Sanyilaci írta (sok egyéb között):
kevesebb feltételezésnek érzem az újabb (vagy pontosítottabb állapotegyenletű) anyagfajtát, mint egy mindentől független konstanst
Ez a lényeg!
A tudományban a divat, a korszellem is számít. A 19. században, a 20. század elején még az volt a divat, az volt a menő, ha valaki új univerzális állandót fedezett fel. Nem sokkal azelőtt jöttek rá, hogy a Faraday által kísérletileg talált elektromos állandó visszavezethető az elektron töltésére, ami egy új univerzális állandónak, minden töltés egységének bizonyult. Aztán Plancknak is hogy bejött az a h kvantumállandó... Amikor a gravitációs egyenleteket ki kellett egészíteni valamivel, hogy kijöjjön a sztatikus univerzum, a legkézenfekvőbb egy új állandó beírása volt. És mivel az egész univerzum modelljéről volt szó, ez nyilván nem függhetett helyi sajátosságoktól (anyagfajta, hőmérséklet stb) - egy új univerzális konstanst kellett bevezetni. Einstein könnyű szívvel megtette. Ez lett a lambda.
A sztori ismert: a táguló univerzum felfedezése nyomán a lambda eltűnt az egyenletekből. De amikor hetven évvel később, a kilencvenes évek közepén a mérések arra utaltak, hogy talán korai volt a törlése, addigra megváltozott a tudományos légkör. Közben megkezdődött és sikeresen előrehaladt a kölcsönhatások egyesítésének folyamata, melynek során az addig különálló elméletekben fellépett konstansokat valami közösre igyekeztek visszavezetni - ezzel a tendenciával ment volna szembe egy új univerzális állandó feltámasztása (miközben egyesek már azt számolgatták, hogy a majdani egyesített elméletben kettő, egy, vagy esetleg nulla szabad paraméter, univerzális állandó lesz). Másrészt a spontán szimmetriasértés elmélete és sok sikeres alkalmazása kialakította a fizikusokban azt az érzést, hogy számos mért adat, ami univerzális állandónak látszik, igazából valami helyi véletlen, az anyagkonfiguráció helyi szimmetriasértésének következménye, és semmilyen mélyebb jelentőséggel nem rendelkezik. Ezért a lambda visszatérte után azonnal megjelent az az interpretáció, ami a lambdát egy speciális anyagfajta valamilyen fizikai tulajdonsága pillanatnyi értékének tekinti - és ebből persze rögtön következik, hogy máshol és máskor ez az "állandó" más értéket vehet(ett) fel, esetleg olyan gyorsan (más fizikai folyamatok sebességével összemérhetően) változik, hogy egyáltalán nem tekinthető állandónak. Ez a hipotétikus anyag többféle nevet kapott: inflaton, kvinteszencia, sötét energia. Egyik sem jó név, és egyik sem jelent semmi konkrétat.
Matematikailag ez a feltevés egyszerűen annyit jelent, hogy a lambdát tartalmazó tagot átírjuk az Einstein-egyenlet egyik (geometriai) oldaláról a másik (anyagi) oldalára, ahol a jelen levő anyagfajták téridőt görbítő energiaimpulzus-tenzorai tartózkodnak. Feltételezzük, hogy a lambdás tag (pontosabban: lambdá szorozva a metrikus tenzorral) egy speciális anyagfajta energiaimpulzustenzora.
Node. Innnentől kezdve felmerül egy valódi fizikai kérdés: létezhet-e/létezik-e olyan anyagfajta, amelynek (a Hilbert által 1915-ben megadott algoritmus szerint kiszámítható, tehát nem az ujjunkból szopott) energiaimpulzustenzora valóban arányos a metrikus tenzorral? Ha a lokális inerciarendszerben vizsgáljuk a kérdést, ott a metrikus tenzor Minkowski-alakú lesz, főátlójában egyesek és mínusz egyesek állnak. Ebből az következik, hogy az energiaimpulzustenzor is ilyen alakú, ezzel arányos: azaz a hipotétikus anyagfajta nyomása megegyezik az energiasűrűség mínusz egyszeresével, tehát az állapotegyenlete p = - e. Van-e ilyen anyag?
A klasszikus fizikában nyilván nincs, ott e és p is mindig pozitív. De mire a kilencvenes években felmerült ez a kérdés, addigra a fizikusok már találkoztak egy ilyen anyagfajtával: ez volt a gerjesztett Higgs-vákuum, amelyre alapozva 1980-ban bevezették a kozmológiába az infláció forgatókönyvét, és így sikerült egy csomó kozmológiai furcsaságot megmagyarázni. Ha elfogadjuk a részecskefizika Standard Modelljét, tehát egyebek közt az abban szereplő Higgs-mező létezését (amit azóta – hosszú évtizedek várakozása után - 2012-ben kísérletileg is igazoltak), akkor azt mondhatjuk, hogy: igen, létezik ilyen speciális állapotegyenletű anyagfajta.
