Mi volt az ősrobbanás előtt?

0:00 Tekerd vissza a világot

Tekerd vissza a világot! Nem a tegnapot, és nem is a múlt évszázadot. Mindent. Tekerd vissza a kontinenseket, amíg újra egyetlen szárazfölddé állnak össze. A Földet, amíg izzó porrá esik szét. A Napot, amíg hideg gázfelhővé hűl. A galaxisokat, amíg egyre közelebb csúsznak egymáshoz, és az egész látható világegyetemet, a maga sok százmilliárd galaxisával, amíg egy forróbb, sűrűbb és kisebb állapotba préselődik össze, mint bármi, amit el tudsz képzelni. És most tedd fel azt a kérdést, amit minden gyerek feltesz egyszer: és előtte mi volt?

0:36 Egyszerűnek hangzik. Ezen a ponton mégis megáll a fizika, az emberiség legnagyobb tudása. Nem azért, mert a tudósok nem elég okosak, hanem mert lehet, hogy maga a kérdés értelmetlen. Lehet, hogy nem volt „előtte”, mert az idő is innen kezdődött. Ebben a részben megnézzük, honnan tudjuk egyáltalán, hogy volt kezdet, és azt is, hogy hol ér véget a tudás, és hol kezdődik a találgatás.

0:59 Miért az Univerzummal kezdem?

Ez A Föld története. Száz részben mesélem el, hogyan lett a kezdeti forróságból egy kék bolygó, rajta élettel, és végül rajta veled, aki most ezt nézed. Furcsának tűnhet, hogy egy Földről szóló sorozat az Univerzum kezdetével indul. Egészen egyszerű oka van: a Föld anyaga sokkal öregebb, mint maga a Föld. A hidrogénatomok abban a vízben, amit ma reggel megittál, nagyjából 13,8 milliárd évesek. Hogy ezt honnan tudjuk, az a mai rész egyik fő kérdése. Kezdjük az elején. Vagy még annál is korábban.

1:31 Honnan tudjuk, hogy volt kezdet?

1:32 Mielőtt arról beszélnénk, mi volt a Nagy Bumm előtt, tisztázzunk valamit: honnan tudjuk egyáltalán, hogy volt Nagy Bumm? Ez nem hit kérdése. Három, egymástól független bizonyíték fut össze ugyanabban a pontban.

1:45 1. nyom: a távolodó galaxisok

Az 1920-as években egy belga pap és fizikus, Georges Lemaître, majd tőle függetlenül az amerikai Edwin Hubble valami furcsát vett észre. A távoli galaxisok fénye a vörös felé tolódik el. Ugyanez történik, amikor egy elhaladó mentőautó szirénája mélyebb hangon szól. Aminek a forrása távolodik, annak a hullámai megnyúlnak. És minél messzebb volt egy galaxis, annál gyorsabban távolodott tőlünk. Képzelj el egy mazsolás kalácsot, ahogy sül a sütőben. Minden mazsola távolodik minden másiktól, de nem a mazsolák mozognak, hanem a tészta tágul közöttük. A távolabbi mazsolák ráadásul gyorsabban távolodnak, mert több tészta van közöttük, ami tágulhat. Pontosan ezt látjuk az égen. Ha pedig a világegyetem ma tágul, akkor tegnap kisebb volt, tavaly pedig még kisebb.

2:34 És ha elég messzire térünk vissza, akkor eljutunk egy állapotig, ahol minden rendkívül forró és sűrű volt.

2:41 2. nyom: a kezdet visszhangja

Na de honnan tudjuk? Mi a második nyom?

2:44 1965-ben két amerikai rádiócsillagász, Arno Penzias és Robert Wilson egy zajtól próbálta megszabadítani az antennájukat. Egy halk sistergés volt, ami minden irányból egyformán jött, éjjel és nappal. Még a galambokat is elzavarták, akik az antennában fészkeltek, és kitakarították, amit hátrahagytak. De a zaj megmaradt. Kiderült, hogy nem hiba volt. Azt a fényt fogták, ami nagyjából 380 ezer évvel a kezdet után szabadult el, amikor a világegyetem annyira lehűlt már, hogy átlátszóvá vált. Ez az ősi fény azóta is úton van, és a tágulás miatt mára mikrohullámmá nyúlt. A hőmérséklete mindössze 2,7 fok az abszolút nulla fölött. Ez a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás.

3:27 A negyedik részben sokkal többet mesélek majd róla, mert egy darabkáját valószínűleg te is láttad már, csak nem tudtad. A lényeg: ezt a fényt előre megjósolták. Ralph Alpher és Robert Herman már 1948-ban kiszámolta, hogy ha volt forró kezdet, akkor kell lennie egy ilyen háttérsugárzásnak. 17 évvel később pedig megtalálták. A tudományban ez a legerősebb bizonyítékfajta: egy elmélet előre megmond valamit, ami aztán tényleg ott van.

