Az univerzum legnagyobb titka: miért létezik a világegyetem?

Van-e tudományos magyarázata a világegyetem létezésének? Miért létezik az univerzum mint anyagi entitás ahelyett, hogy semmi se volna helyette? Ez az első hallásra egyszerűnek tűnő felvetés valójában az empirikus tudomány határain átnyúló olyan nagy kérdés, ami nemcsak az asztrofizika és a kozmológia, hanem a filozófia számára is az egyik legnehezebben megválaszolható feladvány. Azt, hogy az univerzum keletkezése, vagyis a nagyjából 13,8 milliárd éve bekövetkezett ősrobbanás óta miért maradhatott fenn a táguló világegyetem, az asztrofizikusok egy érdekes ellentétpárhoz kapcsolják.

A kozmológia egyik legnagyobb rejtvénye, hogy mitől létezik az univerzum Fotó: Space Wallpapers

Az univerzum jelenlegi formában való létezése egy olyan különleges ellentétre vezethető vissza, ami a „hagyományos” és az antianyag között áll fenn – állítja asztrofizikusok egy csoportja.

Az univerzum megszületése, illetve létezése egy különös ellentétpárra vezethető vissza. Fotó: NASA/JPL-Caltech

Az univerzum furcsa aszimmetriája

A tudósok azt találták, hogy a világegyetem létrejötte az anyag és az antianyag közötti enyhe egyensúlyhiányra vezethető vissza. Az anyagi részecskék, az atommagokat felépítő protonok, neutronok és elektronok alapvetően abban különböznek az antianyag részecskéitől, hogy ellentétes töltést hordoznak.

Az anyag és antianyag atomi szerkezetét illusztráló ábra. Fotó: Science Notes and Projects

Az antianyagban az atomot a proton, a neutron és az elektron helyett az antirészecskék, vagyis az antiproton, az antineutron és a pozitron építik fel. Ha az antianyag közönséges anyaggal találkozik, mindkettő megsemmisül, és e folyamat, az úgynevezett annihiláció során energia szabadul fel elektromágneses sugárzás formájában. De ez fordítva is lejátszódhat, amikor a nagy energiájú fotonok anyagrészecske-antianyag-részecske párokat hoznak létre. Antianyagot először 1995-ben sikerült létrehozni az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet (CERN) Nagy Hadronütköztetőjében.

Mivel az anyag és az antianyag nem férnek meg egymással, amikor a részecskéik ütköznek, egy igen intenzív gamma-sugárkitörésben megsemmisítik egymást. Szerencsére az antianyag ma már rendkívül ritka az univerzumban, annak ellenére, hogy a világegyetem kialakulásában még alapvető szerepet játszott. Az, hogy mitől tűnhetett el legnagyobb részében az antianyag, a kozmológia egyik nagy rejtélyének számít.

Nem tudni, mi a pontos oka annak, hogy az anyag kerekedett az antianyag fölé 

Az antianyag létezését közel száz évvel ezelőtt Paul Dirac angol fizikus jósolta meg elméletileg a kvantummechanika terén végzett úttörő munkássága részeként. Ma már az antianyag léte nem puszta hipotézis, mert a tudósok képesek a modern részecskegyorsítókban, például a CERN Nagy Hadronütköztetőjében az antianyag előállítására. 

A kvantumfizika legnagyobb alakjai az 1927. évi Solvay konferencián. Az első sorban középen Albert Einstein mögött Paul Dirac áll. Fotó: Wikimedia Commons/Benjamin Couprie 

Dirac jóslata szerint az anyag és az antianyag eloszlásának is egyenlőnek kellene lennie – mondja Pasquale Di Bari, a Southamptoni Egyetem fizika- és csillagászatprofesszora, akit a Live Science tudományos hírportál idéz. Tehát az a tény, hogy ma az univerzumban csak nagyon kevés az antianyag, ezzel szemben viszont a „normál” anyag számít dominánsnak – utóbbiba beleértve a világegyetem összes galaxisának összes csillagát –, komoly tudományos problémát jelent. E probléma áthidalására egyesek az antianyagból álló galaxisok, illetve csillagok hipotetikus létezését is felvetették, ám e teória megalapozottsága mindeddig nem lett tudományosan alátámasztva.

Az univerzumot a normál anyag dominálja. Fotó: NASA/JPL

 „Úgy gondoljuk, hogy az ősrobbanáskor a fiatal univerzum 50-50 százalék arányban álló anyag-antianyag keverékként indult, de az anyag nagyon gyorsan átvette az uralmat” – mondja Tara Shears, a Liverpooli Egyetem részecskefizikusa. „Ahhoz, hogy ez megtörténjen, egy nagyon apró különbségnek, vagy aszimmetriának kellett fennállnia az anyag és az antianyag viselkedésében ahhoz, hogy végül az egyik fölébe kerekedhessen a másiknak” – fűzi hozzá Shears. 

