A filozófusok évezredek óta vitatkoznak a “semmi” természetéről, de mit tud erről mondani a modern tudomány? A The Conversationnek adott interjúban Martin Rees, királyi csillagász, a Cambridge-i Egyetem kozmológia és asztrofizika emeritus professzora elmagyarázza, hogy amikor a fizikusok a semmiről beszélnek, akkor az üres teret (vákuumot) értik alatta. Ez egyszerűnek tűnhet, de a kísérletek azt mutatják, hogy az üres tér valójában nem üres – rejtélyes energia lappang benne, amely elárulhat valamit az univerzum sorsáról.

Rees a The Conversation Anthill podcastje számára készített interjút a semmiről. Ez a Q&A ennek az interjúnak a szerkesztett átirata alapján készült.

Q: Az üres tér valóban ugyanaz, mint a semmi?

A: Az üres tér számunkra semminek tűnik. Ennek analógiájára a víz egy hal számára semminek tűnhet – ez az, ami megmarad, ha eltávolítjuk az összes többi dolgot, ami a tengerben úszik. Hasonlóképpen az üres térről is feltételezhető, hogy meglehetősen bonyolult.

Tudjuk, hogy a világegyetem nagyon üres. Az űr átlagos sűrűsége körülbelül minden tíz köbméterre jut egy atom – ez sokkal ritkább, mint bármilyen vákuum, amit a Földön elérhetünk. De még ha el is vesszük az összes anyagot, a térnek van egyfajta rugalmassága, amely (amint azt nemrég megerősítették) lehetővé teszi, hogy gravitációs hullámok – magának a térnek a fodrozódása – terjedjenek benne. Sőt, azt is megtudtuk, hogy magában az üres térben is van egy egzotikus energiafajta.

Q: Erről a vákuum energiáról először a 20. században szereztünk tudomást a kvantummechanika megjelenésével, amely az atomok és részecskék apró világát szabályozza. Ez azt sugallja, hogy az üres tér egy fluktuáló háttérenergiából álló mezőből áll – amely hullámokat és virtuális részecskéket hoz létre, amelyek felbukkannak és eltűnnek a létezésből. Ezek még egy aprócska erőt is képesek létrehozni. De mi a helyzet az üres térrel nagy léptékben?

A: Azt a tényt, hogy az üres tér nagy léptékű erőt fejt ki, 20 évvel ezelőtt fedezték fel. A csillagászok azt találták, hogy a világegyetem tágulása felgyorsul. Ez meglepetés volt. A tágulás már több mint 50 éve ismert volt, de mindenki arra számított, hogy a galaxisok és más struktúrák által egymásra gyakorolt gravitációs vonzás miatt lassulni fog. Ezért nagy meglepetés volt, hogy ezt a gravitáció miatti lassulást felülírta valami, ami “tolja” a tágulást. Úgyszólván magában az üres térben lappangó energia van, amely egyfajta taszítást okoz, amely ilyen nagy léptékben felülmúlja a gravitáció vonzását. Ez a sötét energiának nevezett jelenség a legdrámaibb megnyilvánulása annak, hogy az üres tér nem jellegtelen és lényegtelen. Valójában meghatározza világegyetemünk hosszú távú sorsát.

K: De van-e határa annak, amit megismerhetünk? Az atomnál trillió trilliószor kisebb léptékben a téridő kvantumfluktuációi nemcsak virtuális részecskéket, hanem virtuális fekete lyukakat is létrehozhatnak. Ez egy olyan tartomány, amelyet nem tudunk megfigyelni, és ahol a gravitációs elméleteket a kvantummechanikával kell kombinálnunk, hogy elméletileg megvizsgáljuk, mi történik – ami köztudottan nehéz feladat.

A: Számos elmélet létezik, amely ennek megértését célozza, a leghíresebb a húrelmélet. De ezek közül az elméletek közül még egyik sem foglalkozott a való világgal – tehát még mindig teszteletlen spekulációk. De azt hiszem, szinte mindenki elfogadja, hogy maga a tér bonyolult szerkezetű lehet ezen a parányi, aprócska skálán, ahol a gravitációs és kvantumhatások találkoznak.

Tudjuk, hogy az univerzumunknak három térdimenziója van: balra és jobbra, hátra és előre, fel és le lehet menni. Az idő olyan, mint egy negyedik dimenzió. De erős a gyanú, hogy ha felnagyítanánk egy kis pontot a térben úgy, hogy ezt a parányi, aprócska skálát vizsgálnánk … azt találnánk, hogy ez egy szorosan tekeredő origami körülbelül öt extra dimenzióban, amit mi nem látunk. Ez inkább olyan, mint amikor messziről megnézünk egy tömlővezetéket, és azt hisszük, hogy az csak egy vonal. De amikor közelebbről megnézzük, akkor látjuk, hogy az egyik dimenzió valójában három dimenzió volt. A húrelmélet bonyolult matematikát tartalmaz – ahogy a rivális elméletek is. De ilyen elméletre lesz szükségünk, ha a legmélyebb szinten akarjuk megérteni azt, ami a legközelebb áll a semmihez, amit el tudunk képzelni: nevezetesen az üres teret.”

Baca juga: Aliens, very strange universes and Brexit – Martin Rees Q&A

Q: A jelenlegi ismereteinken belül hogyan tudjuk megmagyarázni a semmiből táguló egész univerzumunkat? Tényleg csak egy kis fluktuáló vákumenergiából indulhatott ki?