3:55 3. nyom: a hidrogén és a hélium aránya

A harmadik nyom a legcsendesebb, de talán a legmeggyőzőbb. Ha az Univerzum első perceiben egy hatalmas, forró atomreaktor volt, akkor ki lehet számolni, mennyi hélium keletkezett benne, mielőtt túl hideg lett a további magfúzióhoz. Az eredmény tömegre számolva nagyjából háromnegyed hidrogén, egynegyed hélium és egy csipetnyi lítium. Amikor pedig a csillagászok megmérik a legősibb, legtisztább gázfelhők összetételét, ugyanezt találják: nagyjából háromnegyed hidrogén, egynegyed hélium. Egyetlen elem lóg ki kicsit, a lítium, amiből kevesebbet látunk a vártnál. Ez ma is nyitott kérdés, és a tudósok nem söpörték a szőnyeg alá. Három független nyom, egyetlen történet.

4:35 A kozmológusok ezért mondják ma, hogy a világegyetem 13,8 milliárd éve egy forró, sűrű állapotból kezdett tágulni. Az európai Planck-űrtávcső mérései alapján a bizonytalanság kevesebb, mint 50 millió év. Ez olyan pontosság, mintha egy 40 éves ember életkorát két hónapon belül eltalálnád.

4:57 Nem robbanás volt

4:58 És most jön az első nagy félreértés, amit érdemes azonnal kidobni. A „Nagy Bumm” nevet egyébként egy kritikusa, Fred Hoyle adta egy 1949-es rádióadásban, és rossz képet fest. Nem robbanás volt. Nem volt egy pont valahol az űrben, ahonnan minden szétrepült. Maga a tér tágul, mindenhol egyszerre. Gondolj egy lufira, amire pöttyöket festettél. Ha felfújod, minden pötty távolodik minden másiktól, de egyik sem a középpont igazából. A lufi felszínén nincs közép. A világegyetemnek sincs olyan, hogy közepe, ahol a Nagy Bumm történt. A Nagy Bumm mindenhol történt. Ott is, ahol most éppen ülsz. Ebből jön egy furcsa, de mérhető következmény. A legtávolabbi pont, amit elvben láthatunk, ma nem 13,8 milliárd fényévre van, hanem nagyjából 46 milliárdra.

5:46 De hogyan lehet ez? Úgy, hogy amíg a fény úton volt felénk, a tér tovább tágult mögötte. Mintha egy mozgójárdán sétálnál, amíg közben nyúlik a lábad alatt.

5:56 Ahol a fizika megáll

Tekerjük hát vissza a filmet. Egymilliárd év. Egymillió év. 380 ezer év: a fény kiszabadul. Három perc: készül a hélium. Egy másodperc. Egy ezredmásodperc. Minél közelebb érünk a nullához, annál forróbb és sűrűbb minden. Ha pedig Einstein általános relativitáselméletének egyenleteit hűségesen követjük egészen a nulláig, egy olyan pontba jutunk, ahol a sűrűség és a hőmérséklet végtelen. Ezt hívják szingularitásnak. Na, itt álljunk meg egy pillanatra. Ha egy fizikai egyenlet végtelent ad eredményül, az ritkán jelenti azt, hogy a természetben tényleg van valami végtelen. Sokkal inkább azt, hogy az egyenlet ott már nem érvényes. Olyan ez, mint egy térkép széle: attól, hogy a térkép véget ér, a világ még nem ér véget, csak hát a térképünk.

6:40 Az általános relativitáselmélet a nagyon nagy dolgok elmélete: bolygóké, csillagoké, galaxisoké. A kvantumfizika pedig a nagyon kicsiké: atomoké, részecskéké. A kezdet pillanatában viszont minden egyszerre volt elképesztően nehéz és elképesztően kicsi. Ott a kettőre egyszerre lenne szükség, egyetlen közös elméletben, amit kvantumgravitációnak hívunk. Ilyen elméletünk viszont még nincsen. Van néhány jelölt, de egyiket sem sikerült még kísérlettel igazolni. Ez a határ nagyjából a 10⁻⁴³ másodpercnél húzódik. Ez az úgynevezett Planck-idő. Hogy mennyire rövid, és mi történhetett közvetlenül utána, az a következő rész témája lesz.

7:22 Mi van az Északi-sarktól északra?

Most térjünk vissza a kérdéshez, amivel kezdtük: mi volt előtte?

