Mi történt az ősrobbanás utáni első másodpercben?

0:00 Pislants egyet

Pislants egyet. Egy pislogás nagyjából egytized másodperc. Rövid, igaz? Most vágd fel ezt a tizedet ezer darabra. Aztán az egyik darabot megint ezerre, és így tovább. Ahhoz, hogy eljuss oda, ahonnan a mai rész indul, ezt a vágást nem kétszer vagy háromszor kell megismételned, hanem tizennégyszer. A végén egy olyan időszeletet tartasz a kezedben, ami 10⁻⁴³ másodperc hosszú. Ez a világegyetem legelső pillanata, amiről a fizika egyáltalán beszélni mer. Az előző rész végén én is úgy mondtam, hogy ekkor még nem működött a fizika. Jól hangzik, de ez nem egészen igaz. A természet valószínűleg akkor is pontosan működött. A mi elméleteink nem működtek ott. Ebben a részben lelassítjuk az első másodpercet, és lépésről lépésre végigmegyünk rajta.

0:46 És ami a legfontosabb: megmutatom, melyik lépést tudjuk ma laboratóriumban ellenőrizni, és hol kezdődnek az elegáns, de bizonyítatlan találgatások.

0:56 Az első másodperc mint rendszerindítás

Ez A Föld története, a második rész. Az előző részben eljutottunk a fizika határáig. Most onnan indulunk tovább. Mert az első másodpercben dőlt el, milyen részecskékből áll majd a világ, milyen erők tartják össze az atomjaidat, és lesz-e egyáltalán bármi, amiből egyszer bolygó épülhet. Képzeld el úgy, mint egy számítógép indulását. Mielőtt megjelenne az asztal, a gép a háttérben végigfuttat egy sor lépést: ellenőrzi a hardvert, betölti az alapszabályokat. Az első másodperc a világegyetem indítási folyamata volt. A naplófájl nagy része megvan, csak az első sorai hiányoznak.

1:35 A Planck-fal

Kezdjük azzal a bizonyos számmal. A 10⁻⁴³ csak a nagyságrend, a pontos érték ennek nagyjából a fele. Ez a Planck-idő, Max Planck német fizikusról elnevezve, aki a kvantumfizika egyik atyja volt. Mennyire rövid ez? Vágj fel egyetlen másodpercet annyi darabra, ahány másodperc a Nagy Bumm óta eltelt. Aztán az egyik darabkát vágd fel újra ugyanennyi részre. Egy elképzelhetetlenül apró időszeletet kapsz. Nos, a Planck-idő még ennél is nagyjából százmilliószor rövidebb. Ezen a ponton a két legjobb elméletünk, az általános relativitáselmélet és a kvantumfizika egymásnak feszül. Erről az előző részben ugyan már beszéltünk: nincs még olyan közös elméletünk, ami mindkettőt egyszerre kezelné.

2:18 A Planck-időnél rövidebb időkről a mai fizika nem tud értelmes mondatot mondani, és a Planck-hossznál kisebb távolságokról sem. Ez nagyjából 10⁻³⁵ méter. Olyan ez, mint amikor egy digitális fotót próbálsz nagyítani. Egy ponton túl nem több részletet látsz, csak pixeleket. Csakhogy itt azt sem tudjuk, hogy a természetben vannak-e pixelek, vagy csak a mi képünk ilyen durva felbontású. A hőmérséklet ekkor a becslések szerint egy 1-es volt, utána 32 nullával, kelvinben mérve. A kelvin az abszolút nullától mért fok. A Nap magja ehhez képest jéghideg: alig 15 millió fok. Amikor tehát azt mondjuk, hogy a fizika még nem működött, az valójában ennyit jelent: a térképünk itt véget ér.

