1919 februárjában Frank Dyson, a Greenwichi Királyi Obszervatórium csillagásza és Arthur Eddington, a Cambridge-i Egyetem munkatársa két csi...
1919 februárjában Frank Dyson, a Greenwichi Királyi Obszervatórium csillagásza és Arthur Eddington, a Cambridge-i Egyetem munkatársa két csillagász csoportot állított fel egy napfogyatkozás megfigyelésére és lefényképezésére, amelynek az év májusában kellett bekövetkeznie, amikor Dél-Amerikán, az Atlanti-óceánon és Afrikán áthaladt. Az egyik csapat a brazil Sobralban, a másik az Afrika nyugati partjainál fekvő kis Principe szigeten volt.
Az expedíciók Albert Einstein általános relativitáselméletét tesztelték. Az elmélet 1915-ben, több éves matematikai kísérletezés után jelent meg, az akkori tudományos közösségben azonban megosztónak és ellentmondásosnak bizonyult.
Az általános relativitáselmélet egyik jóslata az volt, hogy egy Naphoz hasonló objektum mellett elhaladó fény elhajlik. Méretük miatt Einstein elmélete szerint a csillagászati égitestek torzulást okozhatnak a téridőben, így még a fényhullámok is - amelyek az abszolút kozmikus sebességhatáron (300 000 kilométer/másodperc) és tökéletesen egyenes vonalban haladnak - eltorzulnak.
A napfogyatkozás sötétsége lehetőséget adott a csillagászoknak arra, hogy megfigyeljék azokat a csillagokat, amelyek a Föld szempontjából a Naphoz állnak a legközelebb, mivel egyébként csillagunk fénye teljesen túlragyogná őket.
A csapatok küldetése sikeres volt. Miután fényképeket készítettek a Hyadok néven ismert csillaghalmazról, amely a Bika csillagképben található, összehasonlították a képeket ugyanazon klaszter éjszaka készült referencia felvételeivel, hogy kiszámítsák a nap jelenléte által okozott esetleges különbségeket. Az év novemberében Dyson és Eddington is bejelentette, hogy eredményeik alátámasztják az elméletet. A szkeptikusok elhallgattak, Einstein és munkája azonnali hírnévre tett szert.
Az általános relativitáselmélet minden túlzás nélkül állítható, hogy az univerzum egyik legmélyebb tudományos meglátása, amelyet az emberiség valaha kidolgozott. Miután Eddington és Dyson bejelentették eredményeiket, a fizikus J.J. Thomson állítólag Einstein elméletét "a tudományos elképzelések egész kontinensének" írta le.
A tudósok még mindig próbálják feltárni ennek a kontinensnek a domborzatát. A hatalmas csillagászati objektumok körüli fényelhajlás csupán egyik azon furcsa fizikai megnyilvánulások közül, amelyet az elmélet leír.
Ha valakit összezavarnak az általános relativitáselméletben kifejtett gondolatok, akkor nincs egyedül - az elmélet kulcsfontosságú része az, hogy a tér hajlítható, az univerzum pedig igencsak furcsa.
Az elmélet magyarázatának legegyszerűbb módja, hogy az objektum tömege összefügg a gravitációs erővel. Minél nagyobb a tömeg, annál nagyobb a gravitációs erő, és minél nagyobb az erő, annál nagyobb a tér torzulása. A furcsa, amit szem előtt kell tartani, hogy a gravitáció hatása a téridő szövetében látható torzulást eredményez.
És itt válnak a dolgok igazán trükkössé. Mivel ez a szövet négy dimenzióból áll - a tér három dimenziójából és az időből -, a hatalmas kozmikus testek szintén meghajlítják az időt. A kettő elválaszthatatlanul kapcsolódik egymáshoz, innen ered a "téridő" kifejezés.
Az idő a tér lényege
Eric Poisson professzor a kanadai Ontarióban található Guelph Egyetem Fizika Tanszékének elméleti fizikusa és kutatási vezetője. Munkája segített jobban megérteni az univerzum legtitokzatosabb csillagászati testeit, a fekete lyukakat, a neutroncsillagokat és az általuk előállított gravitációs hullámokat.
