Az Univerzum szerkezetének zenei analogonja

– Hogyan alakult az univerzum kutatása? Milyen felfedezések vezettek szerkezetének megismerésére?

– Az 1970-es évek elején Zeldovics szovjet asztrofizikus jött rá arra, hogy a gravitáció rendkívül érdekes alakzatokat hoz létre. Mindenki azt hitte, hogy néhány galaxisból összeáll egy csoport, több ilyenből pedig kialakul egy 100 galaxisból⁽¹⁾ álló gömbszerű csoport, és mint a fürtök, úgy lógnak a szőlőtőkéken, szépen hierarchikusan… Zeldovics úgy gondolta, hogy az univerzum szerkezete egy fürdőkád felszínén véletlenszerűen összeállt habhoz hasonlít. Ahogy a fürdővíz tetején a kis és nagy buborékok összeállnak, úgy állnak össze a galaxisok is ezeknek a „buborékoknak” a falain. Közöttük pedig óriási üres térségek húzódnak, ahol gyakorlatilag nincsen semmi. Mivel e „falak” mentén is mozognak a galaxisok, megtörténik, hogy ahol két „buborék” metszi egymást, ott időnként egy-egy „fal” szétpukkan. Ennek nyomán még nagyobb „üregek” alakulnak ki, és a „falak” metszésvonalában szivarszerű alakzatok keletkeznek. Ezek mentén tovább mozogva a galaxisok galaxis-halmazokká állnak össze. Hozzávetőleg ez volt az általa javasolt világkép. Ezt akkor senki sem fogadta el, mert az univerzumnak akkor még csak kis tartományát ismertük; a Zeldovics által megjósolt alakzatoknál jóval kisebbet.

Ez a helyzet csak a 80-as években változott meg, amikor egy nagy kutatómunka keretében 3000 galaxisnak mérték meg a távolságát és a spektrumát. Ennek köszönhető az elmúlt néhány év legnagyobb felfedezése: a „nagy fal”. Az univerzumnak egy görögdinnye szeletre emlékeztető szegletében a megmért galaxisok fele egy ilyen nagy „falon” helyezkedett el, előtte pedig egy óriási „üreg” húzódott. Tehát ez az elméleti feltevés fényesen beigazolódott. Ez volt egyébként az utolsó olyan eset, amikor az elmélet messze megelőzte a kutatást. Ettől az 1985-ös kísérlettől, a „nagy fal” felfedezésétől kezdve az észlelési technika oly mértékben felgyorsult, hogy messze előtte jár minden elméletnek. És talán nem túlzás azt mondani, hogy a kozmológia aranykorát éli. Ma már kb. 50–60 ezer galaxisnak ismerjük a távolságát, de gyorsan növekszik az univerzumnak az a tartománya, amelyet ismerünk.

– Mi a legfőbb vonzerő számodra a kozmosz kutatásában?

– Engem alapvetően az univerzum szerkezete érdekel; az, hogy hogyan alakultak ki ezek a struktúrák. Milyen fizikai folyamat diktálta éppen ezt a méretet? Hogyan fejlődnek az időben? Hogyan alakultak ki a „falak”, és a korai univerzum melyik fázisából erednek? Ha megnézzük az univerzumban a galaxis-eloszlásról készült fényképeket, hihetetlen szépnek találjuk őket. Olyan benyomása támad az embernek, mint amikor a hullámokat nézi vagy a tüzet. Valamiféle atavisztikus érzés ez, és talán ez az oka annak, hogy más tudományágakhoz képest a csillagászat sokkal mélyebben ragad meg mindenkit; a széles nyilvánosság számára mind a mai napig a legnépszerűbb tudomány. Mert az embereknek van valamiféle ősi kötődésük a mindenséghez: ahogy a vízparton vagy a tűz mellett ültek és nézték közben a csillagos eget, ez olyan mély atavisztikus élmény volt, hogy ez a mai napig mindenkiben megmaradt. És érdekes, hogy lehetséges valamiféle matematikai kapcsolat ezek között, amely a rendezettségnek és a rendezetlenségnek az arányával függ össze. Ha a természetben megnézzük a véletlenszerű jelenségeket, mint pl. a partvonalak, a sziklák, vagy akár a fák alakját, igazából valamennyi önmagához hasonló. Hogyha ránézünk egy fényképre, amely egy fáról, vagy akár csak egy levelek nélküli kicsi ágáról készült, rögtön meg tudjuk mondani, hogy ez éppenséggel egy tölgyfa. És sokszor még azt sem tudjuk megmondani, hogy ez a fának mekkora része, hogy ez egy icipici vagy egy egészen nagy ága, ha nem látunk mellette valamit, amihez viszonyítani tudjuk. Ugyanez a helyzet a galaxisok eloszlása vagy a hullámok esetében. Ha a szemünk elé kerül egy fénykép, amelyen csak hullámok látszanak, akkor nem tudjuk megmondani, hogy ez egy 10 méteres hullám az Atlanti-óceánon vagy egy fél méteres hullám a Balatonon. Létezik ilyen hasonlóság a természet különböző nagyságrendjeinek jelenségei között. Valamely tekintetben az energia- vagy információtartalom ezeken a különböző skálákon viszonylagos szabályosságot vagy törvényszerűséget mutat. Számomra úgy tűnik, hogy valamilyen értelemben az agyunk hozzáhasonult a környező természethez. Az érzékszerveink mintha lényegében ennek az igénynek felelnének meg, amikor a hasonló mintázatokat találjuk szépnek. És ezért szép a galaxis-eloszlás is. Számomra legalábbis nagyon szép.