3:04 Négy erő, ami egy volt

Ma négy alapvető erőt ismerünk. A gravitációt, ami a Földön tart. Az elektromágnesességet, ami a villanykörtét világítja, és ami megállítja a kezedet az asztallapján. És két erőt az atommagok belsejében: az erős kölcsönhatást, ami a protonokat és neutronokat összeragasztja, és a gyenge kölcsönhatást, ami bizonyos radioaktív bomlásokért felel, és ami nélkül a Nap sem tudna világítani. A fizikusok régóta gyanítják, hogy ez a négy erő eredetileg egy volt, hogy nagyon magas hőmérsékleten összeolvadnak, és csak a lehűlés során válnak szét. Gondolj csak a vízre! Amíg folyékony, minden irányban egyforma. Ahogy azonban fagyni kezd, kristályok fejlődnek benne, meghatározott szögekben, és ez a tökéletes egyformaság megtörik.

3:50 A fizikusok ezt szimmetriasértésnek hívják. A lehűlő rendszer választ egyet a sok egyformán lehetséges állapot közül. A legelfogadottabb kép szerint a korai világegyetemben több ilyen fagyás követte egymást.

4:02 A menetrend

Nézzük a menetrendet, és közben jelölöm, melyik lépés mennyire biztos. Előbb, a Planck-korszak végén a gravitáció válhatott le a többitől. Ez csak tiszta spekuláció. Utána nagyjából 10⁻³⁶ másodpercig a másik három erő még egyetlen erőként működhetett. Ez a nagy egyesítés kora. Elmélet, kísérleti bizonyíték nélkül, de mint látni fogjuk, nagyon is tesztelhető. Valahol itt történhetett az infláció, az a villámgyors felfúvódás, amiről az előző részben beszéltünk. Erős közvetett jelek utalnak rá, de a döntő bizonyíték még hiányzik. Nagyjából egy billiomod másodpercnél vált szét az elektromágnesesség és a gyenge kölcsönhatás. Ezt kísérletekkel igazoltuk. Ezután az első néhány milliomod másodpercig az anyag forró kvarkleves volt.

4:48 Ezt is előállítottuk laborban. Végül nagyjából egy másodpercnél a neutrínók, ezek a szinte mindenen áthatoló, kísérteties részecskék kiszakadtak a forgatagból. Ennek a nyomát is látjuk.

5:01 Honnan tudjuk? Az elektrogyenge erő

Az 1960-as években három fizikus, Sheldon Glashow, Steven Weinberg és Abdus Salam kidolgozta, hogyan írható le az elektromágnesesség és a gyenge kölcsönhatás egyetlen, elektrogyenge erőként. Az elméletnek volt egy kockázatos jóslata: léteznie kell néhány nehéz, addig soha nem látott részecskének, amelyek a gyenge erőt közvetítik. Ezek a W- és a Z-bozonok. 1983-ban a genfi CERN gyorsítójában megtalálták őket, nagyjából akkora tömeggel, amekkorát az elmélet jósolt. A felfedezésért Carlo Rubbia és Simon van der Meer 1984-ben Nobel-díjat kapott. A három elméleti fizikus már 1979-ben megkapta a maga Nobel-díját. A kirakós utolsó darabja a Higgs-bozon volt. Ez annak a láthatatlan mezőnek a jele, amelynek a befagyása szétválasztotta a két erőt, és tömeget adott a W- és Z-bozonoknak, miközben a fény részecskéje, a foton tömeg nélkül maradt.

6:01 2012 júliusában jelentették be, hogy a CERN Nagy Hadronütköztetőjének két kísérlete, az ATLAS és a CMS megtalálta. Peter Higgs és François Englert egy évvel később kapott érte Nobel-díjat. A Nagy Hadronütköztető ütközéseiben egy-egy pillanatra nagyjából olyan energiák jönnek létre, mint amilyenek a világegyetemben egy billiomod másodperc táján uralkodtak. Ezt a korszakot tehát nem csak kiszámoltuk, egy-egy parányi pontban újra létre is hoztuk.

