Címkearchívumok: sötét anyag

Miért tágul a Világegyetem?

Csillagászat, , , ,

Egy korábbi írásomban foglalkoztam azzal a problémával, hogy az Univerzumban a gravitáció olyanformán működik, hogy a különböző mérettartományokban különböző struktúrákat hoz létre. Nézzük végig most újra ezeket a szinteket, de most a vizsgálódás fő szempontja legyen az, hogy hogyan maradhatnak stabilak az egyes struktúrák.

A legalacsonyabb szinten a gravitáció erőssége annyival kisebb a többi erőnél, hogy elhanyagolható a hatása a stabilitás szempontjából. Az első szint, amivel már érdemes foglalkozni, az a bolygó (hold kisbolygó, aszteroida, üstökös, …) szint. A stabilitást itt az adja, hogy a közel gömb alakú égitesteket összehúzza a gravitáció, az összeomlást viszont megakadályozza az, hogy az atomok igyekeznek távol kerülni egymástól, illetve szilárd, stabil kristályrácsokat hoznak létre. Az atomok elektronjai a Pauli-féle kizárási elv miatt taszítják egymást, és az elektronok sem nyomódnak be az atommagba, mert a legalacsonyabb energiaszintről már nem tudnak lejjebb kerülni. Ahhoz, hogy egy szilárd test összeomoljon, sokkal nagyobb tömegűnek kell lennie, de valamiért a Világegyetem bolygói, holdjai, kisebb égitestjei éppen abban a tartományban vannak, ahol elkerülik a gravitációs kollapszust. A csillagok is ebben a tartományban vannak, de mivel nekik sokkal nagyobb a tömegük a bolygókénál, itt más mechanizmus előzi meg az összeomlást, a csillag belsejében zajló fúzió által keltett energia, hő, nyomása áll ellene a gravitáció összehúzó hatásának.

Van még egy nagyon lényeges szempont, a forgás. Ez is ellene hat az összeomlásnak, bár itt meg kell jegyezni, hogy gömb alakú testek esetében, csak a forgástengelyre merőleges síkban a legerősebb a kifelé ható centrifugális erő, a pólusok irányában nincs kifelé ható erő, ebben az irányban a gravitációnak csak a molekuláris és kvantummechanikai hatások állnak ellen.

Holdak, naprendszerek

Ami érdekes ezekben, hogy az anyag, amiből keletkeznek, nem egyetlen nagy anyagcsomóvá áll össze, hanem egyrészt keletkezik a rendszer közepén egy nagy csillag, körülötte több kisebb bolygó, azok körül még kisebb holdak. A rendszer lényeges tulajdonsága a forgás és a keringés. Számomra a mai napig rejtély a forgás és keringés eredete, a forgó és keringő mozgás impulzus-momentumának valahonnan erednie kell, lévén ez megmaradó mennyiség. Valaminek tehát ki kellett alakítania az egyes testek forgó-, és egymás körüli keringő mozgását úgy, hogy impulzus-momentumot kellett átadnia, a sajátja kárára. A központi égitest, vagy több központi csillag, a bolygók és a holdak tengely körüli forgása ráadásul nem is létfontosságú egy naprendszer esetében, annál fontosabb viszont a keringés, hiszen e nélkül nm lenne stabil a rendszer. Sem a bolygó-hold, sem a csillag-bolygó rendszerek nem létezhetnének keringés nélkül, ez akadályozza meg ugyanis a kisebb testek, nagyobbakba zuhanását. Különösen érdekes, hogy a bolygók és a holdak nagyjából ugyanabban a síkban keringenek, amely megegyezik a központi csillag forgástengelyére merőleges síkkal. Ez érthető lenne, ha a naprendszerek mind egy-egy lapos korongból alakulnának ki. Ennek ellentmond az impulzus-momentum eloszlása, és további kérdés, a lapos korong eredete.

Galaxisok

Egy nagy központi tömeg (feketelyuk?) körül keringenek a csillagok és azok naprendszerei. Nagyon lényeges a központ körüli keringés, hiszen ez akadályozza meg, hogy minden égitest a középpontba zuhanjon. Ugyanakkor egyelőre magyarázat nélküli az a tény, hogy a galaxisok ellentétben a naprendszerekkel merev testként forognak. Ennek az anomáliának a magyarázatára született meg a sötét anyag fogalma, ez azonban további megoldandó problémákat vet fel, tehát ez a kérdés még korántsem tekinthető rendezettnek.

