A relativitás elmélete szerint a teret és az időt egy egységként kell kezelnünk, ha meg akarjuk érteni a világban zajló folyamatokat. A folyamatok elemei az események, amelyek térben és időben adhatók meg. Minkowski vezetett be egy koordináta-rendszert, amelyben ábrázolhatók az események. Ez egy négy dimenziós rendszer, amelyből három dimenzió a tér három dimenziójának felel meg, a negyedik dimenzió pedig az idő. Mivel négy dimenziót a síkban nem tudunk ábrázolni, ezért a tér három dimenzióját egy dimenzióval helyettesítjük.

A fenti ábrákon a tér három dimenzióját kék színnel ábrázoltam, az idő dimenzióját pedig pirossal. A három ábra a tér és idő viszonyát mutatja a különböző világ-modellek esetén, ahol T egy vonatkoztatási idő-tengely, amely valamennyi ábrán szerepel. Mindhárom ábrán berajzoltam egy F folyamatot, amelynek két eseményét is (E1, E2) feltüntettem. Az események természetesen térben és időben adhatók meg, ezért az ábrákon a megfelelő tér és idő koordináták metszéspontjában találhatók.
Az a.ábrán a Minkowski-féle téridő ábrázolás van feltüntetve. Látható, hogy az eseményekhez tartozó idő-koordináták (T1, T2) párhuzamosak a T vonatkoztatási idő egyenesével.
A b.ábrán a tér koordinátát egy körrel helyettesítette Einstein, mondván hogy ez jobban szemlélteti azt, hogy a tér véges de mégis határtalan. Ez egy állandó állapotú világot ábrázol, ahol a tér változatlan, ezért az idő múlásával a tér görbéje is változatlan. Einstein ezt egy kozmológiai konstanssal fejezte ki. A téridő itt egy mindkét irányban végtelen hengerfelülettel adható meg. Ennél az elgondolásnál az időnek nem volt kezdete és nem lesz vége sem. Az E1 és E2 eseményeken átmenő T1 és T2 idő-egyenesek itt is párhuzamosak a T idő egyenesével és alkotói a henger-felületnek.

A c.ábra már a Hubble-féle világ-modellt ábrázolja. Eszerint a tér az idő előre haladtával tágult. Ezért a tér koordináta körének sugara növekszik. Ha itt megfigyeljük az F folyamat két eseményéhez tartozó idők egyeneseit, akkor azok éppen a kúp alkotói, azaz szöget zárnak be a T egyenessel. Ez azt jelenti, hogy a valós idő már megnyúltabb a T viszonyítási időhöz képest, de nem változik az üteme a tér növekedése közben.

A kozmológia tudományában az elmúlt évszázadban több jelentősebb világ-modell született. Korábban azt gondolták, hogy a világ nagyjából változatlan. Örök időktől létezett a szintén változatlan térben. Igaz, hogy a világot a galaxisunkkal azonosították, mert azt gondolták, hogy minden amit látnak a Tejút része. Einstein is ebben a hitben volt amikor megalkotta a téridő egyenleteit és hogy az egyenletek kifejezzék a tér állandóságát bevezetett egy szorzó állandót, melyet kozmológiai konstansnak (lambda) nevezett el. Az így leírt világot állandó állapotú világ-modellnek nevezzük.

Nem sokkal ezután Hubble, aki a változó csillagokat figyelve rájött, hogy egyrészt a világ nagyságrendekkel nagyobb a Tejútnál, mert galaxisok sokaságát észlelte, amelyek messze túl voltak a galaxisunkon. Másrészt arra is rájött, hogy ezek a galaxisok valamennyien távolodnak egymástól. Ez azt jelentette, hogyha az időben visszafele megyünk, akkor ezek egyre közelebb voltak egymáshoz, azaz valamikor egy pontból repültek szét. A világnak tehát volt kezdete, egy robbanásban született és ezt a robbanást Nagy Bumm-ként emlegetjük. Amikor Einsteint is meggyőzte erről, Einstein legnagyobb tévedésének nevezte ezt az állandót. Az így módosult világ-modellt ősrobbanás-elméletként szokták nevezni. Azt a fizikai törvényekkel leírhatatlan pontot, amiből a világ származott, szingularitásnak nevezik a matematikában. Eszerint az elmélet szerint nincs értelme annak a kérdésnek, hogy mi volt az ősrobbanás előtt, mert nem volt sem anyag sem tér sem idő. Ezek mind az ősrobbanás pillanatában születtek meg.
A galaxisok egymástól való távolodásának igazolására a vörös-eltolódás mérése ad bizonyítékot. Ez az optikai doppler-effektussal magyarázható. Mint ahogy egy közeledő vagy távolodó hangforrás hangmagassága megváltozik, ez hasonló módon történik a közeledő vagy távolodó fényforrásból induló fény hullámhosszának megváltozásával. Távolodás esetén a hullámhossz megnő, melyet az alábbi ábra szemléltet. A távolodás kétféle módon is történhet: vagy a változatlan térben az objektumok saját mozgása révén, vagy a tér megnyúlása esetén a térben álló objektumok is távolodnak egymástól. Általában a kétféle eset együtt fordul elő, de nagyléptékben a relatív vörös-eltolódás a mérvadó.

