Lovas István

Lovas István fizikus (Gyöngyöshalász, Heves m., 1931). Az ELTE természettudományi karán végzett, kutatási területe az elméleti és kísérleti atommagfizika. A fizika doktora, az MTA tagja. 1992–96 között a Központi Fizikai Kutató Intézet vezérigazgatója, jelenleg a debreceni egyetem tanára, az Acta Physica Hungarica főszerkesztője.

Az első 15 milliárd év

(A Világegyetem története)

Szeretettel köszöntöm a tisztelt hallgatóságot és a kedves nézőket a tévéképernyők előtt. Előadásom címe nem mondható szerénynek, ezért az előadónak kell szerénynek lenni. Így hát mindjárt az elején előrebocsátom, hogy az, amiről beszélni fogok, csak egy modell, ami nem az utolsó szó a tudomány történetében. Nem kezdhetem azzal, hogy „már az ókori görögök is…", mert ez a modell még nyolcvanesztendős sincs. Viszont Albert Einstein volt az, aki alapjait megvetette 1916-ban, amikor közzétette az általános relativitáselméletről szóló munkáját. Ezen elmélet alapegyenleteinek megoldásából az adódott, hogy a Világegyetem időben nem változatlan. Ehelyett folyamatosan tágul. Ezt az elméleti jóslatot E. Hubble-nak a csillagászati megfigyelései teljes mértékben alátámasztották. Ő ugyanis felismerte, hogy az égen látható, illetve alig-alig látható, ködfoltnak tűnő objektumok nem egyebek, mint a mi Tejutunkhoz hasonló galaxisok, amelyekben átlagosan százmilliárd, a mi Napunkhoz hasonló csillag ragyog. Azért látjuk halványnak őket, mert igen távol vannak. Hubble egy, az 1920-as évek elején üzembe helyezett nagy átmérőjű távcső segítségével meg tudta mérni számos galaxis távolságát. Nem sokkal később sikerült a távoli galaxisokból érkező fényt színeire bontani, és észrevette, hogy a színképükben felismerhetők a hidrogén diszkrét színképvonalai. Ez azért volt fontos, mert ezáltal bebizonyosodott, hogy nemcsak a Napnak és a Tejút többi csillagának az anyaga áll elsősorban hidrogénből, hanem a távoli galaxisokban található csillagok is zömmel hidrogént tartalmaznak. A hidrogén színképvonalainak tanulmányozása során kitűnt, hogy ezek a vonalak a földi laboratóriumban megfigyelhető színképvonalakhoz képest a vörös felé, azaz a kisebb rezgésszámok felé vannak eltolódva. Ehhez hasonló jelenséget mindennap tapasztalhatunk a járda szélén állva, amikor jármű halad el előttünk. Amíg közeledik felénk, már halljuk a zúgását, amikor elhalad előttünk, és távolodni kezd, akkor a zúgása hirtelen alacsonyabb rezgésszámúra változik. Ezt hívják Doppler-hatásnak, amit tapasztalni lehet minden hullámjelenségnél. Ez azt jelenti, hogy a távoli galaxisokból jövő fényben észlelhető színképvonalak azért vannak eltolódva a kisebb rezgésszámok felé, mert a galaxisok távolodnak tőlünk. Hubble ezeket az értékes megfigyeléseket szinte megkoronázta, amikor egy igen érdekes és rendkívül fontos törvényszerűséget vett észre, miszerint mennél távolabb van tőlünk egy galaxis, annál nagyobb sebességgel távolodik (1928). Ez a híres Hubble-törvény:

SEBESSÉG = TÁVOLSÁG.

(Itt az idő egysége nem a szokásos 1 másodperc, hanem 15 milliárd év!)

Mihez képest távolodnak a galaxisok? Természetesen hozzánk képest, hiszen itt a Földön tapasztaljuk a távolodást. Ezek szerint mi vagyunk a Világ közepe? De már Kopernikusz is megmondta, hogy ez tévedés! A maconkaiak is haragszanak, amikor a környékbeliek azt híresztelik róluk, hogy Maconkát tartják a Világ közepének. (Maconka egy kedves kis falu a Mátrában.) Ha nem mi vagyunk a Világ közepe, akkor azt kell elfogadnunk, hogy minden galaxis távolodik minden galaxistól. Ahogy egy felrobbant gránát repeszdarabjai is távolodnak egymástól. Jó ez a hasonlat? Nem! Mert a galaxisok annál gyorsabban távolodnak, mennél távolabb vannak egymástól. Ez pedig nem igaz a repeszdarabokra. Azok távolodási sebessége független az egymáshoz képesti távolságtól.

