A legnagyobb és a legkisebb

Kozmológia és a-tom a modern tudományban

Emberi léptékkel mérve a világ egy hangya nagyságától a szomszéd városig terjed. Úton-útfélen haladva szemünk nem akad meg kisebb tárgyakon, mint az előbbi, és saját lábunkon szinte sosem jutunk távolabb, mint az utóbbi. A modern ember autóján eljuthat akár Párizsig is, repülővel még más kontinenseket is meglátogathat, de ez aztán már igazán a világ vége!

A képzeletnek ennél jóval nagyobb hatalma van. Szellemünk képes behatolni a sejtek titkai közé, sőt bizonyos mértékig az atomok, molekulák rejtelmeit is értjük. Álmainkban eljuthatunk a csillagokig, távcsöveinkkel más intelligens lényeket – társakat – kereshetünk. De mi van a fantázián túl? Mik azok a részecskék és erők, amik az általunk lakott világot felépítik és mozgatják? Mik azok a hatalmas struktúrák, aminek mi is alkotói vagyunk? Miért jött létre a Világegyetem? Miért van egyáltalán valami a semmi helyett?
A fenti kérdések ősidők óta foglalkoztatják az emberiséget. Az első materialista filozófusok a görög városállamok szülöttei voltak. Őket tekinthetjük a modern tudomány előhírnökeinek is. Hellász gondolkodói keresték először a Világ végét a legkisebb és a legnagyobb méretek irányában is.

Az oszthatatlan részecske Démokritosz ötlete volt. A történet szerint egy könnyű nyári vacsora közben éppen elkezdte darabolni a friss feta sajtot, mikor először elgondolkozott: miből épülhet fel a természetet alkotó anyag? Ha elkezdjük megfelezni a falatot, majd a fél-falatot is megfelezzük, és így tovább, egyszer csak el kell jutni egy olyan pici darabkához, ami tovább már nem vágható kisebb részekre. Ezt a végső részecskét atomnak, azaz tovább nem oszthatónak nevezte el. Ebben az írásban a továbbiakban meg fogjuk különböztetni egymástól az atomot (amely a Mengyelejev-féle periódusos rendszer egy mezőjére utal) az atomtól, amely az oszthatatlan részecskét jelöli.

Arra a kérdésre, hogy a világegyetem véges vagy végtelen, már nem tudtak ilyen frappáns választ adni az ókori emberek. Ha ugyanis véges, akkor Gyorslábú Achilles fusson el a Világ Végére, és dobja el a lándzsáját, kifelé. Ha nem tudja eldobni, akkor a világ végén túl kell lennie egy olyan erőnek, ami megakadályozza a tárgyak áthaladását, ha viszont el tudja hajítani, akkor hová hull a nagy harcos fegyvere?
Az Univerzumot végtelennek feltételezve ismét ellentmondáshoz jutunk. Ha ugyanis végtelen sok csillag ragyog az égbolton, akkor nappali világosságnak kellene lennie éjszaka is, hiszen végtelen sok csillag van az égen! Már a görög gondolkodók is rájöttek tehát, hogy mind a véges, mind a végtelen világ modellje matematikai- filozófiai ellentmondásokhoz vezet.

Vegyük tehát sorra, mit gondolnak a ma részecskefi- zikusai és kozmológusai az Univerzum szerkezetéről. Az emberi léptéket elhagyva induljunk először az a-tom keresésére. Mekkora az a legkisebb sajtdarab, ami tulajdonságaiban nem különbözik a tömbtől?

Molekulák és mozgás

Az anyagok nagy része – mint a sajt is – különböző „tiszta” anyagok, vegyületek keveréke. Ezek legkisebb olyan egységei, amik még tulajdonságaikban emlékeztetnek az eredeti halmazra (ebben az értelemben tehát a-tomjai) – a molekulák – gyenge elektrosztatikus kölcsönhatásokkal kacsolódnak egymáshoz. Könnyen szétválnak, majd újra összetapadnak. Ez a szüntelen mozgás okozza a halmaz puhaságát, rugalmasságát. A molekulák rendkívül parányiak, méretük a legkisebb hangya szélességének tízmilliomod része. Vannak olyan anyagok is, amilyen a tiszta desztillált víz, amiben csak egyféle molekula található. Ezek forognak, pörögnek, mozognak egymás közelében. A víz atomjai a molekulák. Nem tudjuk őket tovább osztani úgy, hogy még továbbra is a „víz” szóval jelölhessük az eredményül kapott entitást. Ez azonban nem jelenti azt, hogy a molekulák oszthatatlanok. Sőt, a molekulák viszonylag egyszerűen tovább bonthatók. A víz részecskéi például két hidrogénatomot és egy oxigénatomot tartalmaznak. Vannak olyan anyagok, amelyek csak egyetlen fajtát tartalmaznak ezekből a részecskékből – például a vas, vagy a gyémánt, vagy az oxigéngáz –, ezeket elemeknek hívjuk. Másokat tiszta formájukban is többféle atom alkot – mint a vizet, vagy a sejtek örökítőanyagát, a DNS láncot –, ezek a vegyületek.