Ez az elmélet még kiegészült azzal a felismeréssel, hogy a tér nem egyenletesen tágult az időben, hanem rögtön a kezdet után volt a térnek egy igen intenzív felfúvódása, ami később átment egy egyenletesebb tágulásba. Ezzel jó néhány olyan problémát meg lehetett magyarázni, amit az addigi elméletek alapján nem. Ilyenek voltak a tér kisimulása, a horizont-probléma megmagyarázása, stb. A tér kisimulása eredményezte azt, hogy a világot ma nagyléptékben mérve homogénnek és izotrópnak látjuk. A horizont-problémát az jelentette, hogy a kozmikus sugárzást ellentétes irányokból mérve annak hőmérséklete gyakorlatilag azonosnak adódik. De ez felveti azt a kérdést, hogy az Univerzum egymástól olyan távol lévő régiói között hogyan alakulhatott ki a kozmikus sugárzás hőmérsékletének kiegyenlítődése, amikor ahhoz már a fénysebességnél nagyobb sebességre lenne szükség. A felfúvódás-elmélet megoldja ezt a problémát, mert a felfúvódás előtt a tér még kicsi volt és a hőmérséklet kiegyenlítődés megtörténhetett. A tér gyors (exponenciális) felfúvódása viszont ezt a kiegyenlített állapotot már nem befolyásolta.

A negyedik világ-modell már egy újabb finomítása volt az előbbieknek. Hawking az idő problémájának elemzése során annyiban módosította az előző elméletet, hogy a kezdet nem egy pont volt, hanem egy pici (Planck-távolságnyi átmérőjű) félgömb, ahol nem lehet pontosan megmondani, hogy melyik is a kezdőpont. Ez a szemlélet azt jelenti, hogy az idő nem egy pillanat alatt született meg, hanem fokozatosan előmerült. A négy világ-modellt szemlélteti az alábbi ábra.

Az ábra sok hasonlóságot mutat a korábbi ábrán látottakkal. Itt is egy F folyamat eseményei (E1, E2, E3) szerepelnek. Az ábra három részén a valós idők részidőinek (b, c, d)összehasonlítása látható a T vonatkoztatási idő egy részidejével (a). Az egyes eseményekhez tartozó valós idők egyenesei a felület azon pontjához húzott érintők, amely pontot az esemény jelöli ki a téridő felületen.

Az 1.ábra az állandó állapotú világ-modellt szemlélteti. Itt a téridő egy hengerfelületet ír le. Látható, hogy az `a` szakasz kivetítései a megfelelő érintőkre azonos nagyságúak és az `a` szakasszal is megegyeznek. Az idő tehát egyenletesen telik és üteme a vonatkoztatási idő ütemével is megegyezik. Ha a különböző téridő pontokba órákat helyeznénk és azokat egyszerre tudnánk leolvasni akkor az órák nem sietnének vagy késnének egymáshoz képest.

A 2.ábra az ősrobbanás-elméletnek felel meg. A robbanás előtt tér és idő nélküli szingularitás volt. A robbanást követően a téridő egy kúpfelületet képez. A T vonatkoztatási idő kivetítései a megfelelő érintőkre ebben az esetben is azonosak, de már hosszabbak, mint az `a` szakasz. Az idő és a tér a robbanás pillanatában születik meg és az idő egyenletesen telik, a tér pedig az időben előre haladva egyenletes mértékben tágul. Ennél az elméletnél a szingularitásból történő robbanás kiváltó oka megmagyarázhatatlan, ezért ez kedvez a teremtés- elméletnek, amely szerint egy transzcendens beavatkozás (isteni akarat) kellett az induláshoz.