A: Valami rejtélyes átmenet vagy fluktuáció hirtelen kiválthatta a tér egy részének tágulását – legalábbis egyes teoretikusok ezt gondolják. A kvantumelméletben rejlő fluktuációk képesek lennének megrázni az egész világegyetemet, ha eléggé apró méretre szorítanák össze. Ez körülbelül 10-44 másodperc – az úgynevezett Planck-idő – alatt történne meg. Ez egy olyan skála, ahol az idő és a tér úgy összefonódik, hogy az óra ketyegésének nincs értelme. A mi világegyetemünket nagy biztonsággal vissza tudjuk extrapolálni a nanoszekundumig, és némi biztonsággal egészen a Planck-időhöz sokkal közelebb is. De utána minden tétnek vége, mert … az ilyen léptékű fizikát fel kell váltania valami nagy, bonyolultabb elméletnek.”

K: Ha lehetséges, hogy az üres tér valamelyik véletlenszerű részének ingadozása hozta létre az univerzumot, miért ne történhetne pontosan ugyanez az üres tér egy másik részében – párhuzamos univerzumokat szülve egy végtelen multiverzumban?

A: Sok fizikus körében népszerű az az elképzelés, hogy a mi ősrobbanásunk nem az egyetlen, és hogy amit a távcsövünkkel látunk, az a fizikai valóság egy parányi töredéke. És a ciklikus univerzumnak számos változata létezik. Csak 50 évvel ezelőtt merült fel először erős bizonyíték az ősrobbanásra. De azóta is folynak találgatások arról, hogy vajon ez csak egy epizódja-e a ciklikus univerzumnak. És egyre nagyobb teret nyer az az elképzelés, hogy a fizikai valóság sokkal több, mint az a tér- és időmennyiség, amelyet – még a legerősebb teleszkópokkal is – meg tudunk vizsgálni.

Azt tehát nem tudjuk, hogy egy ősrobbanás volt-e vagy sok – vannak forgatókönyvek, amelyek sok ősrobbanást jósolnak, és vannak, amelyek egyet. Szerintem mindegyiket meg kellene vizsgálnunk.

K: Hogyan ér véget a világegyetem?

A: A legegyszerűbb hosszú távú előrejelzés szerint a világegyetem egyre gyorsuló ütemben tágul tovább, egyre üresebbé és egyre hidegebbé válik. A benne lévő részecskék bomolhatnak, így a hígulás a végtelenségig folytatódhat. A végén bizonyos értelemben egy hatalmas térfogattal rendelkeznénk, de ez még üresebb lenne, mint a mostani tér. Ez az egyik forgatókönyv, de vannak mások is, amelyek szerint a sötét energia “iránya” megfordul a taszításról a vonzásra, így egy úgynevezett “Nagy Roppanáshoz” vezető összeomlás következik be, amikor a sűrűség ismét a végtelen felé tart.

Létezik egy olyan elképzelés is, amely Roger Penrose fizikusnak köszönhető, miszerint a világegyetem tovább tágul, egyre hígabbá válik, de valahogy – amikor már semmi sincs benne a fotonokon, fényrészecskéken kívül – a dolgok “átméreteződhetnek”, így a hatalmas hígulás után a tér bizonyos értelemben egy újabb Nagy Bumm generátorává válik. Ez tehát a régi ciklikus univerzum egy meglehetősen egzotikus változata – de kérem, ne kérje tőlem, hogy magyarázzam el Penrose elképzeléseit.

K: Mennyire bízik abban, hogy a tudomány végül is meg tudja törni, mi is az a semmi? Még ha be is tudnánk bizonyítani, hogy a világegyetemünk egy vákuummező valamilyen furcsa ingadozásából indult, nem kell-e megkérdeznünk, hogy honnan jött ez a vákuummező?

A: A tudományok megpróbálnak válaszolni a kérdésekre, de minden alkalommal, amikor megválaszoljuk őket, újak kerülnek a fókuszba – soha nem lesz teljes képünk. Amikor az 1960-as évek végén elkezdtem a kutatást, vitatott volt, hogy volt-e egyáltalán ősrobbanás. Ma már ez nem vitatott, és körülbelül 2%-os pontossággal meg tudjuk mondani, hogy milyen volt az univerzum a jelenlegi 13,8 milliárd évtől kezdve egészen a nanoszekundumig visszamenőleg. Ez óriási előrelépés. Nem abszurd optimizmus tehát azt hinni, hogy a következő 50 évben megértjük azokat a kihívást jelentő kérdéseket, hogy mi történik a kvantum- vagy “inflációs” korszakokban.

De persze ez felvet egy másik kérdést: mennyi tudomány lesz elérhető az emberi agy számára? Kiderülhet például, hogy a húrelmélet matematikája bizonyos értelemben a valóság helyes leírása, de soha nem leszünk képesek elég jól megérteni ahhoz, hogy bármilyen valódi megfigyeléssel összevessük. Akkor lehet, hogy meg kell várnunk valamiféle poszt-emberek megjelenését, hogy teljesebb megértéshez jussunk.

De mindenkinek, aki ezeken a rejtélyeken töpreng, rá kell jönnie, hogy a fizikus üres tere – a vákuum – nem azonos a filozófus “semmijével”.