Az univerzum hőse
Vajon mi lehet az univerzum hőse? Nos, nem egy nagyszabású Hollywoodi film címe ez – történetünk nem szól másról, mint a gravitációról. Mert bátran kijelenthetjük, hogy az univerzum igazi hőse a gravitáció. De mi a gravitáció? Newton úgy értelmezte, hogy a testek vonzzák egymást. E vonzás függ a táválságtól és a testek tömegétől. Mert minden tömeggel rendelkező testnek gravitációja van, legyen az akár milyen kicsi, még egy kavicsnak is, vagy olyan nagy, mint a Föld. A fáma szerint Newton minderre akkor jött rá, amikor kertjében üldögélve egy alma esett rá. Úgy vélekedett az alma vonzza a Földet és a Föld is vonzza az almát. De mivel a Föld tömege jóval nagyobb, ezért az alma jobban elmozdul. Magyarul leesik. Tulajdonképpen az univerzumban nem történik más, mint a testek egymás felé esnek. Az űrhajósok fent azért súlytalanok kint az űrben, mert szabadon esnek a Föld felé. Ugyan ezt megtapasztalhatjuk itt, földi körülmények között is, nem kell más, mint egy repülőgép, amely emelkedik, majd zuhan. Parabolapályán mozog. Zuhanáskor a benne lévők lebegni kezdenek, súlytalanok lesznek. A súly nem egyenlő a tömeg fogalmával! A súly egy erő, és nagysága attól függ, hogy mennyire vonzza a tárgyat például a Föld (és persze attól is milyen messze van). Egy felhőkarcoló tetején az 1 kg már nem egy 1 kg-ot nyom, hanem kevesebbet, mert messzebb van a Földtől. A Jupiteren pedig kétszer olyan súlyos volna, ha lenne a Jupiternek felszíne.
A gravitáció megértésében a következő mérföldkő Einstein. Ő azt mondta a tömeg meggörbíti maga körül a téridő szövetét. Feltételezését az általános relativitáselméletben tette közzé. Úgy kell elképzelni ezt, mintha egy gumilepedőre egy golyót helyezünk. A golyó bemélyeszti maga körül a lepedőt. A nagyobb tárgy jobban. Ezek szerint ebben a Föld által keltett mélyedésben mozog a Hold, míg a Föld a Holddal együtt a Nap által keltett mélyedésben. Einstein rájött arra, hogy az ilyen görbületekben a fény is meggörbül, tehát nem egyenes vonalon mozog, hanem görbül pályán. Sőt még az idő is megváltozik. A nagy tömegek lelassítják az idő múlását.
A következő lépés az volt, amikor gravitációt úgy értelmezték, miszerint az nem más, mint egy olyan kölcsönhatás, melynek során erőátvivő részecskék ún. “gravitonok” (létezésük egyelőre nem bizonyított) cserélődnek ki. A gravitáció a 4 kölcsönhatás egyike. (erős, gyenge, elektromágneses, gravitáció) A tömeget pedig egy Higgs-bozon nevű részecske adja a Higgs-mező segítségével. Ebben a mezőben mozogva nyerik el a részecskék a tömegüket.
Rögtön az ősrobbanás pillanatában, amikor az az alig protonnyi energiagömb tágulni kezdett az újonnan keletkezett téridőben, megjelent a gravitáció, majd később pedig a másik 3 erő vált külön. De miért a gravitáció az univerzum hőse? Amikor a világegyetem kialakult, és megjelent benne az anyag, az nem egyenletesen töltötte ki, hanem kisebb-nagyobb egyenetlenségek voltak, sűrűbb és ritkább helyek. A sűrűbb helyeken azonnal munkához látott a gravitáció, és elkezdte egyre jobban tömöríteni a gázt, ezekből a csomókból hamarosan kialakultak az első csillagok. Ezek hatalmasak voltak, a mi Napunk tömegénél akár 100-szor nagyobbak. Kéken ragyogtak, és rövid életet éltek. Belsejükben a magfúzió során létrejöttek a nehezebb elemek, majd szupernóva robbanással elpusztultak, és szétszórták ezeket az elemeket a környező térbe.
A későbben létrejövő csillagok azután ebből, és a hidrogén maradékából sűrűsödtek össze. Ezek a csillagok a gravitációnak köszönhetően galaxisokká álltak össze, majd a galaxisok is kölcsönhatásba léptek egymással. A kezdeti sűrűsödések mentén kialakultak a galaxiscsoportok, melyek galaxishalmazokká váltak. A halmazok pedig szuperhalmazokká, melyek több ezer, több millió tagot számlálnak. Az Univerzum nagy léptékű szerkezetét vizsgálva láthatjuk, amint ezek a szuperhalmazok szálakba, falakba rendeződnek, közöttük üres terek találhatók. Ebben a szerkezetben nagy szerepet játszott a sötét anyag is, melynek tömege van, és négyszer annyi található belőle, mint rendes anyagból. A rendező elv a gravitáció volt. A gravitáció tartja egyben a galaxisokban a csillagokat, mozgatja a galaxisokat és formálja őket. A gravitáció nélkül nem léteznének a csillagok sem, és a Föld sem. Azért az univerzum hőse a gravitáció, mert nélküle nem létezne a ma ismert világegyetem, és mi sem ülnénk itt.