6:32 Honnan tudjuk? A kvarkleves

A protonok és neutronok építőkövei, a kvarkok, ma soha nem fordulnak elő magányosan. Mindig csoportokba vannak zárva. Az első néhány milliomod másodpercben viszont olyan forróság volt, hogy szabadon kavarogtak a gluonokkal együtt, amelyek egyébként összetartják őket. Ezt kvark-gluon plazmának hívjuk. Az amerikai Brookhaven Nemzeti Laboratórium RHIC nevű gyorsítójában 2000 és 2026 között aranyatommagokat ütköztettek, majdnem fénysebességgel. Az ütközés helyén egy parányi, rövid életű cseppben újra létrejött ez a plazma. És itt jött a meglepetés. A fizikusok arra számítottak, hogy a kvarkleves gázként viselkedik majd. Ehelyett szinte tökéletes folyadéknak bizonyult, elképesztően kis belső súrlódással.

7:16 Ezt 2005-ben jelentették be. A kísérlet tehát nem egyszerűen igazolta az elméletet, hanem ki is javította. Pontosan így kell működnie a tudománynak. 2010-ben pedig a mérések nagyjából 4000 milliárd fokot mutattak, negyedmilliószor forróbbat a Nap magjánál.

7:34 Ahol a gyorsítók feladják

Eddig a jó hír, de most jön a fordulat. Minden, amit eddig kísérletileg ellenőriztünk, a billiomod másodperc után történt. A nagy egyesítés kora ennél hasonlíthatatlanul nagyobb energiákat igényelne, nagyjából ezermilliárdszor nagyobbakat, mint amire a Nagy Hadronütköztető képes. Mekkora gyorsító kellene ehhez? Egy durva számítás szerint, ha a mai technológiával építenénk, a gyűrű kerülete nem 27 kilométer lenne, hanem nagyjából 4 fényév, majdnem akkora, mint a távolság a legközelebbi csillagig. Ezt nem fogjuk megépíteni. Akkor hogyan lehet tesztelni egy korszakot, amit soha nem tudunk lemásolni? A válasz meglepően egyszerű: türelemmel.

8:16 Honnan tudjuk? A makacs proton

1974-ben Howard Georgi és Sheldon Glashow felírta az egyik első és máig leghíresebb nagy egyesítési elméletet. Ha az erős, a gyenge és az elektromágneses erő tényleg egy volt, akkor az elmélet szerint a protonok sem örök életűek. Nagyon-nagyon ritkán el kell bomlaniuk. Ez ijesztően hangzik, hiszen te is protonokból vagy. De a jóslatok szerint egy proton átlagos élettartama sokszorosan hosszabb a világegyetem koránál. Egyetlen protonra várni tehát szinte reménytelen. Nagyon sok protonra viszont lehet. Japánban, Kamioka közelében, egy hegy alatt nagyjából ezer méter mélyen működik a Super-Kamiokande. Egy óriási tartály, benne 50 ezer tonna ultratiszta víz, a falain több mint 11 ezer félméteres fényérzékelővel.

9:02 Ennyi vízben több mint 10³⁴ proton van. Ha egyikük elbomlik, a keletkező részecske halványkék fényvillanást keltene, amit az érzékelők elkapnak. A legegyszerűbb egyesítési elmélet szerint már az 1980-as évek kisebb detektoraiban látni kellett volna néhány bomlást. Egy sem látszott, így ez a változat megbukott. A Super-Kamiokande 1996 óta figyel. Ha a proton élettartama csak 10³⁴ év lenne, a tartályban évente nagyjából egy bomlás kellene, hogy látszódjon. A 2020-ban közölt elemzés szerint a leggyakrabban jósolt bomlásból egyetlen jelöltet sem találtak. A proton élettartama erre a bomlásra nézve tehát legalább 2,4 × 10³⁴ év. Ez nagyjából egy 1-es, utána 24 nulla: ennyiszer hosszabb a világegyetem eddigi koránál.