A 3.ábra szerint az ősrobbanás-elmélet van bővítve úgy, hogy közvetlenül a Bumm után a térnek egy exponenciális tágulása következett be. Ennek a tágulásnak a sebessége messze meghaladta a fénysebességet. Ezt a tágulást megelőzte egy fázisváltás, ahol a vákuum energiája hirtelen lecsökkent. A két energiaszint közötti energia különbség fedezte az exponenciális tágúláshoz szükséges energiát. A térnek ez az inflációja néhány olyan problémát megold, amely az ősrobbanás-elmélettel nem volt megmagyarázható. Ezek a problémák a következők voltak:
a.) Horizontprobléma: ennek a lényege az, hogy a kozmikus háttérsugárzás hőmérséklete minden irányból nézve gyakorlatilag megegyezik. De az ellentétes irányokat tekintve a távolság már kb. 26-27 Gév, de ahhoz hogy a hőmérséklet kiegyenlítődése megtörténhessen közöttük, már a fénysebességnél nagyobb sebességre lenne szükség, ami lehetetlen. Az infláció megoldja ezt a problémát, mert a felfúvódás előtt még kicsi volt a tér mérete, így a hőmérsékleti kiegyenlítődés megtörténhetett, és az infláció ezt a kiegyenlített állapotot nem befolyásolta, mert azonos mértékben hűlt le a tér minden irányban.
b.) Síkprobléma: ez a probléma abban áll, hogy a világ sűrűsége igen közel áll a kritikus sűrűséghez, ami egy finoman kiegyensúlyozott állapotot jelent, de egyben azt is jelenti, hogy a világunk közel van a sík Univerzumhoz. Ha valóban ilyen lenne a világunk, akkor a tér az euklídészi térnek felel meg. De hogyan lehet ilyen finom hangolású a világ? A számítások azt mutatják, hogy ez a finomhangoltság a Nagy Bumm közelében - a Planck-méretű világ környékén - jóval szorosabb volt. Az infláció alatt pedig a sűrűség még inkább a kritikus érték felé közeledett.
c.) Szimmetriasértés probléma: ez abból adódik, hogy a világban létező fotonok száma sok nagyságrenddel nagyobbnak tűnik, mint az várható lenne a massziv anyagi részecskék számának alapján. A fotonok az anyag ill. az antianyag annihilálása során jöttek létre a Nagy Bummot követően. Úgy tűnik, hogy a kezdetben egyenlő arányban keletkezett kvarkok és antikvarkok az annihilálások után kvarktöbbletet eredményezett. Kérdés, miért? Ugyanis a kvarkok és antikvarkok párban keletkeztek és annihiláláskor párban tűntek el. Az inflációs modell önmagában még nem oldja meg a többletanyag keletkezését az antianyaggal szemben, de ha ez már így alakult ki az infláció előtt, akkor az infláció csak fokozta a szimmetriának ezt a sérülését. Van esély rá, hogy a többletanyag keletkezésének problémája a nagy egyesített elméletben (GUT) megoldható lesz.
d.) Galaxis-keletkezés problémája: a kezdeti piciny homogenitásbeli különbségek nem voltak elegendők ahhoz, hogy a gázködök csomósodását beindíthatták volna. Az infláció viszont felnagyította ezeket a különbségeket, amelyek már elegendően nagyokká váltak a csomósodások beindulásához.

A 4.ábra, amely az előmerülő időt tételezi fel, és a robbanás kezdeténél a legérdekesebb. Eszerint a kezdet egy Planck-méretnyi átmérőjű félgömb volt, azaz a robbanás nem egy pontból indult. Ez azt is jelenti, hogy a tér és az idő - melyek a félgömb mentén még elválaszthatatlanok voltak egymástól - fokozatosan merültek elő és a félgömb után váltak külön. Az ábráról leolvasható, hogy az időket megadó érintőknek a T egyenessel bezárt szöge a gömbfelület mentén folyamatosan változik. Emiatt a kivetített szakaszok hossza is a végtelen időszakaszból egy véges időszakaszba folyamatosan megy át. Ez azt jelenti, hogy a kezdetnél az óra csiga-lassúsággal járt majd folyamatosan gyorsulva vette fel a későbbi ütemét. De ez azt is jelenti, hogy a mai óra ütemével mérve a kezdet időbeli lezajlása abban a téridőben igen nagynak tekinthető. Így nézve a robbanás szinte csiga-lassúságúnak is tűnhet. Az ábráról az is leolvasható, hogy a gömbfelületen a szingularitás irányába haladva a valós idő egyenese fokozatosan belesimul a szingularitáshoz tartozó idő-egyenesbe (vízszintes érintő). Azaz nincs éles szakadék a szingularitás és a valóság között. Ez azt is jelenti, hogy a szingularitásból önmagától is lehetséges az átbillenés a Nagy Bumm irányába, nem szükséges hozzá transzcendens beavatkozás. Szerintem, mivel nincs éles határ a szingularitás és a valóság között, a szingularitásnak nevezett fizikai állapot is a valóság része, azaz fizikai értelemben nem is beszélhetünk szingularitásról csupán a valóság rendkívül extrém esetéről lehet szó. Ezért is van az, hogy a fekete lyuknak sem tűnik el minden kapcsolata a világunkkal, sőt nagyon is részt vesz a világunk alakításában.

