Élet és tudomány

Figyeld meg és gondolkozz! - Éjszaka sötét van

Megjelent az Élet és tudomány 2009. szeptemberi számában

Írta: Gesztesi Albert

A kisgyerekek elég furcsa kérdéseket tudnak feltenni, és amikor válaszolni akarunk rá, néha zavarba jövünk. Ilyen például, hogy miért van a csőben lyuk, mit csinál a szél, amikor nem fúj stb. Ám ha azt kérdezik, hogy miért van éjszaka sötét, úgy gondoljuk, hogy könnyen válaszolhatunk rá: azért, mert lenyugodott a Napocska. De elgondolkoztunk-e már azon, hogy tényleg ez-e a magyarázat?

Amikor lenyugszik este a Nap, csillagászati értelemben napfogyatkozás van. A definíció szerint fogyatkozás akkor következik be, amikor egy égitest részben vagy egészben eltakarja előlünk a másikat. Rendesen napfogyatkozásnak azt tekintjük, amikor a Hold állja el a napsugarak útját. Éjszaka viszont maga a Föld takarja el a megfigyelő elől a Napot, tehát ezt is fogyatkozásnak kell tekintenünk.
Nos e kis kitérő után térjünk vissza az eredeti kérdésünkre: miért fekete az éjszakai égbolt? Ezen a kérdésen már Johannes Kepler és Edmund Halley is törte a fejét, de mint lényeges kozmológiai problémát Wilhelm Olbers (1758-1840) német orvos és műkedvelő csillagász fogalmazta meg 1826-ban (1. ábra).

Azóta mint Olbers-paradoxont, azaz ellentmondást emlegetjük. Olbers munkásságából több haszna volt a csillagászatnak, mint az orvostudománynak. Felfedezte a második és a harmadik kisbolygót, a Pallast és a Vestát, kimutatta a Mars és a Jupiter közötti kisbolygóöv létét, és azt állította, hogy az egy hajdan széthullott bolygó darabjaiból áll.
Elhíresült paradoxonának lényege a következő: ha a) a világmindenség statikus, tehát mindig ilyen volt és ilyen is lesz, mint amilyennek most látjuk, b) a csillagok egyenletesen oszlanak el benne, c) a fény az euklideszi tér egyenesei szerint terjed és d) a fénysugár az útja során nem veszít energiájából, akkor az égboltnak végtelenül fényesnek kellene lennie. Látjuk, hogy nem ilyen, hanem koromfekete. Akkor viszont a fenti állítások közül egy vagy több hibás kell legyen.
Gondolkozzunk el a kérdésen! Ha abból indulunk ki, hogy az univerzum öröktől fogva létezik és mindig egyenletesen töltötték be a csillagok, akkor elegendő idő állt rendelkezésre ahhoz, hogy akár a legtávolabbi csillag fénye is megérkezzen hozzánk. Ha egyenletesen töltik ki a teret, akkor könnyű belátni, hogy bármerre nézve csillagot kell látnunk. Egy egyszerű példával szemléltetve: figyeljünk meg egy sűrű erdőt! A közeli fák között még ellátunk, de egy bizonyos távolságon túl bármerre nézve csak fákat láthatunk (2. ábra).

Tudjuk, hogy a fénysugár erőssége a távolság négyzetével fordított arányban csökken. Kétszer akkora távolságban lévő fényforrás fényét negyed, háromszor akkora távolságú fényforrás fényét csak kilenced olyan erősnek látjuk. Igen ám, de ha feltesszük, hogy a csillagok egyenletesen oszlanak el a térben, akkor számuk is növekszik a távolság négyzetével (3. ábra)!

Abban nem kell kételkednünk, hogy a fénysugarak egyenes vonalban terjednek, viszont többen kétségbe vonták, hogy gyengítetlenül érnek el hozzánk. Voltak kutatók, akik úgy gondolták, hogy a csillagok közötti tér nem teljesen átlátszó; gáz- és porfelhők nyelik el a messzi csillagok fényét. Ám hamar rá kellett jönniük, hogy ha ez így lenne, akkor az ilyen csillagközi anyagnak erősen fel kellene forrósodnia. Ennek eredménye pedig megint csak az lenne, hogy az egész égboltnak egyenletesen fényleni kellene.
Olbers élete végéig töprengett a kérdésen. Mi azonban már tudjuk a megoldást. Először is, a világegyetem nem statikus, ahogy elődeink gondolták. Egy statikus univerzummal az a baj, hogy nem lehet statikus. Ugyanis ha a térben egyenletesen oszlanának el az égitestek, akkor a közöttük ható gravitáció előbb-utóbb összerántaná őket a középpontba. Ellenérvként azt lehetne felhozni, hogy ha végtelen az univerzum, akkor nem határozható meg egy középpont, a gravitációs erők kiegyenlítődnének. Ebben az esetben viszont végtelen nagyságú gravitációs erőket tapasztalnánk. A következtetés az, hogy az univerzumnak vagy tágulnia, vagy összehúzódnia kell, statikus semmiképpen sem lehet.
A múlt század elején az amerikai V. M. Slipher és W. W. Campbell távoli galaxisok színképeinél vöröseltolódást tapasztaltak, amiből Edwin Hubble 1929-ben azt a következtetést vonta le, hogy valamennyi extragalaxis tőlünk távolodik – az egész univerzum tágul. Ezzel igazolódni látszott A. Friedman és G. Lemaitre korábbi elmélete, amely megjósolta a világegyetem tágulását. Ha tágul, akkor nem lehet sem térben, sem időben végtelen. George Gamow és R. Alpher kidolgozták a forró univerzum elméletét, miszerint egy – helytelenül – ősrobbanásnak (Big Bang) nevezett esemény során keletkezett a világunk. Ma már elég nagy biztonsággal állíthatjuk, hogy ez az esemény 13,7 milliárd évvel ezelőtt volt.
Az éjszakai égbolt tehát azért sötét, mert világunk nem létezett az örökkévalóságtól fogva, hanem milliárd évekkel ezelőtt keletkezett. A csillagok száma sem végtelen. Végül pedig állandó, – és ha a mérések pontosak – akkor egyre gyorsuló tágulásban van.
Ha ezután felnézünk a csillagokkal telehintett, de koromfekete égboltra , gondoljunk arra, hogy ebben a Big Bang, valamint világunk tér- és időbeli végességének igazolását látjuk.