Dr. Poisson elmagyarázta, hogy az általános relativitáselmélet hatásai miatt az idő nem mindig fog ugyanolyan módon telni, és hogy ez igaz még akkor is, ha a Föld különböző pontjain mérjük.
"Az első dolog, amit Einstein felfedezett, az az, hogy ha két órád van, és az egyik a másikhoz képest mozog, akkor más ütemben fognak ketyegni. A második dolog, amit megtanított nekünk, az volt, hogy nemcsak az órák közötti relatív mozgásokról van szó, hanem a gravitációs tér relatív helyzetéről is. Tehát egy gravitációs mező mélyén lévő óra lassabban ketyegne, mint a gravitációs forrásoktól távol eső óra."
Ezért van az, hogy a Mount Everest tetején ketyegő óra másképp fogja mérni az időt, mint például a tengerszinten lévő óra, mivel a hegycsúcson lévő óra valamivel gyorsabban működik, mint az alacsonyabban lévő.
Az órák többsége azonban nem elég érzékeny ahhoz, hogy valóban regisztrálja ezt a különbséget, ami körülbelül a másodperc milliomodrésze. Bár ez egy kész tudományos ténynek tűnhet, valójában kiderül, hogy az általános relativitáselmélet hogyan befolyásolja mindennapjainkat.
"A GPS-rendszer Föld körüli pályán alapuló órákat foglal magában," - folytatta Poisson. "Azokat az időbélyegeket, amelyek rádiójeleken keresztül érkeznek hozzánk, úgy alakítottuk ki, hogy megadják egy pont helyzetét a Földön. Van egy csomó ketyegő óra a pálya különböző helyein, amelyek különböző ütemben ketyegnek, és különösen máshogy, mint a Földön lévő órák. Ha a gravitáció miatt nem tudnánk erről az (időbeli) különbségről, akkor azt találnánk, hogy az egész rendszer nem a tervek szerint működik. Ez a gravitáció számunkra mindennapi alapvető szempontja."
Gravitációs hullámok és bináris fekete lyukak
Poisson és más asztrofizikusok most az általános relativitáselméletet új irányokba viszik. Kutatása nagyrészt a fekete lyukakkal és az általuk generált gravitációs hullámokkal foglalkozik, amiért a Kanadai Fizikusok Szövetsége 2005-ben Herzberg-éremmel tüntette ki. És munkájának eredményeképpen, egykori diplomás tanácsadója, Werner Israel mellett, most jobban megértjük a fekete lyukak belső működését, melyek a legzavaróbb dolgok a megfigyelhető univerzumban.
A gravitációs hullám egy kozmikus jelenség, amelyet Einstein jósolt meg 1916-ban, és amelyet 2015-ben figyelt meg először a LIGO Tudományos Együttműködés, egy olyan tudóscsoport, amelynek feladata a hullámok észlelése és felhasználása új eszközként az univerzum tanulmányozásához.
Poisson hozzájárulása e hullámok felderítéséhez döntő fontosságú volt. Az 1990-es évek elején három évig dolgozott Kip Thorne-val, a LIGO egyik alapító tagjával, akit 2017-ben fizikai Nobel-díjjal tüntettek ki, Rainer Weiss és Barry C. Barish mellett. Poisson perturbatív gravitációs hullámegyenletek matematikai megoldásának módja kulcsfontosságú elemzés, amelyet olyan csoportok használnak, mint a LIGO, hogy észleljék létezésüket.
Leegyszerűsítve: a gravitációs hullámok apró hullámok a téridő szövetében, amelyet olyan hatalmas testek mozgása hoz létre, mint a fekete lyukak és a neutroncsillagok. Amint azt a LIGO bemutatta, amikor eredményeiket a Physical Review Letters folyóiratban tették közzé, a tudósoknak már van technológiájuk az ilyen hullámok tényleges mérésére, amely magában foglalja a nagyon érzékeny lézersugarak elmozdulását.
