Ősrobbanás, ma

Kellemes tavaszi délután friss zöld fűvel borított messze nyúló földhalom előtt szarvasok, pulykák és libák nyugalmasan kalandoznak körülötted. Elvétve madárcsiripelés száll a csendben. Jól esik ez a higgadt nyugis pillanat. A földhalom alatt két szupravezető mágnesgyűrűben a világ legerőteljesebb eseménye zajlik. Első sorból nézed az újszülött világegyetem egyik legkorábbi pillanatának újrajátszását, a legősibb anyag létrejöttének megismétlését.

A világ sokoldalú részecske gyorsítója előtt állsz, a Relativisztikus Nehéz Ion Gyorsítónál (Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC) a Brookhaveni Nemzeti Laboratóriumban, New York államban. Elképedve veszed tudomásul, hogy valóban, az az anyag, ami az Ősrobbanás csupán egy másodperc egymilliomodja eltelte után töltötte be a világegyetemet, újra létrehozható itt és most, földi laboratóriumokban. Ebből az anyagból keletkezett minden anyag, amit ma el tudsz képzelni. Még egy mély lélegzet, és visszatérsz a négy emelet magas építménybe, ami egy óriás digitális fényképezőgép otthona. Csatlakozol a fizikusokhoz, akik képernyőkön követik a heves kis-ősrobbanásokat, és az adatokat szerteküldik nemzetközi intézményekbe kielemzés céljára. Lenyűgöző. Ez tudomány, nem tudományos fantasztikum.

... az Ősrobbanás csupán egy másodperc egymilliomodja eltelte után töltötte be a világegyetemet...

A világegyetem származása és helyünk az univerzumban az emberi gondolkodás élvonalában áll ősidők óta. Ennek megértése változott és gazdagodott az évszázadok során. Ma, egy-egy évszázadnál is fiatalabb tudományos eredet-történet áll rendelkezésünkre, történet, amely bizonyítékokon alapszik, és amelynek elengedhetetlen része a többoldalú tesztelés. Mindez fajunk, az ember, nagyszerű teljesítménye.

Modern eszközök segítségével felfedeztük, hogy sokkal több van odakint az űrben, mint ezt egyszerűbb megfigyeléseink alapján naivan hinnénk. A Hubble Űrtávcső (Hubble Space Telescope, HST) több mint húsz éve kering az űrben, és lélegzetelállító fényképeket készít távoli helyekről. A HST tizenegy napig szemlélt egy fikarcnyi, csupán 1/10 milliomod foltot az égen, amit azért választottak, mert teljesen üres, unalmas térnek tűnt, ahol csillagok nem látszottak. A kép elkészültekor mindenki álla leesett, hisz rajta körülbelül tízezer galaxis látható. Minden egyes ragyogó pont ezen a képen egy különálló, a miénkhez, a Tejúthoz hasonló galaxis. És mindegyik galaxis többszáz milliárd, a miénkhez, a Naphoz hasonló csillagot, és valószínű ehhez tartozó naprendszert tartalmaz. Megihletve, áhítattal elmerülsz a képbe. Honnan származik mindez? Hogy került oda? Hogy alakult ki ez az óriási bonyolult rendszer?

Világegyetemünk 13,82 milliárd éve, az Ősrobbanásbeli születése óta gyorsított ütemben tágul. Ezt a felfedezést 2011-ben Nobel-díj pecsételte meg. Mint minden más esetben is, a tágulás következménye lehűlés. A világegyetem is ezt teszi. Eszerint tegnap a világ egy kicsit kisebb, és egy kicsit melegebb volt, mint ma. És ennél is egy kicsit kisebb és melegebb tegnapelőtt. Ha visszatekerjük az időt 13,82 milliárd évet, azt találjuk, hogy a világegyetem jelentősen kisebb volt, és majdnem elképzelhetetlenül melegebb, mint ma. Ez azt is jelenti, hogy a szó legszorosabb értelmében az égvilágon minden, az összes szétszórt galaxis, a miénket is beleértve, be volt szorítva egy futballpályánál kisebb térbe. Csak a mi galaxisunk mérete 100 000 fényév (1 fényév az a csillagászati távolság mértékegység, amit a fény 300 000 km/másodpercsebességgel befut egy év alatt), a Nap pedig közepes méretű csillag létére is 1 400 000 km átmérőjű. Most helyezd az összes többszáz milliárd galaxist a futballpályára. Zsúfolt parti ez, egy őrülten sűrű és szuper forró helyszínen. Kik a parti résztvevői? Ilyen extrém körülmények között milyen anyagról van szó?

