Ami még hiányzik a relativitáselméletből

Ma már több kilométeres alagútrendszereket kell építeni és nemzetközi kutatócsoportokat kell foglalkoztatni elméletei teljes igazolására, de maga a zseniális tudós, Albert Einstein még a berni szabadalmi hivatal magányában dolgozott. Mások találmányait vizsgálva merített rengeteg ötletet első tudományos áttöréséhez, a speciális relativitás elméletéhez, amelyet 1905-ben, mindössze 26 éves korában tett közzé.

Az előzmények egyik pillére Albert Michelson és Edward Morley fél évszázaddal korábbi csillagászati kísérlete. A fénysebességet igyekeztek megmérni egy bizonyos mozdulatlan, abszolút közeghez képest, amelyhez mindent viszonyíthatnak. Ez lett volna az éter (nem összekeverendő az éterekkel, a szerves vegyületek egy csoportjával), amelyhez képest a Föld is mozog. A kísérlethez elég arra gondolni, hogy ha valaki körhintán ül és eldob egy labdát, akkor az előredobott labda gyorsabban, a hátrahajított pedig lassabban fog repülni a mozdulatlan földhöz képest. Michelson és Morley azt próbálta megállapítani, hogy milyen gyorsan halad a Föld (azaz a körhintán ülő ember) az abszolút mozdulatlan éterhez (a körhinta alatti földhöz) képest. A labdához hasonlóan a fénynek is más-más sebességgel kellett volna haladnia különböző irányokban. Akárhogy mérték azonban, a fény sebessége mindig, mindenhol, minden irányban pontosan ugyanannyi volt.

Arra Galilei és Newton már évszázadokkal korábban rájött, hogy az egymáshoz képest egyenletes mozgást végző testekben a fizika törvényei ugyanúgy működnek. Nincs kitüntetett viszonyítási pont: egy tökéletes csapágyazású, elsötétített vonatban semmilyen kísérlettel nem lehetne megállapítani, hogy a szerelvény áll vagy mozog. Az ilyen, egyenletesen mozgó viszonyítási rendszerekben ugyanolyan a fizika, ugyanúgy esik le egy alma, ugyanúgy taszítanak és vonzanak a mágnesek. Erre alapult Einstein egyik alaptétele.

A másik alaptétel Michelsonnak és Morley-nak köszönhető: a fénysebesség minden ilyen rendszerben állandó. Megszületett a speciális relativitás elmélete, és elképesztő dolgok derültek ki: egy földi perc csak a Földről nézve egy perc hosszú, egy hozzánk képest mozgó megfigyelő számára hosszabb. Egy félméteres kalácsot viszont egy száguldó űrhajóból rövidebbnek lát az asztronauta, mint a földi szemlélő. Az ő nézőpontjából ellenben a szemlélő száguld el mellette egy bolygón, így az ő kalácsa tűnik rövidebbnek, mint az űrhajósé.

Az egymáshoz képest egyenletesen mozgó vonatok és hajók után Einstein figyelme hamarosan a liftek és a Föld felé fordult. Ha egy lift leszakad (és semmi sem fékezi), a benne lévő emberek úgy érzik, hogy épp súlytalanok. Lebegnek, mintha nem lenne gravitáció. Az űrhajós az űrben azért érzi magát súlytalannak, mert nem hat rá semmilyen erő, a lezuhanó liftet viszont folyamatosan vonzza a gravitáció, mégis súlytalanság uralkodik benne. Akkor hát hogyan döntheti el valaki egy zárt dobozban lebegve, hogy most épp az űrben vagy egy zuhanó liftben van? Miben különbözik a földi gravitáció attól az erőtől, amely a Forma–1-es pilótákat gyorsításkor az üléshez préseli? A gravitáció és a gyorsulás által okozott erők megkülönböztethetetlenek egymástól – akkor miért kezelnénk őket külön?

Ne kezeljük – jelentette ki Einstein éppen 100 évvel ezelőtt, megalkotva az általános relativitáselméletet. Ez már a gyorsuló vonatkoztatási rendszerekkel is foglalkozik, így jóval általánosabb (innen a neve). Egy, a Föld felszínén ülő újságolvasóra nem úgy tekint, mint nyugvó objektumra, hanem olyan valakire, aki épp egy gyorsulás elszenvedője. A gyorsulást kiváltó valami pedig nem más, mint a Föld, amely „felfelé gyorsul”, magához nyomva lakóit (akárcsak az elinduló vonat vagy a Forma–1-es autó), akik emiatt érzik úgy, hogy húzza őket a gravitáció.

A felénk gyorsuló Föld elmélete átlátszó bűvésztrükknek tűnik addig, amíg klasszikus értelemben tekintünk a térre és az időre. Newtoni megközelítésben a térkoordináták (fel-le, jobbra-balra, előre-hátra) írják le a pozíciót, amely pedig folyamatosan változhat az időben. Hogyan lehet viszont létrehozni valamirevaló teret és időt, ha benne a megfigyelők (mint az említett földi szemlélő és a mellette elszáguldó űrhajós) nem tudnak megegyezni sem a távolságokban, sem az események között eltelt időben, de még az események sorrendjében sem? Maguk az események megtörténnek, de viszonyítási pontok nincsenek. Mintha olyan könyvet olvasnánk, amelyben nincsenek dátumok és időpontok, sem helyszínek, sőt a lapok is össze vannak keverve. Az események és az ok-okozat ott vannak, csak sehogy sem lehet őket elhelyezni.