Az Univerzum múltját és jövőjét illetően a tágulás szempontjából értelmezett legfontosabb világ-modellek a következők:

1. Állandó Állapot modell Az Univerzum mindig is azonos nagyságú volt, és ez nem is fog megváltozni. Megjegyzés: a tágulás bebizonyítása után ezen annyit változtattak, hogy az anyag folyamatosan termelődik, ezért tágul. De nem tudták megmagyarázni ezt az anyagtermelődési folyamatot.

2. Ciklikus modell Az Univerzum egy pici tartományból indult, ezt követően tágult, majd zsugorodni kezd a kezdeti állapotig. Ezt a ciklust követik a további ciklusok és a jelenlegi ciklust is hasonló ciklusok sorozata előzte meg. A ciklusok sorozatának nem volt kezdete, és nem lesz vége sem.

3. Nagy Bumm modell Ennek néhány változatát már leírtam korábban. Ennél a modellnél az Univerzum jövőjét illetően folynak jelenleg is kutatások. Háromféle jövőt képzelnek el a kozmológusok:
a. Összezuhanás: a tágulás egy idő után átvált zsugorodássá és minden egy kiterjedés nélküli pontba ( szingularitásba ) zuhan bele. Jelenleg úgy tűnik, hogy ez az összezuhanás nem következik be, mert a sötét energia tágító hatása ezt megakadályozza.
b. Lehűlés: a tágulás egy idő után megáll, de addigra már úgy szétszóródnak a benne lévő objektumok (galaxisok, csillagok, ködök), hogy újak már nem tudnak képződni. A csillagok miután elfogyasztották üzemanyagaikat, kialszanak. Az egymástól messze elsodródott objektumok még létezni fognak, de minden kihűl, és egy fagyos sötét világ lesz az eredmény.
c. Enyészet: a tágulás egyre nagyobb ütemben történik, amely azt fogja eredményezni, hogy minden felbomlik ( még az atomok is ), majd az anyag fokozatosan elenyészik a végtelen térben. Hogy melyik következik be az utóbbi két vég közül, azt a gravitáció illetve a sötét energia aránya dönti el. Jelenleg úgy tűnik, hogy a sötét energia az erősebb ( amely ellentétben az érzékelhető ill. a sötét anyaggal tágítja az Univerzumot ), ezért a c. eset a valószínűbb.

Megjegyzés: a c. eset szerint az anyag teljesen felbomlik, az atomok (az elemi részecskék is) szétesnek, azaz nem marad anyag a térben. De az én elképzelésem szerint ez azt jelentené, hogy ott marad az üres tér. Szerintem ez nem lehetséges. Az idő további megléte is értelmezhetetlenné válna. Akkor már inkább el tudnám képzelni azt, hogy az anyag eltűnésével együtt a téridő is fokozatosan eltűnik, vagy egy kritikus ritkuláson túl szétpukkan az egész - akár egy léggömb - egy szingularitásba zuhanva össze.

Az eddig bemutatott Univerzum-modellek után adok még egy ábrát, amely Stephen Hawking modellje.