Az atomot alkotó elemi részecskék

A molekulák atomjai tehát az atomok. Földünkön természetes körülmények között 91 fajta atom található.
A XIX. sz. végén – XX. sz. elején a fizika gyors fejlődésének indult. Ennek első jele az atomok alkotórészeinek felfedezése volt: a tudósok az a-tomok újabb nemzedékére bukkantak. A radioaktív sugárzás vizsgálatakor megtalálták először a negatív töltésű, nagyon könnyű elektront, majd az atom másik két alkotóelemét, a pozitív töltésű protont, és végül 1932-ben a semleges neutront. Újabb és újabb modellek születtek arra, hogy milyen törvényszerűségek írják le az atomon belüli mozgásokat, amelyben egyre nagyobb szerepe lett egy fiatal elméletnek: a kvantummechanikának.

Atommag, elektron és radioaktivitás

Az atom tehát két fő részből épül fel, az atommagból és az elektronfelhőből. Az utóbbi a felelős az atomból felépülő molekulák szerkezetéért, és a részecske kémiai tulajdonságaiért. Az atommag a vegyész szempontjából nem más, mint egy nehéz, töltött golyóbis (a magban koncentrálódik az atom tömegének 99,98 %-a), amely meghatározza, hogy hány elektron kell ahhoz, hogy semleges töltésű részecske jöhessen létre. A kémiai tulajdonságokért az elektronok atomon belüli eloszlása felelős: ahogy a protonok számának (rendszám) növekedésével ezek a könnyű entitások egyre többen szaladgálnak az atommag körül, periodikusan töltik fel a rendelkezésükre álló kvantumos energiaszinteket. Ez az oka annak, hogy az atomok kémiai tulajdonságai is periodikusan követik egymást az atomtömeg növekedésével.

Az atommag átmérője az atom átmérőjének százezred része. Benne a protonokon kívül neutronok találhatók. Ezek ugyanúgy kvantált energiaszinteken mozognak, mint az elektronok, csak ezek a pályák lényegesen nagyobb energiával rendelkeznek. Az elektronokat elektrosztatikus kölcsönhatások tartják a pályájukon, míg az atommagot – idegen szóval nuklidot – az úgynevezett erős kölcsönhatás tartja össze. Előfordulhat, hogy két atomban, amely ugyanannyi protont tartalmaz – tehát kémiai tulajdonságai azonosak –, különböző számú neutron található. Az ilyen atomokat izotópoknak hívjuk. Vannak olyan nuklidok, amelyek egy neutron vagy proton kilökésével más, stabilabb atommagokat alakíthatnak ki. Ez a folyamat a radioaktív bomlás. Ezt a nagy energiafelszabadulással járó folyamatot használjuk ki az atomerőművekben.

A neutronok maguk is radioaktív anyagok: protonra és elektronra bomlanak. Ha ez az atommagban történik, akkor abban eggyel több proton lesz, mint eredetileg volt, tehát eggyel nő a rendszáma! Ehhez hasonló módszerrel állították elő a múlt század fizikusai a transzurán (uránnál nagyobb rendszámú) elemeket. A Földön – és a világegyetemben – megtalálható 91 féle természetes atomfajtán kívül napjainkig elő tudtak állítani még 23 féle kémiai elemet. Ezen elemek nagy része csak a másodperc tört részéig stabil, hamar kisebb nuklidokra bomlik. A tudósok azt gondolják, hogy az az izotóp, amely 114 protont és 126 neutront tartalmaz, stabilabb lesz ezeknél, talán néhány percig, esetleg óráig is lehet majd tanulmányozni.

Magkémiai számítások azt mutatják, hogy az előállítható legnagyobb rendszámú elem 120, de maximum 125 protont fog tartalmazni. Ennél több pozitív töltést már a magban ható erős kölcsönhatások sem tudnak egyben tartani.

Az elemi részecskék alkotóelemei: Mit is jelent valójában az, hogy „két test vonzza egymást”?