9:54 Itt álljunk meg egy pillanatra, mert ez gyönyörű. Egy kísérlet, ami semmit sem talált, megmondja, mely elméletek nem lehetnek igazak. A Super-Kamiokande csendje ezért a nagy egyesítés kutatásának egyik legfontosabb eredménye. Sok bonyolultabb változat így is életben maradt, és az utód, a még nagyobb Hyper-Kamiokande, a tervek szerint az évtized végén kezdi a mérést. Ha egyszer tényleg megtalálnak egyetlen bomló protont, az az évszázad egyik fizikai szenzációja lesz. Addig viszont a becsületes összefoglalás ez: a nagy egyesítés kora szép ötlet, de nem bizonyított tény.

10:29 Egy másodperc

Ugorjunk a végére, az egy másodperchez. Ekkorra a hőmérséklet mindössze 10 milliárd fokra esett, és a neutrínók elszakadtak a többi anyagtól. Azóta akadálytalanul repülnek át a világegyetemen.

10:42 Honnan tudjuk? A neutrínók lábnyoma

Ezeket az ősi neutrínókat közvetlenül még senki sem fogta be. Túl kevés energiájuk maradt, de a nyomukat látjuk. A korai világegyetemben a gravitációjukkal rángatták a forró anyagot, és ez apró, jellegzetes eltolódást hagyott a kozmikus háttérsugárzás mintázatában. Erről az ősi fényről a negyedik részben bővebben lesz majd szó.

11:02 2015-ben egy kaliforniai kutatócsoport az európai Planck-űrtávcső adataiban kimutatta ezt az eltolódást. A háttérsugárzásból az is kiszámolható, hányféle ilyen neutrínónak kell lennie: nagyjából három jön ki, éppen annyi, ahány neutrínófajtát a gyorsítókból ismerünk. És egy személyes adalék: minden köbcentiméterben körülötted, a szobádban és a testedben is, több mint 300 ilyen ősi neutrínó van. Az első másodperc óta úton vannak, és most éppen rajtad haladnak át.

11:34 Rakjuk össze a naplót

Tehát rakjuk össze a naplót. Egy másodpercnél a neutrínók szabadon repültek, és ezt látjuk a háttérsugárzásban. Néhány milliomod másodpercnél a kvarkleves protonokká és neutronokká állt össze, és ezt a levest laboratóriumban is előállítottuk. Egy billiomod másodpercnél szétvált az elektromágnesesség és a gyenge erő, és ezt a W-, a Z- és a Higgs-bozon felfedezése igazolja. Ennél korábbra már csak elméletek visznek. Az infláció mellett erős közvetett jelek szólnak. A nagy egyesítésre egyelőre nincsen közvetlen bizonyíték, csak egy hosszú, néma várakozás egy japán hegy gyomrában. A Planck-időről és arról, ami előtte volt, egyáltalán nincs működő elméletünk.

12:14 A világegyetem indítási naplójának nagy része tehát olvasható, csak a legelső sorok hiányoznak. És hogy neked mi közöd ehhez? A Nap magjában a hidrogén égésének első lépése a gyenge kölcsönhatáson múlik. Mivel ez az erő tényleg gyenge, a folyamat rendkívül lassú, és a Nap ezért tud évmilliárdokon át egyenletesen ragyogni, ahelyett, hogy egy szempillantás alatt elhasználná magát. Az pedig, hogy a gyenge erő gyenge maradt, egy billiomod másodpercnél döntötte el az a bizonyos fagyás. A Föld hosszú, nyugodt története ott kezdődött.

12:47 A következő részben

Az első másodperc forgatagában volt azonban valami, ami nem stimmel. A fizika szerint a kezdetnek ugyanannyi anyagot kellett teremtenie, mint antianyagot. Amikor pedig ez a kettő találkozik, mindkettő eltűnik, és csak fény marad. Ha minden a szabályok szerint ment volna, ma nem lennének csillagok, bolygók, és te sem lennél. Valami billentette a mérleget. Egy parányi, egymilliárdod résznyi hiba a rendszerben. Hogy mi volt az, azt ma sem tudjuk, de a nyomozás javában tart. A következő részben ezt a rejtélyt boncolgatjuk, és feltesszük a legnagyobb kérdést, amit a fizika feltehet: miért vagyunk itt?