A Hubble-törvényt csak akkor tudjuk értelmezni, ha feltételezzük, hogy az „üres" geometriai tér tágul, és a galaxisok „úsznak" a táguló tér hátán (eltekintve egy kis, véletlenszerű „hőmozgástól"). Ezt megpróbálom bemutatni ennek a gumiszalagnak a segítségével, amelyet az egyszerűség kedvéért nevezzünk gatyamadzagnak, amelyre görcsöket kötöttem. A görcsök reprezentálják ezen egydimenziós világ galaxisait. Ha elkezdem húzni a madzag két végét, akkor a görcsök távolodnak egymástól, mennél távolabb vannak, annál jobban. Nem a görcsök mozdultak el, hanem alattuk az egydimenziós tér tágult. Ugyanezt be tudom mutatni ennek a léggömbnek a segítségével is, aminek a felülete egy kétdimenziós világ. A léggömbre festett pontok ennek a kétdimenziós világnak a galaxisait reprezentálják. Ha felfújom a léggömböt, akkor a pontok távolodnak egymástól, annál gyorsabban, mennél távolabb vannak egymástól. Nem a pontok mozdultak el a felülethez képest, hanem a felület tágult, és ezen úsztak el a pontok. Itt van ez a habszivacsdarab, ha ezt felfújnám, akkor minden pont távolodna egymástól, annál gyorsabban, mennél messzebb vannak egymástól. A felfújást a tisztelt hallgatóság képzelőtehetségére bízom.

Albert Einstein az általános relativitáselmélet alapegyenleteit 1916-ban megoldotta és eredményül azt kapta, hogy a Világegyetem időben változik. De ezt az eredményt nem merte elhinni az akkor uralkodó filozófiai dogmák miatt. Inkább „elrontotta" a saját maga által felállított egyenleteket, amit azután élete legnagyobb tévedésének tekintett egészen haláláig. A táguló Világegyetem modelljének elméleti leírása így Alexander Friedmann szentpétervári fizikus nevéhez fűződik, aki az Einstein-féle egyenletek megoldásait 1922-ben felkutatta és rendszerezte.

Ha a Világegyetem szakadatlanul tágul, akkor 15 milliárd évvel ezelőtt egy nagyon kis térfogatban volt összezsúfolva, és ott az anyag sűrűsége, hőmérséklete és nyomása elképzelhetetlenül nagy kellett hogy legyen. A fizika jelenleg még nincs azon a fejlettségi fokon, hogy a „kezdetben" uralkodó viszonyokat leírja. (Ehhez az kellene, hogy megalkossuk a gravitáció kvantumelméletét, de ez még várat magára.) Ezért a fizika „csak" arra vállalkozhat, hogy az „Ősrobbanástól" (az ún. „Big Bang"-től) számított 10–43 másodperctől kezdve tanulmányozza a viszonyokat. Mi azonban most nem vállalkozhatunk arra, hogy ilyen korai eseményeket nyomon kövessünk. „Megelégszünk" azzal, hogy az első mikromásodperc végétől, azaz a Világegyetem őskorának lezáródásától kezdve követjük a Világegyetem fejlődését.