Eddig három elemi részecskével ismerkedtünk meg: az elektronnal, a protonnal és a neutronnal. Negyedikként említhetjük még a fényt alkotó részecskéket, a fotonokat.
De valóban atomok-e az elemi részecskék? Ennek megállapítására a fizikusok mérnökökkel összefogva hatalmas részecskegyorsítókat építettek. Ezekben nagy energiájú entitás-nyalábokat ütköztettek, és figyelték az eredményt. Meglepő módon a protonon, elektronon, fotonon és a neutronon kívül nagyon sokféle elemi részecskét detektáltak a kísérleti fizikusok. Ezek egy része tömegében és tulajdonságaiban hasonló az elektronhoz, ezeket leptonoknak nevezték el. Mások úgy viselkedtek, mint a protonok, ezek a hadronok. Az atomok harmadik fajtáját, amely a fotonhoz hasonlít, mértékbozonnak keresztelték el.

Hamarosan kiderült, hogy a leptonokat nem tudják kisebb részekre szétbombázni, bármilyen gyors is a velük ütköző részecskék árama. A protont, a neutront és a többi hadront azonban darabokra szabdalta egyegy jól irányzott elektronsugár. Az így keletkezett részecskék a kvarkok, melyekből végül hatfélét azonosítottak. Ezeket a részecskéket az erős kölcsönhatás tartja össze, mégpedig igen furcsa módon: minél távolabb vannak egymástól, annál jobban nő a köztük lévő vonzó erő!
A mértékbozonok a legérdekesebb részecskék. Ezek ugyanis a különböző kölcsönhatások hordozói. A közelmúltban sikerült bebizonyítani, hogy az elektromágneses kölcsönhatást közvetítő részecskék a fotonok. Részecskék közvetítik a radioaktivitás során fellépő gyenge kölcsönhatást (ezeket W és Z részecskének hívják), sőt az erős kölcsönhatást is (ezek a gluonok). A kutatók feltételezik, hogy a gravitációs erőt is részecskék, a gravitonok közvetítik, de ennek a részecskének a létét még nem sikerült kísérletileg igazolni.

A gravitáció említésével azonban átkalandoztunk egy másik kérdéskörbe, amelyet főként ez az erő vezérel. Elértünk tehát az univerzum felépítéséről szóló tudományág ismertetéséhez: a kozmológiákhoz.

Hogyan épül fel a világegyetem?

Térjünk vissza kiindulópontunkhoz: a Démokritosz reggeliző asztalán álló finom feta sajthoz. Ezek a falatokra vágott darabkák más, hasonló anyagdarabokkal együtt felépítik az asztal lapját, ami a négy lábbal kombinálódva magát az asztalt alkotja. Az asztal a többi bútorral, a képekkel és a többi dísztárggyal együtt része a szobának, ezek összessége a lakás. A következő szerveződési szint a város, ország, és mindennapjaink legnagyobb felfogható struktúrái, a kontinensek.

Különböző szerveződési szintek az Univerzumban

A kontinensek, óceánok, a köpeny és az izzó mag alkotja a Földet. Ezen a ponton kezdődik a kozmológia tudománya. A Föld része a Naprendszernek, a Naprendszer része a Tejút nevű galaxisnak, a galaxisunk része a Lokális galaxishalmaznak, ami szintén része egy galaxishalmazokból álló szuperhalmaznak. A szuperhalmazok alkotják a falnak, vagy szuperhalmaz-komplexumnak nevezett struktúrákat. Ezt úgy lehet elképzelni, mint egy hatalmas ementáli sajtot, amelyben a fénylő anyag üres részeket – lyukakat – fog közre. A szuperhalmazokat a falak metszéspontjánál találjuk. Egy szuperhalmaz-komplexum átmérője egymilliárd fényév, amely a megfigyelhető világegyetem méretének mintegy öt százaléka.

Hogy ez a hierarchikus struktúra folytatódik-e még nagyobb léptékben, azt egyelőre nem tudjuk. A tudósok mégis azt gondolják, hogy elég nagy távolságokat és időket figyelve az anyag eloszlása az univerzumban homogén és izotróp. A homogén azt jelenti, hogy mindenhol ugyanolyan: azaz a szuperhalmaz-komplexumok ugyanolyan sűrűségben találhatók környezetünkben, és tőlünk néhány százmilliárd fényévnyire. Az izotróp arra utal, hogy minden irányban ugyanolyan, azaz nincsenek kitüntetett irányok.

A táguló világegyetem

1929-ben egy Edwin Hubble nevű amerikai csillagász megállapította, hogy a távoli galaxisok távolodnak tőlünk, méghozzá mozgásuk sebessége arányos a távolságukkal. Ezt a mozgást visszafelé követve a tudósok a század közepén meglepő következtetésre jutottak: lehetséges, hogy a tér kezdetben egyetlen pontból állt, és abból mintegy „felrobbant”, azaz hirtelen tágulni kezdett?