Ha a sűrűség és a hőmérséklet szélsőségesen magasat elér, az anyagból kvark-gluonplazma (QGP, kvark-gluon „leves”, kvarkanyag) lesz. Ahhoz hogy megismerkedjünk a QGP-vel és a parti résztvevőivel, előbb nézzünk be az anyagi dolgok mélyére (ez lehetsz te, én, a levegő, az Eifel-torony, bármi, ami eszedbe jut). Bármely anyagban egy tizedmilliárdod méter (10–10 m) mélységében különböző atomokkal találkozol, ezek a periódusos rendszer elemei. Normális körülmények közt a stabil atomokat az atommag és az azt környező elektronfelhő között ható elektromágneses erő összetartja. Az elektronok mellett tovább haladva 10 000-szer mélyebben feltárul az atommag alépítménye, protonok és neutronok, amiket az erős csatolás tart össze magként. A protonok és neutronok belsejében a legkisebb összetevők, a kvarkok üdvözölnek. Korszerű ismeretünk alapján ez végállomás, ők az anyag elemi építőkövei. Elszigetelt atomot, egyéni protonokat, neutronokat lehet látni, viszont elszigetelt kvarkot önmagában nem. Az erős kölcsönhatás a kvarkokat örök bezártságra ítéli, ezeket máselemi részecskék, a gluonok összetett részecskékbe „ragasszák”. A proton és neutron, például három kvarkot tartalmaz. Ha megpróbálnád az egyiket eltávolítani, valami nagyon furcsa történik: minél erősebben húzod, a „ragasztó” annál erősebben köt. Ez az érdekes tulajdonság az erős kölcsönhatás lényege, alapvetően eltérve az ismertebb gravitációs és elektromágneses erő megszokott tulajdonságától, hogy a távolság növekedésével erejük csökken. De mi történik, ha egyre erősebben próbáljuk a kvarkot a protonból kiráncigálni? Elegendő energiával a „ragasztás” elszakad, mint egy gumiszalag. És ugyanúgy, ahogy ennek eredményeként két gumiszalagdarabbal maradunk, a befektetett energia két új kvark (pontosabban egy kvark és az antianyag megfelelője, egy antikvark) létrehozására használódik, így végül két új összetett részecske jön létre, ahelyett, hogy egy kvark kiszabadult volna. Einstein híres E = mc2 egyenlete szerint így lesz energiából anyag és antianyag. Minél több energiát fektetünk be, annál több részecskét termelünk. Temérdek energiával olyan nagy részecskesűrűség érhető el, amiben a kvarkok és gluonok már nem tartoznak egyértelműen egy adott részecskéhez, így szabadon mozoghatnak egymás között. Ez a kvark-gluon „leves”.

Az Ősrobbanás után a világegyetem azonnal rohamos tágulásnak indul, s ennek következtében
a kvarkanyag gyorsan kezd kihűlni.

A kvarkok közötti erős kölcsönhatás csak akkor gyengül, ha a proton belsejébe merészkedünk, egymilliomod milliárdod centiméternél (10–13 cm) kisebb távolságokra. A fizikusok ezt a kölcsönhatás „kikapcsolását” aszimptotikus szabadságnak hívják. E sajátos jellegzetesség felfedezése elnyerte az 1997-es Nobel-díjat. Ez az a tulajdonság is, amely lehetővé teszi, hogy bekukkantsunk az idők hajnalára, a korai világegyetembe. A kvantummechanika szerint rövid távolság a részecskék közt nagy energiának felel meg. A részecskék átlagos mozgási energiája nem más, mint a közismert hőmérséklet. Minél magasabb a hőmérséklet, a részecskéknek annál több mozgási energiája van, és annál erőteljesebben ütköznek. Rendkívül magas hőmérséklet rendkívül nagy energiának felel meg, ami rendkívül rövid távolságot jelent. Mivel a kvarkok ilyen rendkívül rövid távolságokon élnek, ahol az aszimptotikus szabadság megnyilvánulása várható, extrém energiákra van szükség ahhoz, hogy ezt elérjük, és a kvarkanyagot felszabadítsuk. És itt extrém alatt Celsius-fokok milliárdjait értem. A világegyetemben ma már sehol nincs ilyen forróság, még a legforróbb csillagok közepén sem. De ha időben visszautazunk, egymilliomod másodperccel az Ősrobbanás után valóban szuper forró infernó állapot volt, és a világmindenség, mint elektronokkal fűszerezett kvark-gluon „leves” létezett.