Galaxis halmazok

Még nagyobb lépték, további problémák: az összetevő galaxisok nem egy síkban rendezettek, az is kérdés, hogy mi tartja össze a halmazt, és az is megválaszolandó, hogy miért nem omlanak össze egyetlen gigantikus anyagcsomóba. Mintha a gravitáció itt már egészen másképp működne, mint kisebb méretekben.

Filamentek, falak, óriás struktúrák

A legnagyobb probléma a legnagyobb struktúrák esetében lép fel, itt nincs forgás, keringés, illetve nem tudjuk mérni a nagy méretek és a lassú mozgás miatt, mégis a struktúrák szerkezete azt mutatja, hogy egészen más erők alakítják őket. Mintha egy tartószerkezetre, egy rácsra lennének rögzítve, tartós, változatlan struktúráknak tűnnek. Képzeljünk el egy közel másfél milliárd fényév kiterjedésű hosszú, szálas szerkezetű alakzatot, ez nem jöhet létre homogén eloszlású anyag összehúzódásával, véletlenszerű folyamatok révén sem, ha egy homogén, izotróp felhő spontán módon összehúzódik, gömbszimmetriának, ha közben ellaposodik, akkor forgási szimmetriának kellene látszania. Ez az alakzat milliárd éves fejlődési folyamat után olyan alakot mutat, amiből nem lehet következtetni a létrejötte módjára. Képzeljünk el a Földön egy hegységláncot, amely kanyarog, mint egy folyó, és nagy kört ír le, vagy mondjuk, spirális alakban tekeredik, ezeket nem lehetne megmagyarázni sem vulkáni tevékenységgel, sem kéreglemezek ütközésével. És mondjuk, akkora lenne, ami miatt fel kellene tételezni, hogy nagyon régi, viszont az erózió azt mutatná, hogy fiatalabbnak kell lennie. Ekkora léptékben tehát nagyon komoly problémák vannak a gravitáció jelenlegi elméletével (elméleteivel).

A teljes Univerzum

Ha az egész Univerzumot tekintjük, ott a domináns jelenség, a tágulás. Sem forgás, sem keringés, sem összehúzódás nincs, minden mindentől távolodni látszik. És ez úgy tűnik, elegendő a stabilitás fenntartásához.

Ezután, a kicsit hosszúra nyúlt bevezető után érkeztünk el az eredeti kérdéshez: miért tágul a Világegyetem. Hogy miért kellett ennyire részletesen újra bemutatni a különböző szintek uralkodó szerkezeteit és mozgásait? Azért, mert nem lehet eléggé hangsúlyozni, hogy az a kép, hogy a Világegyetem nagy léptékben homogén és izotróp, nem tartható, és nem is ad magyarázatot a kisebb léptékű szerkezetek kialakulására és mozgására.

Az általános relativitás-elmélet

Az elmélet már a megalkotásakor sem tudott számot adni arról, hogy miért stabil a Világegyetem. Az egyenletek azt mutatták, hogy vagy tágulnia, vagy összehúzódnia kellene.

A kozmológiai állandó, mint bűvészkellék

Ekkor jött a lambda, a kozmológiai állandó, ami nem több egy bűvészkelléknél, egy tag az egyenletekben, amivel Einstein (akinek az elméleteivel messzemenően nem értek egyet) az egyenleteinek próbált legitimitást biztosítani. Nem sikerült, mert az egyenletek annyira érzékenyek a legkisebb ingadozásra is, hogy egy ideiglenes stabil állapot nagyon hamar átmegy összehúzódásba vagy tágulásba. Egyik lehetőség sem tűnt kielégítőnek, így a lambda kiesett az elméletből.

Amikor később Hubble úgy tapasztalta, hogy az Univerzum tágul, gyorsan kikiáltották a kozmológiai állandót a tágulás okozójának. Einstein pedig szomorúan vette tudomásul, hogy megjósolhatta volna a Világegyetem tágulását, ha meghagyja a kozmológia állandót az egyenletekben. De mi köze van ennek az ad hoc állandónak a táguláshoz?

Az égvilágon semmi! Egy matematikai segédeszköz, ami kellett az egyenletek stabilizálásához, ez a kozmológiai állandó, semmi egyéb. Ha benne hagyjuk az egyenletekben az Univerzum akár össze is húzódhatna, a kozmológiai állandó ezt is lehetővé tenné. Miért éppen a tágulást és miért nem az összehúzódást választotta a Világegyetem? És miért ilyen a tágulás üteme, amilyen. A kozmológiai állandó erre nézve semmit sem mond.