Ekkor az anyag hihetetlenül magas, körülbelül 1 GeV (1 milliárd elektronvolt) hőmérsékletű lehetett, a sűrűsége pedig a mostaninál 12 nagyságrenddel volt nagyobb. Abból a célból, hogy egy kicsit hozzászokjunk ezekhez az embertelen viszonyokhoz, induljunk el valamilyen jól ismert anyag normális állapotából. Legjobb, ha a vizet vesszük szemügyre egy kicsivel 0 Celsius-fok alatt. Ekkor a vizet jégnek nevezzük, ami egy csodálatosan jól rendezett kristály, amelyben a víz H2O molekulái széltében is, hosszában is és magasságban is pontosan meghatározott helyeken ülnek. Ha emelni akarjuk a hőmérsékletet, akadályba ütközünk, mert a betáplált hő a jég elolvasztására fordítódik, nem pedig a melegítésére. Amikor azonban a jég elolvadt, attól kezdve a cseppfolyós víz hőmérséklete akadály nélkül emelkedik egészen 100 Celsius-fokig. Ekkor a víz forrni kezd, és a betáplált hő a víz elpárologtatására fordítódik. Az elpárolgott vízgőz, amely egymástól független H2O molekulákból áll, tovább melegíthető mindaddig, amíg a víz molekulái fel nem bomlanak, és át nem alakulnak H2, illetve O2 molekulákká. Folytassuk a melegítést! Előbb-utóbb bekövetkezik ezeknek a molekuláknak a felbomlása is, mert az anyag alkatrészeinek a rendezetlen hőmozgása szétrombol előbb-utóbb minden szerkezetet. Az eddig felsorolt folyamatoknál is ez történt. A kristályos jégből cseppfolyós víz lett, a kondenzált vízből olyan gőz keletkezett, amelyben a molekulák között minden rendezettség megszűnt. Ezek fizikai halmazállapot-változások voltak. Ezután következnek a sokkal drasztikusabb kémiai átalakulások, amelyek során mindaz tönkrement, amitől a víz víz volt. Most már csak atomokkal, azaz hidrogén- és oxigénatomokkal állunk szemben. Folytassuk a hőmérséklet növelését, azaz fokozzuk az anyag rendezetlen hőmozgásának az intenzitását. Ez előbb-utóbb azt a rendezettséget is szétdúlja, ami az atomokban uralkodik. Ez előbb az atomok véletlenszerű gerjesztődésében jelentkezik, majd pedig az ionizációval folytatódik, aminek során az elektronok kiszakadnak az atom kötelékéből és szabaddá válnak, miközben elektromosan töltött pozitív ionok maradnak hátra:

H——H+ + e–.

A H+ hidrogénion a legegyszerűbb atommag, amit protonnak is szoktak hívni. A jelen pillanatban is folynak a kísérletek Brookhavenben, azzal a céllal, hogy a protont megolvasszák, azaz, hogy szétverjék az alkotórészeire. Ezek az alkotórészek a kvarkok. A kvarkok igen szokatlan tulajdonságú részecskék. Magányosan nem fordulnak elő a természetben. A leggyakrabban hármasával kapcsolódnak össze és így jön létre a proton, és a hozzá hasonló többi nehéz részecske, többek között a semleges neutron. Azt gondoljuk, hogy a természetben előfordul a kvark-plazma állapot is, ami úgy hozható létre, hogy két nehéz, nagy energiájú atommagot összelövünk. Az ütközés hatására felforrósodott anyagban megolvadnak a protonok és a neutronok falai, amelyek eddig hármasával tartották fogva a kvarkokat. Az így kialakult rendszer a kvark-plazma.

A kvark-plazma képződés hasonlít a börtönlázadáshoz. A kvarkok kiszabadulnak a háromszemélyes börtöncellákból, de a börtönudvart nem képesek elhagyni. A börtönudvaron valósul meg a plazmaállapot. Amikor a hőmérséklet lecsökken, a kvarkok ismét háromszemélyes börtöncellákba záródnak vissza. Ezt a jelenséget próbálják megfigyelni a jelenleg folyó kísérletek segítségével Brookhavenben.

Itt álljunk meg! Ez az a pont, ameddig az elméleti fizika jóslatait kísérletekkel közvetlenül is ellenőrizni tudjuk.

 

A Világegyetem ókora

Az eddig vázolt átalakulásokat nem összevissza, hanem egy meghatározott rendben sorakoztattuk fel. Ez a sorrend akkor érvényes, ha a hőmérséklet monoton módon növekszik.

Ezt a sorrendet csak pedagógiai szándékkal mutattuk be, mert így egy ismerős anyagtól, mondhatni a legszeretetreméltóbb anyagtól, a víztől indulhattunk el, és a hőmérséklet növekedésével jutottunk el a börtönlázadásra emlékeztető kvark-plazma képződésig. A Világegyetem története folyamán a való világban épp az ellentétes sorrend valósult meg. Kezdetben a hőmérséklet iszonyú magas volt, de a tágulás miatt ez idővel monoton módon csökkent, és az átalakulások éppen az ellenkező sorrendben követték egymást. A hőmozgás romboló hatása folyamatosan enyhült, és az anyagnak egyre rendezettebb és egyre szervezettebb formái jelentek meg.