Itt jön a te kérdésed: vajon a Higgs-mező AZONOS-E a feltételezett sötét energiával? Szó szerint biztosan nem! Hiszen a sötét energia (definíció szerint) az a hipotétikus anyagfajta, ami MA eljátssza a lambda szerepét, ezzel gyorsítja a tágulást, míg az inflációs modellben szereplő gerjesztett Higgs-mező a modell szerint már nem létezik: hiszen a hajdani infláció ÉPP AZÉRT és akkor ért véget, mert és amikor a Higgs-mező a gerjesztett állapotából lebomlott a ma tapasztalható alapállapotába (amelyben tömeget ad a részecskéknek).
Az azonosítás kérdésére négy válasz adódhat:
1/ A mai sötét energia azonos az infláció Higgs-mezejével, az inflációs modellt kicsit módosítani kell, a gerjesztett Higgs-vákuum nem bomlott le teljesen, maradt belőle egy kevés, ez a mai „inflaton”.
2/ A mai sötét energia nem azonos az infláció Higgs-mezejével, de OLYAN. Azaz egy MÁSIK skalármező, ami matematikailag hasonlóan (de nem pontosan ugyanúgy) írható le, mint az egykori inflációt okozó mező. Ez a kis különbség okozza, hogy míg az egyik fajta mező az idők kezdetén megtért az alapállapotba, és nyugalomba vonult, a másik még ma is itt van, és aktívan hat a világegyetem fejlődésére.
3/ A mai sötét energia nem azonos az infláció Higgs-mezejével, nem is a rokona, hanem egy egészen MÁSFAJTA, egyebek között más állapotegyenlettel leírható anyagfajta.
4/ Térjünk vissza Einstein eredeti elképzeléséhez, ne keressünk speciális anyagfajtákat, hanem – szemben a mai tudományos divattal – fogadjuk el a lambdát, mint valódi univerzális állandót.
A legtöbb mai kozmológus a 2/ választ preferálja, és sokan annak részletein dolgoznak: azt keresik, hogy mi különbözteti meg a mai skalármezőt a régitől, milyen speciális tulajdonságai lehetnek – és hogy lehetne ezeket esetleg részecskefizikai kísérletekben is kimutatni. Egy kisebbség az 1/ válasz részleteit próbálja kidolgozni. Nagyon kevesen fogadják el a 4/ választ – hiába, a korszellem. Aki viszont a 3/ verzióra fogadott, az előtt szabad a pálya: olyan anyagfajtát tételezhet fel, olyan állapotegyenlettel, ami az eszébe jut – csak győzze kidolgozni a kozmológiai részleteket.
Szerintem egyetlen szakember sem gondolja komolyan azt az 5/ verziót, ami ellen te hadakozol, és ami a kissé pongyolán megírt kozmológiai ismeretterjesztő könyvekből szivárog a nagyközönség irányába: eszerint az Einstein-egyenletekbe a lambdát ÉS a „sötét energia” valamelyik változatát is bele kell tenni. Ez ellentmondana Occam borotvájának is: ha mindkét hipotétikus tényező megmagyarázza a tapasztalatot, elegendő csak az egyiket feltételezni – hacsak valami későbbi furmányos tapasztalat be nem bizonyítja, hogy mindkettőre szükség van. Tehát a fenti négy verzión túl más nem nagyon jöhet szóba. A népszerűsítő könyvek viszont nem hangsúlyozzák eléggé, hogy a "sötét energia" nem kiegészítője, hanem alternatívája a kozmológiai állandónak - így az olvasó fejében zavar támad.
Ki tud dönteni a fenti lehetőségek között? Természetesen a tapasztalat, a megfigyelés. Ez viszont igen nehéz feladat: lényegében egyetlen pontot ismerünk a feltételezett anyagfajta állapotegyenletének p(e) görbéjéből – ebből pedig nehéz rekonstruálni az egész függvényt. A standard kozmológiai elmélet ráadásul azt állítja, hogy a Higgs-jellegű skalármezők az univerzum jelenlegi állapotában évmilliárdok óta változatlanok. Ez pedig egyben a térbeli állandóságot is jelenti. Az ilyen „anyag” által okozott hatást tényleg nagyon nehéz elkülöníteni egy „valódi” univerzális állandó létezésének következményeitől - hiszen akármerre nézünk, ugyanazt az állandó értéket látjuk.
Mégis, mit lehet csinálni? Meg kell figyelni olyan jelensége(ke)t, ahol ez a feltételezett anyagfajta „kikel magából”, elhagyja mai nyugodt állapotát, gerjesztődik, és a p(e) görbe másik pontja határozza meg tulajdonságait. Egyik lehetőség erre az, hogy részecskegyorsítókban hozunk létre olyan extrém körülményeket, olyan nagy energiasűrűséget, ahol ez a gerjesztés bekövetkezik. A számítások szerint az ilyen részecskegyorsítók megépítéséig még legalább néhány évszázadot várni kell. A másik lehetőséget a „szegény ember gyorsítója”, a Nagy Bumm jelenti: figyeljük meg alaposan az univerzum története első töredékmásodperceiből származó információkat, hasonlítsuk össze a tapasztalattal, és ebből következtessünk a hipotétikus sötét energia tulajdonságaira. Igen ám, de e korai korszakokban jelen volt a másik (pontosabban az egyik, már mindenki által elfogadottan létező) skalármező, a Higgs-mező is: a nyomokban el kell(ene) különítenünk e két, rokon viselkedésű anyagfajta hatásait. Kemény feladat.
