Honnan tudjuk, hogy az Univerzum végtelen?

Évezredek óta a csillagászok és asztrofizikusok kutatják az égitestek – a csillagoktól és aszteroidáktól a fekete lyukakig és kvazárokig – eredetét és fejlődését, bővítve ezzel a világunkról alkotott ismereteinket.

A Csillagászat napja (május 7.) alkalmából Vladimir Surdin csillagász, a Moszkvai Állami Egyetem Állami Csillagászati Intézetének vezető kutatója és a „Világegyetem kérdésekben és válaszokban” című könyv szerzője írt egy cikket, amely a modern csillagászat egyik fő kérdésére világít rá.

A helyzet az ugyanis, hogy még mindig nem tudjuk, hogy a Világegyetem végtelen-e. És nincs kizárva, hogy soha nem is leszünk 100%-ig biztosak ebben. Hiszen ahhoz, hogy ellenőrizzük, hogy a Világegyetem végtelen-e, meg kellene mérnünk, és ha a Világegyetem valóban végtelen, akkor ez végtelenül sok időt venne igénybe.

Azt azonban pontosan tudjuk, hogy a Világegyetem sokkal nagyobb annál a részénél, mint amit a csillagászok ma távcsövekkel meg tudnak figyelni. A Világegyetem nagy léptékű tanulmányozásával foglalkozó tudományt kozmológiának nevezik; azokat a tudósokat pedig, akik ezt a tudományt művelik, kozmológusoknak.

Valójában ezek persze csak csillagászok és fizikusok, akiket érdekel, hogyan született a Világegyetemünk, hogyan épül fel egészében, és milyen sors vár rá a jövőben. A csillagászok megfigyelik a Világegyetemet, tanulmányozzák a csillagok, galaxisok és a még ismeretlen természetű anyagok eloszlását és mozgását, amelyet sötét anyagnak neveznek.

A fizikusok pedig megpróbálják megmagyarázni azt, amit a csillagászok látnak, valamilyen létező elmélet keretein belül, amelyeket persze folyamatosan fejleszteni és egészítgetni kell, mivel a csillagászok mindig új és váratlan tulajdonságait fedezik fel a Világegyetemnek. Az egyik legmegbízhatóbban megállapított tulajdonsága az, hogy a Világegyetem tágul: a galaxishalmazok távolodnak egymástól, ami azt jelenti, hogy a múltban közelebb voltak egymáshoz, és volt egy pillanat, amikor ez a tágulás elkezdődött.

Ez körülbelül 14 milliárd évvel ezelőtt történt; ezt nevezzük a Világegyetem születésének. Ma csak egy legfeljebb 14 milliárd fényév sugarú tartományt láthatunk távcsővel, mivel a Világegyetem távolabbi régióiból a fény még nem ért el hozzánk. De ennek a régiónak a mérete folyamatosan növekszik, mivel a Világegyetem tágul, és a megfigyelhető régió határa fénysebességgel távolodik tőlünk. Ezért a jövőben a Világegyetem egyre nagyobb és nagyobb részét fogjuk látni. Nem mindegy azonban, hogy mire vagyunk kíváncsiak a Világegyetemmel kapcsolatban: a végtelen és a határtalan ugyanis két teljesen eltérő fogalom.

Nyilvánvaló, hogy a Világegyetem határtalan: nehéz elképzelni valamiféle falat, amely korlátozná világunk terét. De hogy a Világegyetem végtelen-e, az egyelőre nyitott kérdés.

Képzelj el egy hangyát, ami egy gömb felszínén él. Nem tud repülni, nem tudja átrágni a gömböt, így a gömb felszíne az egész világa. Hogyan tudhatja meg a hangya a „világegyetemének” tulajdonságait? Ha elég sokáig járkál a gömbön, és sehol sem fog határokba botlani, akkor helyesen arra a következtetésre jut, hogy a gömb felszíne határtalan. De vajon végtelenül nagy-e ez a felület? Okos hangyánk fog egy ecsetet festékkel, és elkezdi befesteni a gömb azon részeit, amelyeken már járt, új, be nem festett helyeket keresve.

Egy idő után meggyőződik arról (ha van elég festéke), hogy nincs több festetlen rész a gömbön. Ez azt jelenti, hogy a hangya számára elérhető gömbfelület nem végtelen: az egésznek meghatározott, véges területe van. A hangya világa tehát határtalannak, de végesnek bizonyult.

A hangyánk egy felületen él, mi pedig egy térfogatban: nekünk nem kettő, hanem három térbeli dimenziónk van. De a probléma lényege ettől nem változik. Egyelőre csak arról győződtünk meg, hogy a Világegyetem nagyon nagy. A hangya is megtehette volna ezt anélkül, hogy az egész felületet befestené. Ellenőrizhette volna a felület egy kis részének geometriai tulajdonságait egy háromszög rajzolásával. Ha a háromszög szögeinek összege 180°, akkor a felület sík, mint egy asztallap. De egy gömb felületén lévő háromszög szögeinek összege mindig nagyobb, mint 180°. Ezt az egyszerű kísérletet te magad is könnyen elvégezheted, ha fogsz egy labdát vagy egy földgömböt, amelyen már vannak háromszögek a párhuzamosokból és az összefutó meridiánokból. Észrevetted, hogy a párhuzamosok mindig merőlegesek a meridiánokra? Ez már két 90°-os szög, és ott van még a pólusnál lévő szög is! Ezért egy ilyen háromszög szögeinek összege értelemszerűen mindig nagyobb, mint 180°.

Ez a tény azonnal felfedi a földgömb felületének görbületét. Ha azonos területű háromszögeket rajzolunk különböző méretű földgömbökre, akkor minél kisebb a földgömb, annál nagyobb lesz a háromszög szögeinek összege. Ez azt jelenti, hogy minél kisebb a gömb mérete, annál nagyobb a felületének görbülete, és annál könnyebb a hangyának megérteni, hogy a gömb felülete nem végtelen. De amikor a hangya azt tapasztalja, hogy a felület minden irányban gyakorlatilag sík, akkor megérti, hogy ha alatta gömb is van, az egy óriási, gyakorlatilag végtelen felületű gömb, amelyre ha akarná sem lenne elég festéke.

A kozmológusok ma a hangya helyzetében vannak. Csak a gömbfelület területe helyett a Világegyetem térfogatát vizsgálják, és úgy látják, hogy a geometriai tulajdonságai alapján gyakorlatilag sík, ami azt jelenti, hogy nagyon nagy – gyakorlatilag végtelen. De a kozmológusok ugyanolyan kitartóak, mint a hangyák. Egyre mélyebbre és mélyebbre hatolnak a Világegyetem tanulmányozásában, hogy felfedjék minden titkát, és végül megtudják, amire mindenki kíváncsi, hogy valóban végtelen-e vagy sem.