Az úgynevezett Big Bang, vagy magyarul az ősrobbanás-elmélet manapság a legszélesebb körben elfogadott kozmológiai nézet. De ennek megértéséhez először meg kell ismerkednünk a tér szerkezetével a modern kozmológiában, illetve azzal, hogy mit gondolunk a XXI. század elején a vákuummal kapcsolatban.

A véges-végtelen világegyetem és az ősrobbanás

A teljes univerzum a modern kozmológusok szerint egy négydimenziós téridőgömb. Ha egy fénysugarat kilövünk a Kozmosz egy pontján és elég ideig várunk, akkor a nyaláb vissza fog térni hozzánk. Ez a jelenség hasonlít ahhoz, amit a Földön tapasztalhatunk: kizárólag nyugat felé haladva is vissza tudunk jutni a kiindulási pontunkhoz. Ez tehát a válasz a görögök idejének kozmológiai ellentmondására! Az univerzum végtelen, hiszen nincs vége, de nem határtalan. Belőle a fénysugár nem tud kiszakadni. Ezért a világegyetemen kívülről nem juthat el információ hozzánk.

Az elmélet szerint az ősrobbanás pillanatában ez a tér pontszerű volt, majd gyorsan tágulni kezdett. A legújabb úgynevezett infl ációs modellek szerint kezdetben a fénysebességnél is gyorsabban tágult, ami azért nem mond ellent a speciális relativitáselméletnek, mert itt magának a térnek a tágulásáról, és nem a benne lévő objektumokról van szó. A tágulás korunkban lineáris, azaz sebessége állandó.

Az inflációs modell kutatói feltételezik, hogy a mi világegyetemünk nem az egyetlen létező univerzum. Lehetséges, hogy ez a buborék egy már létező másik kozmosz kvantumfl uktuációiból keletkezett. Egy felfúvódó világegyetem bölcsője lehet más univerzumoknak, és így tovább. Ezt a folyamatot a fizikusok számítógépeiken modellezni is tudják! A sokféle kozmosz létének egzakt bizonyítása természetesen lehetetlen, de az elmélet egyéb következményeit mérni, megfigyelni tudják a kutatók.

De mi történt közvetlenül az ősrobbanás után? A tudósok azt mondják, az általános relativitáselmélet le tudja írni a kozmoszt mától egészen az ősrobbanást követő 10-43 másodpercig. A hatalmas energiasűrűségből először létrejöttek az elemi részecskék, majd azok atomokká egyesültek. Bizonyos helyeken a kezdeti kvantumfl uktuációk miatt több anyag keletkezett, mint másokon; itt galaxisok, naprendszerek, bolygók alakultak ki.

Ismét feltettünk egy 2500 éves kérdést

De miért van valami a semmi helyett? Az univerzumban kezdetben nem volt anyag, viszont hatalmas volt az energiasűrűség. A tudósok a gyorsítókban megfigyelték, hogy egy foton – ami tiszta, tömeg nélküli energia – létre tud hozni két részecskét: egy elektron-pozitron (antielektron) párt. Ha egy elektron és egy pozitron találkozik, akkor mindketten eltűnnek, és helyettük egy foton keletkezik. Ezt a gondolatmenetet követve ma egyáltalán nem létezhetne anyag a világegyetemben.

Az anyag-antianyag szimmetriája azonban az ős robbanás első pillanataiban valami miatt megtört. Ennek pontos megértéséhez és modellezéséhez azonban szükség lenne a Nagy Egyesített Elméletre (Great Unified Theory, GUT), amely a kvantumfizikát és az általános relativitáselméletet közös nevezőre hozná.

A mértékbozonok létének bizonyításával a kutatók megmutatták, hogy mind az elektrosztatikus, mind a gyenge és az erős kölcsönhatást le lehet írni a kvantummechanika keretein belül egy egységes gondolatrendszerrel. De lehetséges-e ugyanez a gravitáció esetén is? Létezik-e a graviton, amely ezt az erőt közvetíti?

Végszó, amely még messze nem a végső szó

Látható tehát, hogy napjaink természettudományos gondolkodásában a legkisebbel és a legnagyobbal kapcsolatos kérdéskör összeért. A különböző elméletek motívumai hasonlatossá váltak egy hatalmas fúgához, amelyben a két fő téma dallamai összefonódva teljesednek ki. A kutatásnak távolról sincs vége. Egyetlen megválaszolt kérdés számos újat vet fel, amelyek újabb elméleteknek, gondolatrendszereknek lesznek majd bölcsői.

Torma Viktória

2006/43.