|
Rieth József: Anyagvilág - Háttérismeret Jéki László: Tartalomjegyzékhez < Világképem < Planck-időszak Változó fénysebesség? Semmi sem szent? kérdezi írásának címében John D. Barrow, a cambridge-i Egyetem matematikaprofesszora. Barrow számára a fénysebesség állandósága sem szent, szerinte éppen a változékony fénysebesség adna magyarázatot a világegyetem történetének több megoldatlan problémájára. Einstein 1905-ben tette közzé speciális relativitáselméletét, azóta a fénysebesség különleges helyet foglal el a fizikusok gondolkodásában. Vákuumban a fény - kibocsátó forrásának sebességétől függetlenül - állandó, 299 792 458 méter/másodperc sebességgel halad, ennél gyorsabban nem lehet információt továbbítani. A fény véges sebessége nagy szerepet játszik a kozmológiában. Két részre osztja az univerzumot, egy látható és egy láthatatlan világegyetemre. Mindig létezik egy különleges "horizont", ameddig elláthatunk. Az univerzum méretét az a távolság határozza meg, amelyet a fény a kezdet, az ősrobbanás óta bejárhatott. Az idő múlásával ez a horizont tágul, kiterjedése ma mintegy tizenötmilliárd fényévre tehető. Mivel jel nem mozoghat a fénynél gyorsabban, ezért a fény csak a horizonton belül alakíthatott ki egyformaságot, nagy méretekben egyenletes sűrűséget és hőmérsékletet. Az univerzum azonban az elvárhatónál egyenletesebbnek tűnik. Erre sokféle magyarázatot próbáltak már adni, tavaly született a legújabb: a fény sebessége nem állandó, hanem változhat. Ez az ellenőrzésre váró feltevés átfogó magyarázatot ígér a kozmológia több alapvető problémájára. A problémák sorában az első a horizont probléma. Ha az időben visszafelé haladva gondoljuk végig az univerzum történetét, akkor könnyen belátható, hogy volt egy olyan korai időpont, amikor a mai horizonton belüli tér egy része kívül esett az akkori horizonton. Tehát akkor nem volt elég ideje a fénynek ahhoz, hogy a mai horizonton belüli teret bejárja egyik szélétől a másikig. Emiatt nem simíthatta ki a mai horizont két széle közti hőmérséklet- és sűrűség-egyenetlenségeket. Összehangolatlan, szabálytalan eloszlásokat kellene tapasztalnunk, de éppen az ellenkezője a helyzet. A legnagyobb skálákon mérve a mai univerzumban csak néhány százezredrésznyi az eltérés az egyenletességtől. Az univerzum sorsa a benne megtestesülő tömeg és energia mennyiségétől függ: vagy mindig tágulni fog a jövőben is, vagy a tágulás megáll és az összehúzódás a "nagy reccshez" vezet el. A jelenleg ismert értékek szerint a világegyetem ma nagyon közel van a két lehetőséget elválasztó kritikus értékhez. Ismereteink szerint a kritikus értéktől való eltérésnek az idő múlásával egyre nagyobbá kell válnia, ha a világegyetem csak a ma ismert anyagból és sugárzásokból áll. Ismét visszafelé haladva az időben, a kiinduló értékeknek tehát hihetetlenül közel kellett esnie a kritikus értékhez, amire nincs magyarázat. Ezt nevezik a laposság problémájának, mert a kritikus mértékben táguló tér geometriája inkább lapos, mint görbült. A világegyetem tágulását Einstein általános relativitáselmélete írja le, ez két tagból álló gravitációs erőhatást enged meg. Az egyik tag a newtoni négyzetes törvény finomított változata, a másik tag másféle viselkedést ír le. A második erő a tárgyak közti távolsággal egyenes arányban nő (az első tag a távolsággal fordított arányban négyzetesen csökken). A második tag erősségét Einstein lambdával jelölte, de az elméletből sem lambda nagysága, sem előjele, tehát az erő vonzó vagy taszító jellege nem következik. Részecskefizikusok szerint az erő kiszámítható a korai univerzumban érvényesült kvantumhatásokból, jellege pedig taszító, minden tömeg taszítja a többit. Ez a számszerű becslés azonban 120 nagyságrenddel (!) nagyobb értéket ad meg annál, amit a tapasztalati tények, a csillagászati megfigyelések megengednek. Tehát a lambda-probléma is nyitott. A horizont és a laposság problémájának megoldására 1981-ben vezették be az azóta nagyon népszerűvé vált inflálódó univerzum modellt. Eszerint röviddel az ősrobbanás után rövid ideig drámai