Aztán jött a sötét energia, úgy tűnt az Univerzum gyorsulva tágul. Mostanában derült ki, hogy ez lehet, hogy egyáltalán nincs így, mert a mérésekben szisztematikus hibaként ott van a Naprendszer 600 km/s sebességű mozgása, valamihez képest. Én ezt a valamit hívom abszolút vonatkoztatási rendszernek.

Ha valóban gyorsul a tágulás, akkor a kozmológiai állandó nem állandó, hanem egy függvény, a Világegyetem életkorától függő függvény. Erről aztán már végképp semmit sem mond az általános relativitás-elmélet.

Ennek ellenére a kozmológia állandót azóta is Einstein zsenialitása egyik bizonyítékának tekintik, holott az egy kétségbeesett próbálkozás volt az elmélet megmentésére. És ha még ez nem lenne elég, az antigravitációval azonosítják a lambdát, amire szintén semmi komolyan vehető alap nincsen.

Van tehát egy matematikai bűvészkellék, amit most már gyakorlatilag mindenhez felhasználnak, legyen az sötét energia vagy antigravitáció.

Csakhogy a tudománynak fordítva kellene működnie. Előbb a kísérletek, mérések, utána az elmélet és a matematika. Bármikor fel lehet írni olyan egyenletet, amiben iszonyatos mennyiségű kifejezés és konstans van mindenféle kombinációban, és el is nevezhetnénk ezt a Mindenség Egyenletének, majd azt állítanánk, hogy a konstansokat ezután még meg kell határozni. Amelyik konstans nullának bizonyul, az ahhoz tartozó függvény kiesik. Egyszer majd csak összejön egy jó egyenlet.

Ez nem így kell, hogy működjön. Ha kozmológiai állandóról, antigravitációról akarunk beszélni, mérjük meg előbb őket, adjuk meg a tulajdonságaikat, majd utána jöhetnek az egyenletek. Az nem megy, hogy felírunk egy egyenletet, majd hogy életben tartsuk képzeletbeli tagokat adunk hozzá, majd amikor valami váratlant találunk, akkor kijelentjük, hogy ez éppen az, amit matematikai trükként korábban bevezettünk. És hány, amúgy komoly tudós és tudomány-népszerűsítő gondolja a kozmológiai állandót valóságos létezőnek.

Eközben az Univerzum geometriája sík, a görbülete nulla. Mintha az általános relativitás-elmélet nem is kellene az Univerzum létezéséhez.

És még mindig nem tudjuk, miért tágul az Univerzum. Hogy nem a kozmológiai állandó miatt, az biztos. Egyáltalán tágul? A geometria és a görbület valahogy arra mutat, hogy ez egy tágulás nélkül is stabil formáció. És ha nem tágul, akkor lehet, hogy ebben az állapotában, vagy legalábbis a jelenlegihez nagyon közeli állapotban keletkezett, vagy teremtették.

Forgó Univerzum

Elgondolkodtam, hogy ha kisebb szinteken a forgás és keringés adja a stabilitás forrását, akkor ez működhet-e Univerzum szinten. Már az is kérdés, hogy mihez képest forogna az Univerzum? Viszont ha forogna, akkor akár egy galaxisnak, az Univerzumnak is laposnak kellene lennie, ami ugye, nem így van. Ez a lehetőség tehát kiesik.

Sötét anyag

Ha a legnagyobb struktúrák úgy néznek ki, mintha egy stabil állványzatra, rácsra lennének felrögzítve, mi van, ha az egész Univerzum a sötét anyag szövetéhez rögzítve létezik, mint egy mazsolás kalács, a kalács a kötőanyag, a sötét anyag, a mazsola pedig az anyag, a különböző struktúrák szétszórt, stabil rendszere. Nincs rá bizonyítékom, valószínűleg az emberiségnek is sok idő kell még ennek igazolására, vagy a tágulás melletti, az eddigieknél biztosabb lábon álló bizonyítékok beszerzésére.

Ami viszont biztos

A matematika segédeszköz, és nem ő alakítja az Univerzumot. Annak törvényei vannak, amiket szerencsére, vagy szükségszerűen le tudunk írni a matematika eszközeivel. De mindig is elsődleges a mérés, a kísérlet, a megfigyelés, és csak utána jöhetnek az egyenletek.