"A nagy kihívás a mérésük," - folytatta Poisson. "A nehéz része az a tény, hogy olyan picik. Alapvetően lézersugarakat használunk. Ha van két tárgyunk, amelyek szabadon mozognak az űrben, akkor az fog történni, amikor egy gravitációs hullám áthalad, hogy a távolság oszcillálni kezd. Amit tehetünk, hogy lézersugárral megmérjük a két tömeg közötti relatív távolságot."
Sajnos szinte bármi megzavarhatja ezt a mérést. A Föld detektorainak érzékenysége és maguk a hullámok kis méretei mellett a technológia szinte bármi mást regisztrálhat a gravitációs hullámon kívül. A szeizmikus tevékenység csak egy példa az olyan jelenségekre, amelyek zavarhatják a mérést. Ezért remélik Poisson és mások, hogy a közeljövőben detektorok kerülhetnek Föld körüli pályára.
"Reméljük, hogy a 2030-as években képesek leszünk a gravitációs hullámérzékelőket az űrbe juttatni. Nagyon reménykedünk abban, hogy ez a következő 20 évben megtörténik."
Poissont különösen izgatják a gravitációs hullámokkal kapcsolatos kilátások, amelyek segítenek betekintést nyerni az univerzum néhány alapvető misztériumába. "Egy olyan világban vagyunk, ahol a csillagászat most a gravitációs hullámokat használja," - mondta. "Egy teljesen új módon fedezzük fel az univerzumot."
Poisson elmagyarázta, hogy ez miért számít. "Amikor például az univerzumot látható fényen keresztül nézzük, bizonyos dolgokat látunk. Amikor megnyitottuk az elektromágneses spektrumot a rádióhullámok észlelésének megkezdéséhez, elkezdtünk egy olyan univerzumot látni, amely egészen más volt, mint amit korábban megfigyeltünk. A látható univerzum nagyon csendes volt, semmi sem változott sokat az emberi időskálán a látható fényben, de rádióhullámokban, röntgensugarakban, gammahullámokban nagyon összetett univerzumot találtunk."
A gravitációs hullámok újabb ablakok erre az univerzumra. Ezúttal azonban egy ablakot jelent a világegyetem sötét részeire, amelyekről nagyon keveset tudunk.
"A tanulság az volt, hogy minden alkalommal, amikor új ablakot nyitunk az univerzumban, mint például a gravitációs hullámok, valami egészen mást látunk. És most látjuk a sötét univerzumot. A gravitációs hullámok általában olyan területeken keletkeznek, amely nagyon kevés fényt bocsát ki. Látjuk a fekete lyukak összeolvadását, a neutroncsillagok egyesülését, olyan dolgokat, amelyeket más módon nem tudtunk észlelni. Ezt ígérik a gravitációs hullámok."
Poisson számára ez az egyik legbiztatóbb eszköz, hogy betekintést nyerhessen a kozmosz néhány legnagyobb testének történetébe. A fekete lyukak és a neutroncsillagok gyakran bináris rendszerként ismert párokban találhatók, amelyek hihetetlen sebességgel keringenek egymás körül, így gravitációs hullámokat hoznak létre az univerzumban. A remény az, hogy e hullámok elemzése segít megismerni, hogyan alakultak ki ezek a rendszerek.
"Az asztrofizika számára ez nagy dolog. A gravitációs hullámok sokat elárulnak a csillagok evolúciójáról," - mondta Poisson.
Az olyan emberek kutatásának és odaadásának köszönhetően, mint Poisson, valamint tudományos elődei és kortársai erőfeszítéseinek hála, egyre közelebb kerülünk ezekhez a válaszokhoz. Ezek ugyanolyan csodálatosan elgondolkodtatóak lehetnek, mint amilyennek az univerzum eddig mutatta magát.
(1) - https://interestingengineering.com/time
