Az alma valószínűleg nem igazán esett Sir Isaac Newton fejére 1665-ben, és nem kopogtatta meg a felvilágosítást a zuhanó testek természetéről. És ha már itt tartunk, felejtsd el, amit az iskolában tanultál a gravitációról. Valójában nem így működik. De ne higgyétek el, amit mondunk. Hagyjuk, hogy a gravitációelmélet történetének fő vitapartnerei maguk mérkőzzenek meg egymással.
1. forduló: Newton
“A gravitáció valóban létezik” – jelentette ki Newton 1687-ben. ” az általunk kifejtett törvények szerint hat, és bőségesen szolgál az égitestek minden mozgásának magyarázatára”. Newton előtt senki sem hallott a gravitációról, nemhogy az egyetemes törvény fogalmáról.
A cambridge-i egyetemet, ahol Newton tanult, 1665-ben pestis miatt bezárták. A 23 éves fiatalember gyermekkori otthonában talált menedéket, és hónapokig tartó lázas matematikai agytornába vetette magát. Ez, valamint egy kétes almasüllyedés a hátsó gyümölcsöskertben megalapozta a Philosophiae Naturalis Principia Mathematica című remekművét. A Principia című művében Newton a gravitációt egy állandóan jelenlévő erőként írta le, egy olyan vonzásként, amelyet minden tárgy a közeli tárgyakra gyakorol. Minél nagyobb egy tárgy tömege, annál erősebb a vonzása. A két tárgy közötti távolság növelése gyengíti a vonzást.
A Principia matematikai magyarázatai ezekre az összefüggésekre egyszerűek és rendkívül praktikusak voltak. Newton az egyenleteivel először tudta megmagyarázni, miért marad a Hold a Föld körüli pályán. A mai napig Newton matematikáját használjuk egy softball-dobás vagy a Holdra leszálló űrhajósok röppályájának előrejelzésére. Valójában a gravitáció minden mindennapi megfigyelése a Földön és az égen elég pontosan megmagyarázható Newton elméletével.
Oké, megvesszük. De hogyan működik?
Halló?
Csend a gyűrű Newton sarkából.
Az igazság az, hogy Newton le tudta írni a gravitációt, de nem tudta, hogyan működik. “A gravitációt egy állandóan bizonyos törvények szerint ható ágensnek kell előidéznie” – ismerte el. “De hogy ez az ágens anyagi vagy immateriális-e, azt olvasóim megfontolására bíztam.”
300 évig senki sem gondolt igazán arra, hogy mi lehet ez az ágens. Talán minden lehetséges versenyzőt megfélemlített Newton zsenialitása. Az ember feltalálta a számítást, az isten szerelmére.
Ding. 2. forduló: Einstein
Albert Einstein nyilvánvalóan nem ijedt meg. Még bocsánatot is kért. “Newton, bocsáss meg nekem” – írta emlékirataiban. “Megtaláltad az egyetlen utat, ami a te korodban éppen csak lehetséges volt a legmagasabb gondolkodású és alkotó erejű ember számára.”
© Einstein Archives Hebrew University of Jerusalem
1915-ben, nyolc évnyi gondolatrendezés után Einstein megálmodott (szó szerint – nem voltak kísérleti előzményei) egy olyan szert, amely a gravitációt okozta. És ez nem egyszerűen egy erő volt. Általános relativitáselmélete szerint a gravitáció sokkal furcsább: egy tömeg térre gyakorolt hatásának természetes következménye.
Einstein egyetértett Newtonnal abban, hogy a térnek van dimenziója: szélessége, hossza és magassága. A tér lehet, hogy anyaggal van kitöltve, de az is lehet, hogy nem. Newton azonban nem hitte, hogy a teret befolyásolják a benne lévő tárgyak. Einstein viszont igen. Elmélete szerint egy tömeg bőven képes megdobni a teret. Elferdítheti, meghajlíthatja, tolhatja vagy húzhatja. A gravitáció csak a tömeg térben való létezésének természetes következménye volt (Einstein 1905-ös speciális relativitáselméletével a térhez negyedik dimenzióként hozzáadta az időt, és az eredményt téridőnek nevezte. A nagy tömegek az időt is eltorzíthatják, felgyorsítva vagy lelassítva azt).