De hogy lett a QGP „levesből” több száz milliárd galaxis, bennük pedig több száz milliárd csillag és naprendszer? Hogy alakult ki a kvarkanyagból a ma ismerős anyag, amiből minden készült, beleértve magunkat is? Ez a kozmikus fejlődés története.

Az Ősrobbanás után a világegyetem azonnal rohamos tágulásnak indul, s ennek következtében a kvarkanyag gyorsan kezd kihűlni. Eközben ott leselkedik a bezáró erős kölcsönhatás, azt várva, hogy a kvarkokat és gluonokat fogságba ejtse. Amikor a hőmérséklet kétbillió Celsius-fok alá csökken, a vízgőz esőcseppé kondenzálásához hasonlóan, a kvarkanyag összetett részecskékké, többek között protonokká és neutronokká áll össze. Ezen fázis­átmenet végbemenetelekor kozmikus óránk csupán egymilliomod másodpercet mutat, és a világegyetem Naprendszerünk méretére tágult, mindössze 300 milliárd km széles. Amire egy teljes másodperc eltelik, a világegyetem pár milliárd fokra lehűl, és megnő néhány fényévnyire, mint a távolság a Nap és a legközelebbi csillag közt. A tágulás és kihűlés folytatódik, s amikor százmillió fokra lehűlt, akkor a protonok és a neutronok összetapadhatnak az első könnyű atommagokat létrehozva. Két perc telt el a kezdetektől fogva. A világegyetem további tágulása és kihűlése meglehetősen eseménytelenül folytatódik az elkövetkező 380 000 évig. Amikor a hőmérséklet eléri a 3 000 Celsius-fokot, már csak fele olyan forró, mint a Nap felszíne, és a részecskék mozgása elég lassú ahhoz, hogy az elektronok és atommagok atomokká egyesüljenek. Ezt követően azonnal a világegyetem átlátszóvá válik, és ez az első alkalom, hogy a fény átragyog a továbbá is táguló téren. Ma, 13,82 milliárd évvel később, még mindig ebben a fényben, az Ősrobbanás fényében fürdünk, és ezt kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásnak (Cosmic Microwave Background, CMB) hívjuk. Hideg fürdő ez, -270 Celsius-fokos (2,73 fokkal az abszolút nulla felett), a világegyetem jelenlegi hőmérséklete. A CMB véletlenszerű felfedezése 1965-ben megnyerte az 1978-as Nobel-díjat, mivel megerősítette az Ősrobbanás-elmélet előrejelzését, szilárd talajra emelve ezt az elméletet. A legmodernebb szuperpontosságú CMB mérések apró eltéréseket mutatnak az egyébként sima képen, amely kis hőmérséklet és sűrűség ingadozásokat jelez. Ezek a kiemelt kicsit melegebb és kicsit sűrűbb területek azok, ahonnan később galaxisok, csillagok, bolygók és emberek kialakulnak. Viszont a CMB kibocsátása után még 400 millió évnek kell eltelnie mielőtt a táguló univerzum készen áll az első csillagokat megszülni, véget vetve az úgynevezett sötétkornak. Ezek az első csillagok elkezdik az első nehéz elemeket összekovácsolni termonukleáris fúzió révén: hidrogént héliummá, majd héliumot szénné, aztán szenet oxigénné, és így tovább. Így élnek a csillagok. Amikor már nincs mit égetniük, kiégnek, meghalnak, anyagukat visszabocsátják az űrbe. Így válik az elsőgenerációs csillaghamuja a második generációs csillagok és ezek bolygóinak kiindulási anyagjává.

