuma a mikrohullámú frekvenciatartományba esik és 160,4 GHz-nél, vagyis 1,9 mm-es hullámhossznál található a maximuma. Amikor az ősrobbanás nulladik pillanata után nagyjából 380 ezer évvel később az atommagok és a szabad elektronok atomokká álltak össze, a fény számára átjárhatóvá vált a fiatal univerzum. A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás ebből az időből származik, de a világegyetem tágulása miatt -– amit a galaxisok vöröseltolódása igazol – a hőmérséklete jelentősen lecsökkent.

A számítások szerint az ősrobbanás – amit Fred Hoyle brit csillagász után „nagy bummként” (Big Bang) is emlegetnek –, 0,2 százalékos pontossággal 13,8 milliárd éve történt egy olyan gravitációs szingularitásban, amelyben az idő és a távolság fogalma, illetve mérése értelmezhetetlen, a hőmérséklet és a nyomás pedig végtelen volt. 

Az univerzum történetének folyamatábrája az ősrobbanástól  Fotó: NASA

Ebből pedig az is következik, hogy az ősrobbanás előtt sem a tér, sem pedig az idő nem létezhetett. E gravitációs szingularitásnak a matematikai ponthoz hasonlóan kiterjedése sem volt. Az emberi elme csak a térben tud gondolkodni, illetve a térben képes elhelyezni a tárgyakat. Ezért is súrolja a felfogóképességünk határát a világegyetemet keletkeztető kiterjedés nélküli gravitációs szingularitás, amelyben az ismert világunk összes anyaga és energiája volt összekoncentrálódva. Értelmezhetetlen az a kérdés is, hogy mi volt e kiterjedés nélküli szingularitáson kívül. Ott és akkor, 13,8 milliárd éve csak ez számított anyagi értelemben az egyetlen létezőnek, mivel a tér története szintén csak az ősrobbanással kezdődött el ugyanúgy, mint az időé. 

Az ősrobbanás pillanatának művészi ábrája  Fotó: Solar Story

Még nehezebb kérdés, amit már egy kisgyerek logikája is megfogalmazna, hogy akkor honnan származik ez az univerzumot keletkeztető szingularitás? 

Azt már az ókori görög filozófusok is felismerték, hogy a semmiből semmi sem keletkezhet.

Ami létező, azt csak egy másik entitás hozhatja létre, vagy pedig – Immanuel Kantot idézve – „önmagától való”. Ismertek azonban olyan kozmológiai modellek, amelyek próbálnak választ adni erre a nehezen megválaszolható kérdésre: a multiverzum, a buborékuniverzum és a pulzáló világegyetem, vagy a „nagy reccs” hipotézisei.

Isten nem dobókockázik: egy sajátos kozmikus reinkarnáció

Albert Einstein axiómájából kiindulva, miszerint egyetlen kölcsönhatás sem terjedhet gyorsabban a világmindenségben a fény sebességénél, az ősrobbanás óta kiszabadult első fotonok legfeljebb 13,34 milliárd fényév távolságot futhattak be eddig, azaz ez jelölheti ki a táguló einsteini univerzum jelenlegi határát is. A végtelen univerzumok kozmológiai modellje szerint ott, ahol az általunk ismert világegyetem véget ér, egy másik univerzum kezdődik, ami végtelen számú újabb univerzumok rendszeréhez kapcsolódik. 

Az univerzum tágulását sokáig végtelen folyamatnak tekintették  Fotó: NASA/JPL-Caltech

Más megközelítés szerint magának az univerzumnak a tágulása végtelen folyamat. 

Az úgynevezett örök infláció kozmológiai elmélete szerint viszont a világegyetem tágulása nem egyenletes; a tér egyes szegleteiben megáll a tágulás,máshol pedig tovább folytatódik. Az úgynevezett buborékuniverzumok elmélete a Tufts Egyetem professzorától, Alexander Vilenkintől származik. Vilenkin modelljében a felfúvódásban megálló, illetve a tovább inflálódó térrészek között olyan kisebb, buborékhoz hasonló univerzumok jönnek létre, amelyekben teljesen más törvényszerűségek érvényesülnek mint a látható világegyetemünkben, így e buborékuniverzumokban a fizikai állandók és kölcsönhatások alapvetően eltérőek azoktól, amiket ismerünk.

A multiverzum elmélet szerint az egymáshoz kapcsolódó világegyetemeknek végtelen a száma   Fotó: Smithsonian Magazine

Két neves elméleti fizikus, Paul Steinhardt, az amerikai Princeton Egyetem, valamint a dél-afrikai származású Neil Turok, az Edinburgh-i Egyetem professzora a húrelméletből kiindulva állította fel a négynél többdimenziós univerzumok kozmológiai elméletét.