Rafael Cerqueira fotója a Pexels oldaláról

Valami sötét

Csillagászat, , , ,

A fizikusok igen büszkék az elméleteikre. Nagyon sokszor hivatkoznak arra, hogy az elméleteik mennyire pontosak, különösen a kvantum-elektrodinamika (QED) és az általános relativitás-elmélet azok az elméletek, amelyeket gyakran emlegetnek a különleges pontossággal kapcsolatban. Nem vitatom, vannak nagyon szép eredmények, és a fizikusok tényleg büszkék lehetnek arra, hogy az erőfeszítéseik néha gyönyörű egyenletekben öltenek testet, amelyek pontos jóslatokat képesek adni nekünk, amiket ellenőrizhetünk a kísérleteinkkel, de sajnos a fizika egészét nézve, jelenleg elképesztően rossz a helyzet. A pontosság nemhogy a sokadik tizedesjegyben nem fejezhető ki, a rémisztő helyzet az, hogy az eddigi hihetetlenül pontosnak hitt elméleteink csupán a Világegyetem 4%-áról adnak hírt. És ez nem nevezhető túlzott pontosságnak. Gondoljunk bele abba, hogy ismerőseinknek folyton folyvást azzal dicsekszünk, hogy milyen pontosan ismerjük a városunkat, hogy az utcában minden egyes fűszálról tudjuk, hogy hol van, és mekkora. Aztán ő megmutatná nekünk a város 96%-át, és azzal szembesítene bennünket, hogy bár kiválóan ismerjük az utcánkat, de a város 96%-a feltérképezetlen. Ráadásul, hirtelen úgy tűnne, ez az ismeretlen 96% még azt az eddig tökéletesnek hitt tudásunkat is tönkreteszi, amire eddig oly büszkék voltunk. És már abban a 4%-ban sem vagyunk annyira biztosak.

Sötét anyag, és sötét energia: a Világegyetemünk 96%-a olyasmi, amiről nagyon keveset tudunk. Nem ez az első eset, amikor a tudósok valami érthetetlen jelenséggel találkozva, azt valami új létező feltételezésével próbálják megmagyarázni. A flogiszton, vagy az életerő is ilyesmi volt, olyan fogalmak, amelyek idővel kikoptak, mert sikerült őket más, valószínűbb magyarázatokkal helyettesíteni.

A sötét anyag és sötét energia egyelőre még tartják magukat, a világ tudósainak túlnyomó része elfogadja ezeket valóban létező dolgoknak, míg egy kisebbség erős kétségeket fogalmaz meg velük kapcsolatban.

Most mégsem arról szeretnék írni, hogy kinek van igaza ebben a vitában, hanem arról, milyen könnyen elterjedhetnek a tudományban olyan fogalmak, elnevezések, amelyek pontatlanok, sőt egyenesen hibásak.

A sötét energia és a sötét anyag már az elnevezésében is tükrözi azt az elhamarkodottságot és fölös igyekezetet, ami a tudós társadalmat olyannyira jellemzi, és jellemezte mindig is. Mégis azt várhatnánk, hogy ahogy fejlődik a tudomány, úgy lesznek egyre pontosabbak a fogalmaink, hiszen hogyan is várhatnánk, hogy megtudunk valami igazat olyasmikről, amiknek még az elnevezése is hibás.

A sötét anyag és a sötét energia ugyanis egyáltalán nem sötét, ellentétben az elnevezésükkel. Én magam nemcsak azt tartom elképesztőnek és elfogadhatatlannak, hogy valamit ennyire rosszul neveztek el, hanem az is érthetetlen számomra, hogy ezek a hibás elnevezések minden további nélkül teret nyertek a tudósok között, és minden kétség és fenntartás nélkül használja őket a világon gyakorlatilag mindenki.

Hogyan hihetnék olyan tudósoknak, akik még elnevezni sem képesek egy furcsa jelenséget? Programozó szemmel lefordítva ez olyan, mintha úgy akarnék programot írni, hogy nem fogalmaznám meg előtte pontosan, hogy mit is fog csinálni az a program. A rugalmas testek tulajdonságaival csak úgy érdemes foglalkozni, ha azokat rugalmas testeknek hívom, és nem kockás labdáknak. A folyadékok áramlását csak úgy lehet tárgyalni, ha tudom mi az a folyadék, és mi az az áramlás.

Sem a sötét anyag, sem a sötét energia nem sötét. Valami akkor sötét, ha nem világítja meg semmi, illetve, ha fény esik rá, akkor nem engedi át a fényt, hanem elnyeli. Ha visszaveri, akkor tükrözőnek, ha átengedi, akkor átlátszónak nevezem. De csak akkor hívom sötétnek, ha nem engedi át a fényt. Ha a sötét anyag és a sötét energia sötét lenne, akkor nem látnánk a környező galaxisokból semmit, még a saját galaxisunk nagy része is láthatatlan lenne. A mai feltételezések szerint ez a 96%-nyi „sötét” matéria kitölt mindent, tehát ha sötét, akkor el is takar mindent.