Térjünk vissza a Földre, egy harmadik generációs csillag körül forgó bolygóra, ahol fizikusok tudományos felfedezések határait feszegetik. Vissza a földhalom alatti részecskegyorsítóhoz Brookhavenbe, vagy ennek testvéréhez a svájci CERN-be. Itt az atomzúzóban hozzuk létre a világegyetem születésénél létező végletes körülményeket és reprodukáljuk az ősi kvarkanyagot. Új felfedezések mindig a fizika szélsőségén jönnek létre. Ez esetben bezsúfoljuk a legnagyobb energiát a legkisebb területbe. Ez úgy történik, hogy nehéz atomokat, aranyat vagy ólmot először levetkőztetünk összes elektronjaiktól, így 200 protonból és neutronból álló atommagot kapunk. Ezeket két, több kilométer hosszú földalatti szupravezető mágnesgyűrűben a fénysebesség 99,99%-ra gyorsítjuk. A két gyűrű találkozásakor az atommagok egymásba ütköznek. Az energia, ami ezekben az ütközésekben letétbe kerül elég nagy ahhoz, hogy olyan forró környezetet hozzon létre, amelyben a protonok és neutronok szétolvadnak. A rendelkezésre álló energia még ahhoz is bőséges, hogy sokkal több új kvarkot, antikvarkot és gluont is gyártson.

... a kvarkanyag hőmérséklete négybillió Celsius-fok, a legforróbb mesterséges hőmérséklet.

Az RHIC-ben elért kvarkanyag hőmérséklete négybillió Celsius-fok, s ezt a Guinness-rekordok könyve, mint a legforróbb mesterséges hőmérsékletet könyvelte el. Mégis hogy lehet a Nap közepénél 300 000-szer nagyobb hőmérsékletet gyártani, s e közben a labort és környékét mégsem leolvasztani? A frissen gyártott kvarkanyag nagyon kis helyen, egy trilliomod centiméteren (10–15 m) és csak szuper rövid ideig, 10–23 másodpercig létezik, azonnal elpárolog. Ennek az óriás energiasűrűségű tűzgömbnek hatalmas a belső nyomása, 1030-szorosa a légköri nyomásnak, ezért a kvarkanyag rendkívül gyorsan kitágul és lehűl, visszazárul összetett részecskékbe, amelyek a többemeletnyi magas detektorokba repülnek. Az óriási digitális fényképezőgép által készített kép kimutatta amint egy ilyen ütközésben keletkezett többezer részecske energiáját a detektorba lerakja. A másodpercenkénti mintegy 10 000 ütközés mindegyike ehhez hasonló képet termel. Nekünk a több milliárd képből kell kikövetkeztetni, hogy mi történt az ütközés legkorábbi szakaszában, és ebből kell megtanulni részleteket a kvarkanyag tulajdonságairól. Ez hasonló ahhoz, ahogy az Ősrobbanás korai részleteiről a CMB fény kielemzésével értesülünk. A brookhaveni RHIC adatok kielemzése meglepő felfedezést kínált: a kvark-gluon plazma nem mint a várt gáz, hanem mint egy folyadék viselkedik. Nem akármilyen folyadék, hanem az egyik legtökéletesebb valaha létező, amely szinte ellenállás nélkül folyik. Ez azt jelenti, hogy a kvarkanyagbeli aszimptotikus szabadságot a kvarkok hatalmas sűrűsége beárnyékolja. Így mindebből nemcsak a korai világmindenségről tanulunk, hanem az erős kölcsönhatás természetéről is.

Ezt tudjuk ma. Az információ további leleplezése folytatódik. Kísérletek, megfigyelések, szuper számítógépek, több ezer fizikus agyteljesítménye a világ minden tájáról (olyan országokból is, amelyek különben nem a legjobb barátok) együtt munkálkodik azon, hogy a világegyetem mély szépségét leleplezze, s elmondja az univerzum eredetének és fejlődésének történetét, elképzelhetőleg a legszebb, bizonyítékokon alapuló történetet. A természet az igazat mondja, nekünk kell ezt feltárni és megérteni, az igazságot pedig világszemléletünk szolgálatába állítani, mint a lovat a lovas kocsi elé, nem pedig fordítva. Szállj be hát a lovas kocsiba és hagyd, hogy hazavigyen.