Ám mint az a görög tragédiákban szokott lenni, minden hősnek van egy sötét oldala. Így van ez a gravitációval is. Ha a gravitáció szabad kezet kap, egy szörnyeteg születik, melynek neve: fekete lyuk. A fekete lyuk a Napnál 10-szer nagyobb csillagok halálakor születik. A csillag magja fekete lyukká ömlik össze. A fekete lyuk olyannyira meggörbíti maga körül a téridőt, hogy ami belehull, az kikerül a mi univerzumunkból. A fekete lyukat egy gömbfelület határolja, ez az eseményhorizont. Ami az eseményhorizonton belülre kerül, az soha többé nem léphet ki. Itt a szökési sebesség a fénysebességgel egyenlő, azaz még a fényt is elnyeli. Hogy mi van bent a fekete lyukban, azt csak találgatjuk. Odabent a fizika általunk ismert törvényei nem működnek. A gravitáció olyannyira elszabadul, hogy az időt is megállítja, és széthasad a téridő. A tér végtelenül görbült lesz. Ez az univerzum hősének sötét oldala. Ám a fekete lyukak igen fontosak, nagy szerepük van a galaxisokban található csillagok együtt tartásában. A Tejút közepén is egy szupernagy, 4 millió Naptömegnyi fekete lyuk van, mely úgy alakult ki, hogy az évmilliárdok alatt elnyelt anyagtól meghízott.
Nem esett még szó a gravitáció egy érdekes megnyilvánulásáról, a gravitációs hullámokról, melyeket nemrég fedeztek fel, és felfedezésükért Nobel-díjat adtak.
Einstein már 1915-ben az általános relativitás elméletében megjósolta a létezésüket, azonban csak most sikerült minden kétséget kizáróan igazolni a létüket. Vajon mik ezek a gravitációs hullámok, és miért volt olyan nehéz rájuk bukkanni?
Einstein elmélete alapján a gravitáció a téridő torzulása. Három dimenzióban egy kocka segítségével pedig úgy képzelhetjük el, hogy a kocka oldalai benyomódnak és a kocka közepén egy sűrűsödés lesz. A négydimenziós téridőben az idő is áldozatul esik a gravitációnak, ott ahol erős a gravitáció az órák is lassabban járnak.
A fentieknek megfelelően a gravitációs hullámokat úgy képzelhetjük el, mint egy tó felszínén a fodrokat, melyek tovaterjednek. Ezek a gravitációs hullámok a téridő fodrozódásai, melyek a fény sebességével haladnak. Ezzel tulajdonképpen semmi újat nem mondtunk, mert már Einstein egyenletei is ezt jósolták 100 évvel ezelőtt.
Gravitációs hullámok akkor keletkeznek, amikor egy nagy tömegű test gyorsul (ez a ritkább az univerzumban) vagy akkor, amikor szupernóvák robbannak fel, és a magjuk fekete lyukká vagy neutroncsillaggá omlik össze. De gravitációs hullámok keletkeznek akkor is, amikor neutroncsillagok vagy fekete lyukak olvadnak egybe. Egy ilyen utóbbi esemény során létrejövő hullámokat sikerült a tudósoknak kimutatniuk. Az ütközés során két egyenként harmincegy-néhány Naptömegű, közepes méretű fekete lyuk kezdett egymás körül keringeni, majd végül spirális pályán haladva mind közelebb kerültek egymáshoz, és összeolvadtak. Ekkor keletkeztek a gravitációs hullámok, melyek során rengeteg energia szabadul fel, a fekete lyukak tömegéből 3 Naptömegnyi alakult energiává, melyet e gravitációs hullámok szállítottak el. Ez az univerzum egyik leghevesebb energia felszabadulással járó folyamata volt.
A kérdés az, hogy hogyan észlelhetők ezek a hullámok? Nos ahogy a téridőn keresztülhaladnak, közben a téridő megnyúlik, majd összehúzódik. Ezt a változást kell detektálni. Erre legalkalmasabb egy olyan berendezés mely nagyon pontosan méri két, mondjuk lézert kibocsátó forrás távolságát. Ha a legkisebb távolságingadozás észlelhető, akkor nagy valószínűséggel egy gravitációs hullám haladt át. Még jobb, ha ezek a kibocsátók egy háromszöget formáznak, és a háromszög oldalainak hosszúságváltozását figyeljük.
Most, hogy végre sikerült gyakorlatban is bebizonyítani az elméletet, a fizikusok egy hatalmas berendezést kívánnak az űrben felépíteni, melynek oldalhossza nem kevesebb mint 1 millió km, hogy ezzel még pontosabban sikerüljön mérni a gravitációs hullámokat. Felvetődik azonban a kérdés az átlag emberben, hogy miért ilyen fontos ezeknek a különös hullámoknak a tanulmányozása azon túl, hogy sikerült igazolni Einstein elméletét? A válasz az, hogy ezen hullámok tanulmányozásának segítségével bepillantást nyerhetünk a fekete lyukak fizikájába, ismereteket szerezhetünk arról, hogy milyen volt az univerzum közvetlenül az ősrobbanás után. Ezen túlmenően pedig remény kínálkozhat arra is, hogy kvantumos gravitációt leíró elméletet kapjunk a kvantummechanika és a relativitáselmélet összeházasításával. Ezek új mérföldkövet jelentenek a fizikában. Segítségükkel az emberiség előtt olyan távlatok nyílhatnak meg, melyek ma még jórészt csak a sci-fikben léteznek.
Garzó László írása