Eszerint az Univerzum véges úgy térben mint időben, de nincsen határa, akár egy gömbfelületnek. Ez a világ-modell kétféle idővel számol. Az egyik a képzetes idő, amely a kvantum-fizikában elfogadott dolog. Az Univerzum a képzetes időben tágul, majd idővel összeomlik. A valós idő csak az Univerzum élete alatt van jelen és mindig egyirányú. Az A pont szingularitás a valós időt tekintve, de nem szingularitás a képzetes időben, azaz nem omlanak össze a fizika törvényei. Amennyiben ismeretesek lennének az ekkori állapotok, akkor azokból ki lehetne számolni a kifejlődő Univerzum törvényeit is. Ez azt is jelenti, hogy az Univerzum az önnön törvényei szerint is létrejöhet, nem szükséges az indításához külső transzcendens beavatkozás. Eszerint a tér tágulása az időben a fenti ábra szerint zajlott. Az téridő fokozatosan előmerült, majd csaknem ezután a inflációs (felfúvódási) szakasz alatt a tér exponenciális mértékben tágult. Ezt egy lassúbb tágulás követte, amely a mai napig tart és sok milliárd év múlva fokozatos összeomlás következik be. A zsugorodáskor a valós idő sem vált irányt és a Nagy Reccs-kor eltűnik.

Végül kibővítem a fenti világ-modellt a saját elképzelésemmel. Szerintem az Univerzum tágulását alapvetően a sötét anyagtól származó erő és a gravitáció együttesen határozza meg. A sötét energia hasonlóképpen működik, mint egy összenyomott, majd a nyomás alól felszabadult rugó teszi. A kirugózáskor tágul még a feszültségmentes állapotán is túl, majd visszarugózik és egy lecsengési szakasz után beáll az egyensúlyi, azaz feszültségmentes állapotába. A táguló szakaszban tehát ez az energia ellene hat a gravitációnak, de túlhaladva az egyensúlyi állapoton megfordul a hatás és a gravitációval azonos irányba mutat. Az egyensúlyi állapoton ismét áthaladva, újra fordul a hatás iránya, de ezen oszcilláció amplitúdója egyre csökken. Végül beáll egy egyensúlyi helyzet amit a sötét energia és a gravitáció együttes hatása határoz meg.

Az Univerzum tágulását tehát a következőképpen képzelem el:

Én a felfúvódási szakaszt követően egy enyhe exponenciális tágulást képzelek el, melynek az első 6-7 milliárd éves szakasza szinte egyenletes tágulásnak tűnik. Az azt követő szakaszban a tágulás felgyorsul. Nem omlik tehát össze az Univerzum, hanem egy idő után - hogy mennyi idő után, ezt nehéz lenne megmondani, valószínű, hogy sok milliárd év - az Univerzum állandó állapotúvá válik, azaz nem tágul és nem zsugorodik. Ekkor fog érvényessé válni Einstein kozmológiai állandója. Ez a végső dinamikus egyensúlyi állapot sem megnyugtató az élet számára, mert a tüzelőanyagok (H, He) elfogyása után a csillagok kihunynak és beáll egy élettelen, fagyos világ, ahol hideg és sötét égitestekből álló galaxisok még létezni fognak. Csak az ütközések gyújtanak rövid időre fényeket és ebben a csaknem abszolút zérus körüli hőmérsékletű világban életnek nyoma sem lesz. Az ütközések egyrészt az égitestek felaprózódását jelentik, másrészt a fekete lyukakban való elnyelődésüket. Hogy ez az állapot a végtelenségig tart-e majd vagy valami drasztikus változás mégis bekövetkezik egyszer, nem tudom. Drasztikus változásnak lehetne tekinteni egy vagy több fekete lyuk elpárolgásakor keletkező robbanást, amely alkalmával esetleg újratermelődnének a könnyű elemek. Ez újabb csillag-populációk létrejöttét jelenthetné, amely az Univerzum egy megújulása lenne. Mivel ennél az elképzelésnél egy dinamikus egyensúly áll be, ezért nem lesz se szakadatlan tágulás se Nagy Reccs, azaz az Univerzum lemerevedik egy stabil állapotba. Ez felveti a termodinamika II. főtételének kérdését, amely szerint egy zárt rendszerben (márpedig az Univerzum zárt, mert nincs kapcsolata az Univerzumon kívül semmivel) az idő előrehaladtával a rendszer rendezetlensége állandóan nő. Ennél a modellnél ez azt jelenti, hogy sok-sok idő elteltével a rendezetlenség mértéke olyan nagy lesz, hogy az anyag teljesen egyenletesen oszlik el a térben, ami gyakorlatilag minden folyamatnak a végét jelenti. A modell szerint tehát volt kezdet, a vég pedig egy halott állapot. Az Univerzum rengeteg rejtélyt tartogat, aminek manapság talán még a felét sem ismerjük. Megismerni már azért is nehéz, mert részei vagyunk az Univerzumnak, az objektivitás pedig megkívánná, hogy kívülről is tanulmányozni lehessen, ami persze eleve lehetetlen.