gyorsasággal tágult a világegyetem, ez az infláció. Az említett két probléma tényleg megoldható ebben a világegyetemben. Nyitott kérdés, hogy miért kezdett el az univerzum inflálódni. A nagyon korai, forró világegyetemben létezhettek különleges, ismeretlen anyagfajták, amelyek taszítóvá változtathatták az egyébként vonzó gravitációs erőket, a taszító erők miatt lépett fel a gyors tágulás. Később a különleges részecskék átalakultak a ma ismert részecskékké, az infláció megállt, és az univerzum a ma ismert módon, egyre lassuló mértékben tágult tovább. Ez a hatékony elmélet azonban nem oldja meg a lambda-problémát. Újabb kérdések is felmerültek időközben. Egyes mérési adatok szerint a világegyetem tágulása gyorsul, vagyis a lambda erő ma is hatással van a tágulásra. Ez még nehezebbé teszi a laposság és a lambda-probléma megoldását. Először John Moffat kanadai fizikus vetette fel, hogy a fénysebesség szentként tisztelt állandóságának feladása érdekes kozmológiai következményekkel jár. Tavaly Moffat (Torontói Egyetem), Andreas Albert (Kaliforniai Egyetem, Davis) és Joao Magueijo (Imperial College, London) számolta ki, milyen következményekkel járhat, ha a világegyetem korai szakaszában hirtelen megváltozott a fény sebessége. Barrow, az ismertetett cikk szerzője, más feltevéssel élt. Olyan világegyetem történetét követte nyomon számításaival, melyben a fény sebessége folyamatosan, a világegyetem tágulásával arányos ütemben változott. Az ötletek egyszerűek, de nem volt könnyű ezek alapján kellő szigorúsággal felépíteni az átfogó elméletet, hiszen a fénysebesség állandósága sokféle módon beépült a fizikába. Ha a fény a világegyetem történetének kezdetén a mainál lényegesen gyorsabban mozgott, majd elég gyorsan lelassult, akkor a horizont, a laposság és a lambda-probléma egy csapásra megoldódik. Találni olyan fénysebesség lassulási ütemeket, melyek mellett a legújabb tágulási problémák is kezelhetővé válnak. Az új elmélet megalkotói szerint a tágulás kritikus értékétől való eltérés mértéke és a lambda erő nagysága egyaránt a fénysebesség négyzetével arányos, tehát a fénysebesség értékének gyors csökkenésével hosszú távon elhanyagolhatóvá válnak. A változó fénysebességre épített hipotézisnek az a nagy előnye az inflációelmélettel szemben, hogy nem kívánja meg ismeretlen, gravitációs taszító hatású anyagfajta létezését. Csak az univerzumban ma jelenlevő ismert anyaggal és sugárzásokkal számol. Az inflációelmélettel szemben megoldást kínál a lambda-problémára is. A modell egyszerűsége és meglepő eredményessége miatt érdemes további, alaposabb vizsgálatokba kezdeni. Olyan átfogó gravitációs elméletet kellene kidolgozni, amely változó fénysebességgel számol és határesetben, változatlan fénysebességnél visszaadja a mai elméleteket. Olyan részletességgel kell kidolgozni az új elméletet, hogy ellenőrizhető következtetésekre vezessen. Az inflációelmélet már képes erre. A közeljövőben indítandó űrmissziók, a NASA 2000-ben útra kelő MAP szondája, majd az ESA európai űrügynökség Planck Surveyor szondája nagyon pontosan méri majd az univerzum hőmérsékleti fluktuációit. A pontos kísérleti adatok segíthetnek az elméletek ellenőrzésében, a versengő elméletek közti választásban. Sok elméleti fizikus dolgozik azon, hogy a szuperhúr elmélet keretében egyesítse az alapvető kölcsönhatásokat. A szuperhúr elmélet részeredményei szerint a hagyományos természeti állandók (például a gravitációs, finomszerkezeti, Planck-állandó) állandósága is megkérdőjeleződik. Mások annak nyomát keresik, hogy a fénysebességre épített állandók elemzésével ki lehet-e mutatni a fénysebesség hajdani változékonyságának mai maradványait. Barrow és Maguiejo lát erre reményt, ezért például kvazárok spektrumában az atomi átmenetek frekvenciáit elemzik nagy pontossággal. Barrow szavaival ez lehet az az ablak, amely a fizikai valóság következő szintjére nyílik. Tartalomjegyzékhez < Világképem < Planck-időszak -------------------------------- http://epa.oszk.hu/00700/00775/00014/83-94.html New Scientist, 1999. július 24.
|