7:26 Stephen Hawking erre egy híres hasonlattal felelt. Képzeld el, hogy az Északi-sarkon állsz, és megkérdezed: mi van innen északra? A kérdés nyelvtanilag hibátlan, mégis értelmetlen. Az Északi-sarkról minden irány dél. Nincs „északabbra”. Hawking és James Hartle 1983-ban egy olyan modellt javasolt, amelyben az idő a kezdetnél hasonlóan viselkedik. Nem egy éles határ, nem egy fal, ami előtt valami más volt. A téridő ott egyszerűen lekerekedik, ahogy a földgömb a sarkon. Ebben a képben az „előtte” ugyanolyan értelmetlen, mint az „északabbra”. És itt van egy szép csavar. Ez a gondolat nem a 20. században született. Szent Ágoston nagyjából 1600 évvel ezelőtt, a Vallomások című művében azon töprengett, mit csinált Isten, mielőtt megteremtette a világot.

8:12 A válasza lényegében az volt, hogy a világ nem az időben jött létre, hanem az idővel együtt.

8:18 Egy ókori gondolkodó és egy modern fizikus egészen más eszközökkel nagyon hasonló gondolatig jutott el.

8:27 Három lehetséges válasz

8:28 Hawking modellje viszont csak egy a lehetséges válaszok közül. Legyünk őszinték: ma három nagy gondolatcsoport létezik, és egyiket sem tudjuk bizonyítani. Az első szerint az idő tényleg a kezdettel indult, és a kérdés értelmetlen. A második az infláció. Eszerint a legelső pillanatokban a tér elképesztő tempóban felfúvódott: egy protonnál is sokkal kisebb tartomány nagyjából egy grapefruit méretűre nőtt, mindez egy másodperc elképzelhetetlenül apró törtrésze alatt. Furcsán hangzik, de két dolgot szépen megmagyaráz: miért ilyen egyforma a háttérsugárzás az égbolt minden irányában, és milyen mintázatú az a parányi egyenetlenség, amiből később a galaxisok lettek.

9:07 A Planck mérései ezzel a mintázattal jól egyeznek. Az infláció sok változatában viszont a felfúvódás sosem áll le mindenhol egyszerre, és akkor a mi világunk csak egy buborék lehet egy sokkal nagyobb egészben. Ez már a tudomány legszélső pereme, ahol a megfigyelés helyét egyelőre a matematika veszi át. A harmadik a visszapattanás. Lehet, hogy a Nagy Bumm nem kezdet volt, hanem egy korábbi világegyetem újraindulása. Ilyen ciklikus modellt javasolt például a Nobel-díjas Roger Penrose is. Ezek ma a legspekulatívabb ötletek.

9:40 Honnan tudhatjuk meg valaha? A BICEP2-ügy

Van-e esély eldönteni, melyik igaz? Van. Ha az infláció tényleg megtörtént, akkor gravitációs hullámokat, vagyis a téridő apró rezdüléseit kellett keltenie, és ezek egy jellegzetes, örvénylő mintázatot hagytak volna a háttérsugárzásban. 2014-ben egy antarktiszi távcső, a BICEP2 csapata bejelentette, hogy megtalálta ezt a mintázatot. A világsajtó ünnepelt. A következő hónapokban azonban kiderült, hogy a jel nagy részét a saját galaxisunk pora okozta, és a Planck adataival közös elemzés 2015-ben ezt meg is erősítette.

10:14 Ez nem kudarc volt. A tudomány pontosan úgy működött, ahogy kell: valaki állított valamit, mások ellenőrizték, és a téves következtetés kiesett. A keresés persze azóta is folyik, egyre érzékenyebb műszerekkel, például a chilei Simons Obszervatóriummal és a tervezett japán LiteBIRD műholddal.

10:32 Hol tartunk?

Hol tartunk tehát?

10:34 Tudjuk, hogy a világegyetemnek volt egy forró, sűrű kezdeti állapota 13,8 milliárd évvel ezelőtt, és ezt három független bizonyíték támasztja alá. Azt viszont nem tudjuk, mi volt előtte, és azt sem, van-e értelme ennek a kérdésnek. Ez rendben van. A „nem tudjuk” a tudományban nem a vereség mondata, hanem az, amivel minden feltételezés elkezdődik. Egyet viszont biztosan tudunk. A hidrogénatomok, amik a tested vizében vannak, az első néhány percben keletkeztek. Végignézték, ahogy kigyúlnak az első csillagok, ahogy galaxisok születnek és ütköznek, ahogy egy porfelhőből Nap lesz, és ahogy egy kőzetgolyón víz gyűlik össze. Aztán egy napon belekerültek egy pohár vízbe, és onnan pedig beléd.

11:17 A Föld története nem a Földdel kezdődik, hanem minden előtt.

11:22 A következő részben

A következő részben megpróbáljuk lelassítani az első másodpercet. Nem egy kicsit. Annyira, hogy egyetlen pillanat évmilliárdoknak tűnjön. Elmegyünk addig a határig, ahol a tér és az idő még nem viselkedett térként és időként, és ahol a feltételezések szerint a természet erői még egyetlen erőként működtek. 10⁻⁴³ másodperc. Az első pillanat, amikor a fizika még nem működött. Ott találkozunk.