Hogyan lehet valamit sötétnek nevezni, amikor a legmegfelelőbb jelző az átlátszó, vagy a láthatatlan lenne?

És miért hívjuk az egyiket anyagnak és a másikat energiának, amikor nagyon jól tudjuk, hogy az anyag és az energia egy és ugyanaz, egymásba átszámítható és átalakítható? Igaz, a két jelenség hatásában különböző, míg az egyik taszító-, addig a másik vonzóerőt fejt ki az anyagra, de ez nem indokolja, hogy az egyiket anyagnak, a másikat pedig energiának nevezzük. Ez újra egy példa a felelőtlen, pontatlan, elhamarkodott magatartásra, arra, amit egy tudósnak meg kellene vetnie, és el kellene ítélnie. Minden, magára valamit is adó tudósnak el kellene határolódnia ezektől a pongyola megfogalmazásoktól, és sürgősen elő kellene állniuk valamilyen pontosabb, a valósághoz közel álló elnevezéssel.

Amikor felmerült, hogy vajon a fény közvetítő közege mi lehet, legalább adtak neki egy olyan nevet, ez volt az éter (aether), ami legalább nem volt félrevezető. Igaz, később elvetették az ötletet, de aztán az éter mégis visszatért, akár energiával teli vákuumként, akár görbült téridőként, akár az összefonódást lehetővé tévő és annak teret adó anyagként gondolunk rá, de még a Cobe által kimért 600 km/s-os sebességet is tekinthetjük az éterhez viszonyított mozgás mértékének, az éter mindenképpen jó elnevezés, jó fogalom, és semmiképpen sem félrevezető.

Nem tudok egyelőre én sem javaslatot tenni, mivel is lehetne lecserélni a két hibás elnevezést, annál is inkább, mivel én kételkedek a létezésükben is. Mielőtt előállnánk olyan feltételezett anyagfajtákkal, amikről az égvilágon semmit sem tudunk, csak azt, hogy valamiképpen gravitáló hatással bírnak a környezetükre, előbb mindenképpen meg kellene vizsgálni az alternatívákat is, például azt, hogy a gravitáció nagy távolságokban hogyan működik.

Amikor az étert bevezették a fizikában, legalább elképzelték, milyen tulajdonságokkal kellene rendelkeznie: rögtön kiderült, hogy egyszerre kellene merevnek és ellenállás nélkülinek lennie, egyszerre kellett benne rezegnie a fényhullámoknak, és ellenállás nélkül haladnia a bolygóknak, azonnal látszott, hogy rendkívüli anyagnak kellene lennie, ha valóban létezik. Jelenleg én nem tudok olyan próbálkozásokról, amelyek leírták volna, hogy ennek a két feltételezett anyagfajtának a gravitációs tulajdonságain kívül milyen egyéb tulajdonságokkal kellene rendelkeznie.

A galaxisok forgása nem magyarázható az eddigi elméletekkel, vajon a sötét anyag segíthet?

Az átlátszóság és áthatolhatóság, ellenállás nélküliség megegyezik a feltételezett éter tulajdonságaival. Azt is tudjuk, hogy az egyik vonzza, a másik taszítja az anyagot, de nem tudjuk, hogy egymással, és saját magukkal kölcsönhatásba lépnek-e: vajon a „sötét anyag” vonzza-e a „sötét anyagot”, vagy a „sötét energiát”, és a „sötét energia” taszítja-e önmagát, és a „sötét anyagot”. Vajon Galaxis és Naprendszer mértékben miért nem észleljük egyiküket sem? És vajon a kettőjük mennyiségi aránya, és a kölcsönhatásuk erősségének aránya finomhangolt-e, ha igen, akkor mennyire? Mennyire szükségesek az Univerzum és benne az élet létezéséhez? Lehet, hogy-e két furcsa jelenség a legmegdöbbentőbb példája a finomhangoltságnak, esetleg a tervezettségnek?

Mind-mind megannyi fontos és alapvető kérdés. Hogy ezekre bármikor is esélyünk legyen válaszokat találni, mindenekelőtt a fogalmainkat kell pontosítani, és megfelelő elnevezést kell találnunk az Univerzum e két lázadójára, amik valahogy eddig ellent tudtak állni a megismerésükre tett kísérleteinknek.

Ha sikerülne közelebb férkőznünk a természetükhöz, lehet, hogy az egész fizika újraépítésére lesz szükség, és még az is előfordulhat, hogy a finomhangoltság és tervezettség kérdése is teljesen új megvilágításba kerül.

2018. április 17. – 2018. május 21.