És most az általad emlegetett w-ről, a szakirodalom és az ismeretterjesztő irodalom lambdájáról, meg a trehány tudósok szociológiájáról. Amit itt leírtam, azt minden szakmabeli tudja. De nem idézi fel minden mondatában. Ehelyett rövidítéseket használ. A kísérleti kozmológus nem mondja meg, hogy az 1/- 4/ válaszok közül melyik mellett kötelezte el mmagát (talán egyik mellett sem), ő csak közli, hogy megmérte a tágulás gyorsulását, és a lambda járulékát ennyinek meg annyinak találta. Ebben a mondatban a „kozmológiai állandó” kifejezését használja. Egy másik mérése viszont a feltételezett sötét anyag állapotegyenletében szereplő bizonyos paraméterekre ad korlátot: ekkor a sötét energia vagy a kvinteszencia szavakat használja. E kifejezéseket átveszi az ismeretterjesztő irodalom is. Szegény laikus meg kapkodja a fejét: most akkor mindkettő létezik, lambda is van, meg kvinteszencia is? Frászt – nem tudjuk, és hol így emlegetjük, hol úgy.
Hasonló a helyzet a w-vel. A nyomás és az enegiasűrűség egyforma mértékegységűek (Joule/köbméter = Newton/négyzetméter = Pascal), egy adott pillanatban a hányadosuk tehát puszta szám. HA az állapotegyenlet olyan egyszerű, mint a galaxispor (p=0), az elektromágneses sugárzás (p=e/3) vagy a gerjesztett Higgs-mező (p= - e) esetében, akkor a w=p/e mennyiség valóban és mindig egy állandó szám, jelesül 0, 1/3 vagy -1. Ez az állandó az időben nem változik, hiába tágul a világ, és csökken benne az energiasűrűség meg a nyomás is, hányadosuk állandó marad.
Ha viszont az állapotegyenlet bonyolultabb, pl amit idéztem: p= k e^n, akkor a k arányossági tényező az n kitevőtől függő bonyolult dimenziós mennyiség kell hogy legyen. Ebben az esetben is kiszámíthatjuk a w=p/e mennyiséget, ami tényleg egy numerikus adat lesz, de korántsem állandó, hanem az energiasűrűség bonyolult függvényéből, (n-1)-ik hatványából és a dimenziós k állandóból lehet kiszámítani. Ha az univerzum fejlődése során az energiasűrűség változik, akkor ez a w szám is más és más lesz. Azt jelenti ez, hogy megváltozik a domináns anyagfajta, vagy más lesz az állapotegyenlet? Nem ezt jelenti, csak egy mennyiség természetes fejlődését - ez a tipikus viselkedés a fizikában, nem az előbbi, amikor két időben változó mennyiség hányadosa állandó marad.
Mindezt tudja a kozmológus, de nem mondja, hanem pongyolán úgy fogalmaz, hogy a w „állandó” most ennyi, korábban meg annyi volt, esetleg később más lesz. Szegény laikus meg ismét kapkodhatja a fejét: mi ez a folyamatos modellváltás? Holott végig egy modellről van szó, csak egy kicsit bonyolultabb állapotegyenlettel.
Következtetés: nem kell komolyan venni a w-t emlegető cikkeket és wikiket. A w csak egy egyszerű rövidítés, nem alapvető paraméter. A hatványfüggvény alakú állapotegyenletek n kitevője már komolyabb adat, ettől tényleg függhet az Einstein-egyenletek megoldásainak aszimptotikus viselkedése, rövidebben szólva az Univerzum sorsa. De az is lehet, hogy az állapotegyenlet sokkal bonyolultabb. Esetleg a kozmológiai állandó hatását „szimuláló” anyag olyan bonyolult módon viselkedik, hogy nem is lehet állapotegyenlettel jellemezni, hanem részletes mikroszkópikus leírásra van szükség.
Összefoglalva: a helyzet nem olyen bonyolult és kétségbeejtő, mint Sanyilaci írásából látszik. De nem azért egyszerű a helyzet, mert olyan jól értjük, hanem mert olyan keveset tudunk róla. Még egyszer: egy hipotétikus görbe egyetlen pontjának ismeretében próbálkozunk megsaccolni a görbe menetét, miközben a görbe létezéséről sem vagyunk meggyőződve. A helyzet (még) azért egyszerű, mert még nem kezdődtek meg (még nem kezdődhettek meg) azok a viták, amelyek a görbe harmadik maximumát adó csúcs esetleges aszimmetrikus voltáról szólnak – majd, valamikor 2420 körül...
dgy
