Einstein honnan tudta?
Einstein megjósolta a gravitációs hullámok létezését. De vajon hogyan jött rá valamire, amit a tudomány csak száz évvel később tudott mért adatokkal bizonyítani? Egyszerűen: megoldotta a saját egyenletét.
Einstein nagy erőssége az úgynevezett gondolatkísérletek felállítása volt. Ez nagyjából azt jelenti, hogy az ember leül, hogy egy probléma megoldásán, illetve az egyes megoldások hatásain gondolkozzon. Az első ilyen, nagyobb visszhangot kiváltó, sikeres gondolatkísérlete az volt, mikor megoldott egy olyan fizikai problémát, ami akkoriban nagyon a fizikusok torkán akadt: hogy lehet, hogy a fény sebessége állandó, ha tudjuk, hogy a sebesség viszonylagos?
Akkoriban azt már tudták, hogy a fény sebessége óriási. Ki is tudták számolni, hogy mennyi az az óriási, vagyis kiderült, hogy bár a fény gyors, a sebessége véges. Valahogy azonban azt senki nem értette, hogy lehet, hogy míg egy lassan mozgó tárgy sebességét a szemlélő a saját sebességétől függően látja gyorsnak vagy lassúnak, a fény sebességénél ilyen viszonylagosság nem létezik. Magyarán egy rakéta iszonyatosan gyors, ha mellettünk megy el, viszont sokkal lassabbnak látszik, ha mondjuk közel azonos sebességgel haladva mellette nézzük. A fénynél azonban nem tapasztaltak ilyet.
Einstein kicsit felturbózta, hogy v=s/t
Einstein erre a helyzetre válaszul dolgozta ki a speciális relativitáselméletet: rájött, hogy a hétköznapi sebesség-összeadás szabálya a fénysebességgel mozgó dolgokra egyszerűen nem igaz. Kidolgozott egy egyenletet, az iskolában általunk is tanult v=s/t egy igen speciális változatát, ami már tökéletesen működött: a sebesség más jellegű számítása más idő- és távolságszámítást is hozott, és hirtelen megoldódtak a korábban nem működő modellek.
Volt egy gond: a speciális relativitáselmélet egyenlete csak akkor működött, ha a megfigyelőt egyenletes sebességgel haladónak vették. De Einstein tudni akarta: mi van, ha gyorsuló megfigyelők esetében próbálunk számolni?
Na, ezen már ő is elrágódott egy ideig, egészen pontosan tíz év kellett neki, hogy kidolgozza az általános relativitáselméletet, és az úgynevezett Einstein-egyenletet. Ez az egyenlet tulajdonképpen az, amelynek egyik oldalán az anyagot (és annak tömegét) behelyettesítve megkapjuk az egyenlet másik oldalán a téridő görbületét.
Einstein dolgozószobája
Fotó: Ralph Morse
Itt jön be az ábra, amit már sokan láttak: tekegolyót helyezünk egy gumilepedőre, a szövet a tömeg alatt megnyúlik – pont úgy, ahogy a nagy tömegű tárgyak gravitációja deformálja a téridő szövetét.
Viszont Einstein játszani kezdett az egyenlettel.
Mi van, ha feltételezzük, hogy nincs anyag? Megdöbbentő, de nem feltétlenül az, hogy nincs téridőgörbület, hanem az, hogy mindenféle eredmény kijöhet. A mindenféle eredmény egyike a gravitációs hullám, amit épp most sikerült közvetlenül észlelni. A gravitációs hullám jelenléte egy olyan térben, ahol nincs semmilyen kiváltó anyag, tulajdonképpen egyféle módon magyarázható: a téridő torzulása vándorol.
Vegyünk egy egyszerű példát: ülünk Keszthelyen a Balaton partján, és egyszer csak, a semmiből, hullámozni kezd az amúgy teljesen sima víztükör. Nem látjuk, mitől lehet, pedig az indok egyszerű:
Balatonakarattyánál belehajítottak a vízbe egy óriási követ.
A két összeolvadó fekete lyuk által keltett gravitációs hullámok, melyek kitérítették a LIGO tükreit, nagyjából ugyanilyenek. Valahol nagyon messze, egy űrbéli Akarattyánál két óriási tömegű valami alaposan összegyűrte a téridő szövetét, az onnan kiinduló hullámokat mi most láttuk meg Keszthelyen.
Einstein tehát onnan tudta száz éve, hogy a gravitációs hullámok léteznek, hogy kijött neki egy ilyen eredmény, amikor megoldott egy nagyon jól kitalált matematikai egyenletet. Van a hullámokon kívül még bőven más lehetőség, például fekete lyuk, féregjárat, vagy akár időhurok is kijön megoldásként. Raffai Péter, az ELTE adjunktusa, az Eötvös Gravity Research Group fizikusa, a felfedezésen dolgozó magyar kutatócsoport tagja szerint a gravitációs hullámok igazolása pontosan azért fontos, mert nem minden létezik, amit egy egyenlet megoldásként kiad.
Raffai Péter (b)
Fotó: Bődey János
„Csak azért, mert kijön eredménynek valami, még nem biztos, hogy a természetben is kialakul – mondja a fizikus, aki szerint az időhurok a legjobb példa erre. – Az elmélet szerint létezhet a tudományos fantasztikus filmekből ismert időhurok is (például mikor egy filmbéli tudós azért tud elkészíteni egy időgépet, mert a későbbi énje időben visszautazva elmondja neki az időgépkészítés titkát), de ha senki nem tudja, hogyan lehet ebbe belépni, és nincs olyan folyamat, amely létrehozhatná, akkor ilyesmit soha nem fogunk találni.”
Minden, megoldásként előkerülő, a gravitációs hullámokhoz vagy a fekete lyukhoz hasonló eredménynél fontos, hogy a fizikusok találjanak valami folyamatot, ami keltheti. A most látott hullámokat két egyesülő fekete lyuk keltette, féregjáratot vagy időhurkot generáló jelenségekről egyelőre találgatások folynak még.
Na, még egyszer, honnan tudta?
Visszatérve tehát az eredeti kérdéshez, vegyük sorban a választ, lépésenként:
- Einstein kidolgozta a megoldást jelentő egyenletet egy már létező kérdésre.
- Aztán elkezdett játszani vele.
- És (egyebek mellett) kiderült, hogy a téridő úgy is tud görbülni, ha a megfigyelő közelében nincs anyag, vagyis tömeg, ami meggörbítené.
- Ha viszont a görbület nem ott keletkezett, akkor valahogy oda kellett jutnia.
- Tehát a téridő görbülete tud terjedni.
- Például hullám formájában. Akarattyánál csobban, Keszthelyen hullámzik.
Aztán eltelt száz év, alkottak egy baromi bonyolult szerkezetet, ami kimutatta, hogy valóban, a mérések szerint valóban hullámszerűen változik a téridő, ha a megfelelő folyamatok taszítanak rajta egyet.