– Az univerzum, az univerzális harmónia „földi” megfelelőjének régtől fogva a zene számít. Kozmológusként és zenészként hogyan ítéled meg kapcsolatukat?

– A zene és a kozmosz nagyon jól megférnek egymással, valójában rengeteg a közös bennük. Ilyen ennek az említett rendnek és rendezetlenségnek a megléte. Például azokat az egyszerű matematikai módszereket, amelyekkel most az univerzum szerkezetét analizáljuk, az öcsémtől tanultam, aki ugyanezzel a módszerrel akkor a Korg részére fejlesztett egy digitális zongorát. Azt a jelfeldolgozó eljárást, amelyet ő használt a hangok elemzésére, ma a galaxisok szerkezetének kutatásában használjuk. Néhány évvel ezelőtt írtunk egy cikket, amely elég nagy port vert föl: az univerzumban egy tűsugár mentén galaxis-katalógust készítettünk. Ezt vizsgálva kiderült, hogy csak elvétve találtunk galaxisokat, és köztük óriási üregeket pontosan úgy, ahogy Zeldovics megjósolta. Valójában azért is csináltuk, hogy megnézzük: ez a galaxisok alkotta „nagy fal” ismétlődik-e. És igazából ez derült ki; a galaxis-eloszlásban ezek a csúcsok, ezek a sűrűsödések rendkívül szabályosan követték egymást. És a távolság köztük 300 ezer fényév volt!

Azóta elég sokat dolgoztam azon, hogy mi lehet a fizikai magyarázata ennek a szabályosságnak. És érdekes – akármilyen furcsának tűnik is kozmikus méretekben –, hogy az oka majdnem zenei: a háromszázezredik év táján történt az, hogy az univerzumban kialakultak a semleges hidrogénatomok. Ennek előtte az univerzum rendkívül sűrű plazmaként oszcillált. Az oszcillálás azt jelenti, hogy hanghullámok szaladgáltak benne oda-vissza. Az univerzum ekkor már elég nagyméretű volt. Az univerzumnak mindig van egy adott mérete, az úgynevezett az eseményhorizont; ezen a méreten belül a fény még elér az egyik végéből a másikba. Ez azért lényeges, mert ebben a tartomnyban, amelyben az univerzum legtávolabbi részei még képesek információt cserélni. Az információcsere ez alatt a kezdeti időszak alatt főleg hanghullámok formájában zajlott. Ezt az információcserét úgy lehet elképzelni, mintha egy üstdobnak a membránja rezegne. Persze az univerzum esetében háromdimenziós, nagy kiterjedésű „üstdobról” van szó. És amikor az univerzum hűlésének egy pontján létrejöttek a hidrogénatomok, akkor hirtelen befagyott az adott rezgésformájában ez a „membrán”.

Elképesztő, hogy ennek a „membránnak” ugyanúgy vannak úgynevezett sajátrezgései, mint az üstdobnak, és ezeket ki lehet számolni! Tehát az univerzum nem olyan, mint egy fémdarab, vagy egy kő, amelyet ha megütök, akkor egy zörej hallatszik, hanem pont olyan, mint egy üstdob, szinte zenei hangon – és annak a felhangjain – szólal meg. Vagy mintha egy csőharang hangja lenne, mivel vannak úgynevezett rezonáns frekvenciái. És kiderült, hogy a legkisebb rezonáns frekvencia pont azonos az univerzumnak azzal a méretével, amelyik abban a pillanatban éppen 300 ezer fényév volt. Ezért aztán a vizsgálatunk során tapasztalt szabályosság pontosan ennek megfelelő. Ami azt jelenti, hogy valójában ezeknek az egykori hanghullámoknak a befagyott maradványait láttuk. Meglehet, hogy ezzel a katalógussal ezeknek a hanghullámoknak a nyomaira leltünk: az anyagba befagyott zenére. Ebben az esetben a zenei háttér határozottan segített a megfigyelés értelmezésében. És rendkívül érdekes volt ezzel a feltevéssel játszani, és megérteni a részleteit. Megérteni azt, hogy valójában az univerzum is csaknem úgy viselkedik, mint egy hangszer. Csak éppen kozmikus méretekben.