Einstein gravitációs görbületét egy trambulinra lépve szemléltethetjük. A tömeged egy mélyedést okoz a tér feszes szövetében. Guríts el egy labdát a lábadnál lévő görbület mellett, és az a tömeged felé fog görbülni. Minél nehezebb vagy, annál jobban meghajlítod a teret. Nézd meg a trambulin széleit – a görbület a tömegedtől távolodva egyre kisebb lesz. Így ugyanazok a newtoni összefüggések magyarázhatók (és matematikailag pontosabban megjósolhatók), de a görbült tér más szemüvegen keresztül. Ezt kapd ki, Newton, mondja Einstein. Sajnálattal.”
Einstein elmélete diadalmasan lyukat ütött Newton logikáján is. Ha, ahogy Newton állította, a gravitáció állandó, pillanatnyi erő, akkor a tömeg hirtelen változásáról szóló információnak valahogy egyszerre kellett volna az egész világegyetemben kommunikálódnia. Einstein számára ennek nem sok értelme volt. Az ő érvelése szerint, ha a Nap hirtelen eltűnik, a bolygóknak a keringés leállítására irányuló jelnek logikusan némi utazási időt kellett igénybe vennie. A Plútóhoz pedig biztosan tovább tartana eljutni, mint a Marshoz. Ebben egyáltalán nincs semmi általánosan azonnali.
Mit javasolt Einstein a kommunikáció hiányzó ágenseként? Lépjünk be ismét a nagyon hasznos űrgörbületébe. Hasonlóan egy tóba dobott kőhöz, egy tömegváltozás hullámzást okoz a térben, ami a forrástól minden irányba fénysebességgel terjed. Ahogy halad, a fodrozódás összenyomja és megnyújtja a teret. Az ilyen zavart gravitációs hullámnak nevezzük.
Ezzel a végső csapással Einstein általános relativitáselmélete mindent megmagyarázott, amit Newton elmélete megmagyarázott (és néhány dolgot, amit nem), méghozzá jobban. “Teljesen elégedett vagyok” – mondta Einstein 1919-ben. “Nem kételkedem többé az egész rendszer helyességében.”
Ebben a fordulóban Einstein győzött.
Ding. 3. forduló: A következő hullám
Einstein talán megjósolta a gravitációs hullámokat, de kevéssé hitt abban, hogy a tudósok valaha is észlelik őket. A gravitációs hullámok csak kis mértékben szorítják és nyújtják a teret. Valójában nevetségesen, szörnyen, szinte lehetetlenül kicsi: több százmilliószor kisebb távolságot, mint egy atom távolsága.
Eleddig Einsteinnek igaza volt. Nyolc évtized telt el azóta, hogy bevezette az általános relativitáselméletet, és gravitációs hullámot még nem észleltek. Egészen 1974-ig a tudósok még csak a közelébe sem jutottak. Abban az évben két rádiócsillagász, Joseph Taylor és Russell Hulse egy egymás körül keringő neutroncsillag-párt (szupersűrű összeomlott csillagok) elemzett. Hulse és Taylor észrevette, hogy a pályák olyan mértékben gyorsulnak fel, ahogy Einstein megjósolta, ha a rendszerben valóban gravitációs hullámok keletkeznek. A gravitációs hullámok első közvetett bizonyítékai megvoltak, de magukat a hullámokat közvetlenül nem mérték.
Bár bármilyen objektum képes gravitációs hullámokat generálni, csak a rendkívül nagy tömegűek okoznak elég nagy torzulásokat a térben ahhoz, hogy mérni lehessen őket. Ilyen gigantikus tömegváltozások csak a világűrben fordulnak elő, például keringő neutroncsillagok, ütköző fekete lyukak vagy szupernóvák. A kutatók most az ilyen forrásokból származó hullámok után kutatnak a valaha készült egyik legpontosabb tudományos műszerrel: A LIGO, a Lézer Interferométeres Gravitációs Hullám Obszervatórium. A LIGO óriási, okos és furcsa külsejű, és kifejlesztése több mint 365 millió dollárt és 30 évet vett igénybe. A végtelenül kis távolságok mérésére való képessége segíthet abban, hogy a gravitációs hullámok “felfedezése” bármelyik pillanatban minden újság címlapjára kerüljön, és a gravitáció megértésének következő nagy fordulóját hirdesse.
Hivatkozások
NOVA: The Elegant Universe
Timeline of gravitational history
Nézze meg Einstein általános relativitáselméletéről szóló tanulmányát és egy képet a térkitérésről