Matematikaprofesszorát, Herman Minkowskit követve Einstein ezért átlépett elméletével a téridőbe, ahol az idő nem telik, csak van. A téridőben csak az események biztosak és a téridő-intervallum (de külön-külön a tér- és az időintervallumok nem). Minden egyes esemény egy pont. Egy emberi élet nem más, mint a születés és a halál eseményének pontjait összekötő fonál a téridőben, amely nem mozog, nem fejlődik, hanem egyszerűen csak ott van.

Az általános relativitás fontos, ám laikusok számára nehezen elképzelhető alaptétele, hogy a téridő görbült. Nem más görbíti, mint maguk a testek, amelyek utána a görbület mentén mozognak. A téridő olyan, mint egy feszes gumilepedő, amelybe a nehéz test belesüpped, így a könnyebbek a görbület mentén lecsúsznak hozzá, mintha vonzaná őket valami, ami olyan, mint a gravitáció.

Einstein elmélete a hétköznapi helyzetekben nem mond többet, mint Newtoné, de megjósol számos olyan jelenséget, amelyeket az angol tudósé nem tudott volna megmagyarázni. Például azt sem, amit Arthur Eddington brit fizikus 1919-ben, egy napfogyatkozáskor tapasztalt: a fény elhajlik a nagy tömegű égitestek közelében. Ez volt az általános relativitás első tárgyi bizonyítéka. 2003-ban a Cassini űrszonda úgy küldött rádióhullámokat a Föld felé, hogy azok a Nap közelében száguldottak el, így meg tudták mérni, hogy a nagy tömegű égitest mellett mennyire lassul le az idő, azaz mennyivel később ér a jel a Földre. Az általános relativitás a hétköznapokban is működik: a modern GPS-helymeghatározás elképzelhetetlen lenne nélküle. Az elmúlt száz év sikerei mellett egy nagy hiány maradt még az elmélet igazolásában: a gravitációs hullámok detektálása.

A Napunknál is nagyságrendekkel nehezebb és gyorsan mozgó égitestekről azt tartja az általános relativitás elmélete, hogy képesek gravitációs hullámokat létrehozni. Ez úgy képzelhető el, mint amikor valaki izeg-mozog a fent említett gumilepedőn, az pedig ennek hatására hullámzik. A lepedő itt nem más, mint maga a hullámzó téridő, amely a nagy tömegű, mozgó testek miatt ide-oda görbül. Ahogy a görbület halad, úgy jön létre a gravitációs hullám. Ennek útjában a testek megrövidülnek és meghosszabbodnak, és az idő is hullámzik. A gravitációs hullámok hatása viszont nagyon kicsi, szinte teljesen mérhetetlen.

Ha mégis sikerülne kísérletekkel a gravitációs hullámok nyomára bukkanni, akkor a relativitáselmélet még szilárdabb lábakon állhatna, és teljesen új képet kaphatnánk a világegyetemről és annak keletkezéséről is. A hullámvadászat egyre izgalmasabb: idén márciusban az amerikai Harvard Egyetem kutatói először publikáltak kísérleti eredményeket a gravitációs hullámokról. A Déli-sarkon található BICEP2 detektor által gyűjtött adatok lázban tartották a kozmológusokat, de a bizonyíték gyenge lábakon állt, végül elbukott. A tudományos közvélemény nem fogadta el igazi bizonyítékként a gravitációs hullámok létezésére.

A következő lépés az öt európai ország (köztük Magyarország) összefogásával létrejött Európai Gravitációs Obszervatórium detektora, az Advanced Virgo. Elődjénél, a Virgónál tízszer nagyobb az esélye, hogy szilárd bizonyítékokkal szolgáljon a téridő fodrozódásairól. A 3 kilométeres karokból (alagutakból) álló, Európa legnagyobb vákuumrendszerének otthont adó óriási érzékelőrendszer egy Pisa melletti olasz kisvárosban, Cascinában épül újjá, egy éven belül képes lesz évi több mint tíz esemény észlelésére.

Magyarországról az ELTE és a Magyar Tudományos Akadémia egy-egy kutatócsoportja vesz részt – Frei Zsolt és Vasúth Mátyás vezetésével – ebben az európai együttműködésben és a gravitációshullám-detektorok fejlesztésében. Augusztus végén Budapest adott otthont a gravitációs hullámokkal foglalkozó egyik legnagyobb konferenciának, és ott szó esett az Einstein-teleszkópról is, amely az eddigieknél is pontosabb mérésekre lesz alkalmas. Várakozások szerint 10–15 év múlva épülhet meg, nagy valószínűséggel Magyarországon.

A tíz kilométeres karokkal tervezett, alacsony hőmérsékletű detektor a Mátra gyomrában kaphat otthont, több száz méterrel a felszín alatt, elzárva a szeizmikus és termikus zajoktól, amelyek lehetetlenné teszik a méréseket. Az Einstein-teleszkóp megépülése után elképzelhető, hogy néhány évtizeden belül a Mátrában rekonstruálhatják a kutatók az ősrobbanás legelső pillanatait.