A húrelmélet és az úgynevezett M-elmélet két egymásra épülő olyan részecskefizikai modell, amelyben a részecskéket nem pontszerű, hanem kiterjedt objektumokként, úgynevezett húrokként írják le. Ezeket az elméleteket azért alkották meg, hogy összhangba hozzák az általános relativitáselméletet és a kvantummechanikát, elkerülve azokat a buktatókat, amiket a részecskék pontszerű kezelése okoz. Az M-elméletben nemcsak húrokat, hanem membránokat és magasabb dimenziójú objektumok létét is feltételezik. A húrelméletet egyelőre kísérleti bizonyítékokkal sem megerősíteni, sem pedig megcáfolni nem tudták.

A húrelmélet – amellyel valamennyi kölcsönhatás egyetlen elméletben való leírását szeretnék megoldani –, egyik sajátos „vadhajtása” a sokdimenziós univerzumok hipotézise. 

A húrelmélet alapján nemcsak a négynél több dimenziók világa képzelhető el, hanem megjósolható e dimenziók száma is. 

A klasszikus einsteini négydimenziós modelltől eltérően e megközelítés szerint létezhet 11 vagy 12, de akár 26 dimenzió is. Steinhardt és Turok modelljében noha a párhuzamos univerzumok a miénkhez hasonlóan négydimenziósok és akár szomszédosak is lehetnek velünk, de mivel eltérő dimenziókban léteznek, ezért észlelhetetlenek maradnak számunkra. 

A sötét energia eloszlása az univerzumban   Fotó: TrendinTech

Albert Einstein és mások úgy vélték, hogy a sötét energiának nevezett erőhatás állandó, ami miatt az univerzum tágulása is végtelen ideig eltarthat. 

Azonban az ezzel konkuráló kvintesszencia-elmélet szerint a sötét energia nem egy állandó, hanem változó energiamező, és ennek a legújabb kutatások sem mondanak ellen. Az 1990-es években ugyanis felfedezték, hogy az univerzum gyorsulva tágul, ami ellentmondott az addigi kozmológiai modelleknek. Egy viszonylag új, 2022-ben publikált tanulmányban Paul Steinhardt és Anna Ijjas, a Princeton Egyetem kutatói azt a kérdést elemezték empirikus megfigyelési adatok alapján, hogy vajon a tágulás gyorsulása örökké tart-e, ha nem, akkor pedig mik a lehetséges alternatívák. 

Samuel Perlmutter, Brian P. Schmidt és Adam Riesset az univerzum gyorsuló tágulásával kapcsolatos kutatásaikért nyerték el a 2011-es fizikai Nobel-díjat   Fotó: Nobel Prize

Steinhardt professzor és kutatócsoportja arra a megdöbbentő eredményre jutott, hogy az idő múlásával csökken a sötét energia antigravitációs hatása, vagyis egy matematikai modellezéssel meghatározható időpontban megáll az univerzum tágulása. Ekkor ismét a gravitáció lép előtérbe és elindul az univerzum lassú zsugorodása. Csakúgy, mint az ősrobbanás esetében, ebből pedig meghatározható, hogy mikor jön el újra az az idő, amikor az univerzum összes anyaga, sugárzása és energiája ismét egyetlen ponttá, gravitációs szingularitássá zsugorodik össze.

Paul Steinhardt professzor  Fotó: Princeton University Library

De vajon mi fog történni, ha ismét egyetlen matematikai ponttá húzódik össze a világmindenség? 

Erre kétfajta teoretikus válasz létezik. Az egyik szerint bekövetkezik a fordított ősrobbanás – amit „nagy reccsként” (Big Churnch) is emlegetnek –, az univerzumunk pedig megsemmisül és véget ér a téridő. A másik megközelítés szerint amikor az univerzum ismét egyetlen gravitációs szingularitássá zsugorodik, ismét bekövetkezik az ősrobbanás és minden újra elkezdődik. A pulzáló univerzum teóriája szerint ez a folyamat pedig végtelen ideig megismétlődhet. 

Az univerzum megszületése előtt nem volt, a pusztulása után pedig már nem fog létezni az idő    Fotó: Pixabay

Az egyes elpusztuló és megszülető univerzumok között azonban nincs semmilyen oksági kapcsolat, lévén hogy a szingularitásban nem létezhet sem az új, sem a régi, és nemcsak a téridő, de a kauzalitás is megszűnik; minden egyes eltűnő és megszülető univerzumnak ez a közös szingularitás jelenti az egyetlen végpontját. Az, hogy mi van e határokon túl, filozófiai, vagy talán még inkább hitbéli kérdés.

Amit jelenleg bizonyosnak tartunk, illetve feltételezünk:

• az univerzumnak volt kezdete,
• ami 13,8 milliárd éve egy gravitációs szingularitásból keletkezett az ősrobbanással,
• ezt megelőzően nem létezett sem a tér sem pedig az idő,
• és valószínű, hogy lesz vége is, amikor a tágulás a visszájára fordul és ismét egy szingularitásba zsugorodik össze a világegyetem összes anyaga.