1.) A kvark-plazma átalakult, azaz a kvarkok hármasával összekapcsolódtak, és ily módon létrejöttek olyan nukleáris részecskék, mint a proton és a neutron. Ez az első mikromásodperc vége felé következett be, amikor a hőmérséklet még körülbelül 1 GeV-nek felelt meg.

2.) Ezt követően az anyagot alkotó protonok és neutronok a köztük működő erők, az ún. magerők hatására „megkísérelték" azt, hogy atommagokká álljanak össze. Ez azonban mindaddig sikertelen volt, amíg a hőmérséklet le nem csökkent az 1 GeV századrésze alá. Ezen a hőmérsékleten már a magerők „győztek". Képesek voltak a protonokat és a neutronokat olyan erősen egymáshoz láncolni, hogy a kaotikus hőmozgás már nem tudta szétszaggatni a kötést, azaz atommagok jöttek létre. Minthogy azonban a neutronok élettartama véges, ezért csak egy véges időszakasz állt rendelkezésre ahhoz, hogy a neutronok „bemeneküljenek" az atommagok „védőszárnyai alá". Azok a neutronok, amelyeknek nem sikerült bemenekülni, elbomlottak. Ez a magyarázata annak, hogy gyakorlatilag csak héliumatommagok tudtak létrejönni. (A nehezebb atommagok csak sokkal később, a csillagok kialakulása után képződtek. A csillagok energiatermeléséért felelős fúziós magreakciók termelik ma is az összetettebb magokat egészen a vasig. A vasnál nehezebb magok a szupernova-robbanások során keletkeznek egészen az uránig.) A Táguló Világegyetem Modelljének az első sikere éppen az volt, hogy sikerült az „ősi" hélium/hidrogén arányt elméleti úton megmagyarázni.

3.) A keletkezett hidrogén- és héliummagok pozitív elektromos töltést hordoznak, ezért magukhoz vonzzák a negatív töltésű elektronokat, amelyek eddig is jelen voltak, de nem játszottak jelentős szerepet, ezért eddig nem beszéltünk róluk. Amíg a hőmérséklet 1 eV felett van, addig ennek a vonzásnak nincs nagy jelentősége. Az anyag egy elektromos plazmát alkot, amelyben a pozitív töltésű atommagok és a negatív töltésű elektronok egymással szaporán ütköznek, aminek eredményeképpen igen intenzív elektromágneses sugárzás jön létre. Amikor azonban a hőmérséklet 1 eV alá csökken, minőségi változás áll be. Az atommagok és az elektronok egymáshoz kötődnek, és elektromosan semleges atomok jönnek létre. Az elektromágneses sugárzás, azaz a fény „gazdátlanul maradt", mert a semleges atomokkal való kölcsönhatása elenyésző.

Amikor az anyag semlegessé vált, akkor a sugárzás hőmérséklete ugyanannyi volt, mint az atomos anyagé. Ez azt jelentette, hogy az ultraibolya színeknek megfelelő hullámhoszszak fordultak elő a leggyakrabban.

Ez a sugárzás ma is itt van velünk.

Hogyhogy? Ez nem lehet igaz! Ultraibolya sugárzásban élnénk? Ez lehetetlen! Való igaz, hogy ez lehetetlen lenne, ha nem történt volna valami! De történt! Ezt 1948-ban Gamow és munkatársai fogalmazták meg egy zseniális előrejelzés formájában. A Világegyetem tágul. Ezért a fény hullámhossza is növekszik! Ami hajdan ultraibolya sugárzás volt, az mára mikrohullámú rádiósugárzássá szelídült. Ebben élünk (de ettől nem barnulunk le). Észre sem veszszük. Véletlenül vette észre 1964-ben Wilson és Penzias, amikor egy távközlési antenna javításával foglalkoztak. Azt vették észre, hogy a világűrből minden irányból érkeznek rádióhullámok, amelyek pontosan olyan tulajdonságúak, mint amilyet megjósoltak a Táguló Világegyetem Modellje alapján. Ez a Kozmikus Háttérsugárzás. Ma ennek a pontos feltérképezésével foglalkozik a legtöbb rádiócsillagász. Volt, aki ezt a térképet Isten arcának nevezte, mert ennek a finom részletei tükrözik a legmegbízhatóbban a 15 milliárd évvel ezelőtti viszonyokat.