Ez a különbség azonban nem jósolható meg, nem érthető, és nincs is rá jelenleg biztos magyarázat

– hangsúlyozza a Liverpooli Egyetem részecskefizikusa. „E különbség megértése az a probléma, amit meg akarunk oldani; ez az anyag-antianyag aszimmetriájának problémája” – emeli ki a kutató.

Akár egy antianyag-univerzum is létrejöhetett volna

Paul Dirac szerint az „anyag” és az „antianyag” kifejezések meglehetősen önkényesek. Az „anyag” fogalma a szabályos részecskékre, az „antianyag” kifejezés pedig az antirészecskékre utal – de ez akár fordítva is történhetett volna. Ha nagyobbrészt nem semmisültek volna meg, az antianyag-részecskék antiatomok és antimolekulák univerzumát alkothatták volna.

Az ősrobbanást követő töredékmásodpercben az anyag kerekedett az antianyag fölé. Fotó: Quantum Zeitgeist

Végül azt nevezték el anyagnak, ami túlsúlyba került a korai univerzumban, az ellentétét pedig antianyagnak. A részecskeütköztetőkben végzett megfigyelések, továbbá az antianyag bomlásának a csillagászati ​​spektrumokban látható nyomai és a gravitációs hullámok segítségével a fizikusok azt próbálják megérteni, hogy miért van ez a nagy és megmagyarázhatatlan eltérés az univerzumban.

A gravitációs hullám a téridő görbületének olyan hullámszerű megváltozása, amit Albert Einstein általános relativitáselmélete jósolt meg. A gravitációs hullámok nemcsak a klasszikus értelemben megfogalmazott tömegvonzás „melléktermékei”, hanem minden gyorsuló tömegnek is a következményei. A gravitációs sugárzás pedig a gravitációs hullámok által továbbított energia.

Di Bari becslése szerint eredetileg több milliárdszor több anyag- és antianyag-részecske lehetett a fiatal univerzumban még azt megelőzően, hogy az ősrobbanás utáni első töredék másodpercben többnyire megsemmisítették volna egymást.

Az ősrobbanás, mint az univerzum kialakulásának és fejlődésének folyamatábrája. Fotó: ELTE

 „Amiből mi felépülünk, az ennek (a rapid folyamatnak) a maradványa” – magyarázza Pasquale Di Bari, a Southamptoni Egyetem fizika- és csillagászatprofesszora.

Az ősrobbanás kozmológiai elmélete szerint az univerzum 13,8 milliárd éve egy rendkívül sűrű és forró állapotból, úgynevezett szingularitásból keletkezett. Helyes értelmezés szerint az ősrobbanás előtt nem létezett sem a tér, sem pedig az idő. A „Nagy Bumm” szűkebb értelemben azt a pillanatot jelenti, amikor az univerzum tágulása (infláció) elkezdődött, tágabb értelemben pedig arra az általánosan elfogadott kozmológiai paradigmára utal, amely mind a világegyetem keletkezését, mind pedig a fejlődési folyamatát ezzel magyarázza és ennek felelteti meg az elemek keletkezését is az Alpher-Bethe -Gamow-féle elméletben leírt nukleoszintézis szerint.

Raymond Volkas, a Melbourne-i Egyetem elméleti részecskefizikusa mindehhez hozzáfűzi, hogy az aszimmetria okát 1967-ben Andrej Szaharov szovjet fizikus vázolta fel először. Szaharov feltételezése szerint azért létezik az univerzumban ez az aszimmetria, mert az anyag és az antianyag-részecskék nem tökéletesen ellentétesek, ezért adott körülmények között eltérően reagálnak bizonyos alapvető erőkre – ezt a jelenséget nevezik „C és CP sértésnek” az elméleti fizikusok.

Az anyag és antianyag közötti aszimmetria a kozmológia egyik legnagyobb rejtélye. Fotó: YouTube

 A „C és CP megsértésének” általános alapelvei ismertek, de a részletek nem – mondta Raymond Volkas a Live Science-nek. „Sok lehetőség van az asztalon! A kihívás az, hogy kísérletileg is különbséget tegyünk közöttük.”

Az univerzumot domináló anyag létrejötte:

• egy olyan ellentétre vezethető vissza, ami az anyag és az antianyag között áll fenn,
• az ősrobbanás után sok milliárdszor több anyag és antianyag részecske létezhetett,
• még azt megelőzően, hogy az ősrobbanás utáni töredékmásodpercben megsemmisítették volna egymást,
• és az univerzumot felépítő anyag e még sok szempontból nem tisztázott folyamatnak a maradványa.