A semleges atomok kialakulásával, illetve a hőmérséklet további csökkenésével megnyílt annak a lehetősége is, hogy a semleges atomok molekulákká kapcsolódjanak össze.

Ezzel a Világegyetem történetének befejeződött az a korszaka, amelyben az elemi részecskék, illetve a köztük működő kölcsönhatások játszották a meghatározó szerepet. Összefoglalva megállapíthatjuk, hogy a kvarkok között ható erős kölcsönhatás eredményeképpen felépültek a protonok, a neutronok és más hasonló részecskék, maga az erős kölcsönhatás pedig bezáródott ezen részecskék belsejébe.

Ezt követően a protonok és neutronok között ható magerők létrehozták az atommagokat, a magerők pedig bezárultak az atommagok belsejébe.

Ezután az elektromosan töltött részecskék között ható elektromágneses kölcsönhatás létrehozta a semleges atomokat, illetve a molekulákat, az elektromágneses kölcsönhatás pedig bezáródott ezeknek a részecskéknek a belsejébe.

Az elemi részecskékkel kapcsolatos jelenségek a Világegyetem későbbi korszakaiban csak lokálisan fordulnak elő, ott, ahol vagy a hőmérséklet magassá válik, vagy valamilyen mechanizmus révén nagy energiakoncentráció jön létre. Az elemi részecskékből felépített rendszerek a kvantumfizika rendkívül szigorú törvényei szerint jöttek létre. A kialakult összetett részecskék szerkezete és tulajdonsága tökéletesen azonos. Ez jut kifejezésre a kvantumfizika azon elvében, amely kimondja, hogy azonos típusú részecskék egymástól megkülönböztethetetlenek.

A kvantumfizikai törvények irányításával létrejöttek azok a tökéletesen szervezett mikrostruktúrák, amelyek építőkövekként szolgálnak a makroszkopikus anyag felépítéséhez. Érdemes kihangsúlyozni, hogy ezek a mikrostruktúrák (atommagok, atomok, molekulák) azért tekinthetők stabil építőköveknek, mert a hőmérséklet lecsökkent, és ezért a rendezetlen hőmozgás már nem képes szétverni ezeket a struktúrákat.

 

A Világegyetem újkora

És ekkor egy új kölcsönhatás lépett a színre: ez a gravitáció! Ez természetesen eddig is jelen volt, csak a szerepe eddig elhanyagolható volt. Már Newton óta tudjuk, hogy az általános tömegvonzás törvénye érvényesül minden anyagra. Más szóval minden anyagdarab vonzza a Világegyetem minden más anyagdarabját. A Világegyetem csak azért nem roppan össze ennek az iszonyú vonzásnak a hatására, mert az energiasűrűsége kisebb egy bizonyos kritikus értéknél. Ha nagyobb lenne az energiasűrűség, akkor előbb-utóbb össze is roppanna, azaz a Világegyetem jelenlegi tágulása lelassulna, és összehúzódás váltaná fel. Jelenlegi ismereteink szerint a Világegyetem sűrűsége éppen e kritikus sűrűség közelében van, és nem kizárt, hogy előbb-utóbb össze is roppanjon.

Az Univerzum tágulása során az anyag sűrűsége és hőmérséklete szakadatlanul csökken. Előfordulnak azonban véletlen fluktuációk is. Ennek következtében azokon a helyeken, ahol a sűrűség véletlenül nagyobb, mint a környéken, a gravitáció hatására a sűrűség tovább növekszik. Ily módon véletlen eloszlású „csomósodás" jön létre. Később ezekből alakulnak ki a galaxisok. A galaxisokon belül előforduló későbbi „csomósodás" vezet el a csillagok kialakulásához. Ezek a folyamatok ma is zajlanak.

(Elhangzott a Debreceni Akadémiai Bizottság és a Magyar Televízió Debreceni Stúdiója Értékek akadémiája című ismeretterjesztő sorozatának első előadásaként, a DAB székházában, 2003. március 19-én. Az előadás vetítésére 2003. március 28-án 14 órakor került sor az MTV 1 regionális műsorában.)