Értsük meg a jövőt! – az idei természettudományos Nobel-díjak nyomában – II. rész

Változhat-e a távolság két test között, ha azok nem mozdulnak meg? Mi az a téridő? Mire jók a gravitációs hullámok? A cikksorozat második részében az idei fizikai Nobel-díjat érő felfedezést és a mögötte húzódó 100 éves elméletet járjuk körbe!

Az előző cikket a 2017-es fiziológiai és orvostudományi, illetve a kémiai Nobel-díjról itt találja.

 

Gyorsan járj, tovább élsz – mire jók a gravitációs hullámok?

A 2017-es fizikai Nobel-díjat Rainer Weiss, Barry C. Barish és Kip S. Thorne kapta a „LIGO detektor megalkotásában és a gravitációs hullámok megfigyelésében tett meghatározó közreműködésükért.”

100 évvel Albert Einstein speciális relativitás elméletének megjelenése után, 2015 végén robbant a hír, hogy egymástól függetlenül gravitációs hullámokat sikerült detektálni, azaz a történelem során először, közvetlen bizonyítékot találtak Einstein elméletére. A csapat tagjai között ráadásul magyar kutatók is helyet kaptak. Hogy megértsük a felfedezés fontosságát, először járjuk körbe magát a jelenséget.

 ligoA LIGO detektor 4 km hosszú karjai légi felvételen
forrás: pbs.org

A gravitációs hullámokat mozgó testek idézik elő. Érzékelni azért tudjuk őket, mert a gravitációs mezőben változást, ingadozást okoznak. A gravitációs hullámok tulajdonsága, hogy ahol áthaladnak ott a távolságokat rövidítik és megnyújtják. Változást okoznak az úgynevezett téridőben. Azonban, mivel a gravitáció a leggyengébb fizikai kölcsönhatás, hatalmas tömegű testek kellenek, hogy ez a változás detektálható legyen. A 2015-ös felfedezés során két, egymás körül keringő feketelyuk által keltett hullámokat sikerült észlelni.

A dolog igazi nehézsége a megfelelő érzékenységű detektor megépítése és az egyéb forrásokból keletkező érzékelések (az ún. zaj) kiszűrése. A LIGO-t (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – lézer interferométeres gravitációs hullám megfigyelő) kizárólag erre a célra fejlesztették ki. Két, egyenként 4 km-es karja kibocsájtott, tükröződött majd felfogott lézernyalábok segítségével detektálni tudják, ha a felfüggesztett tükröző felületek egymáshoz képest elmozdultak. Ebből pedig kiszűrve a zajokat láthatják, hogy a mozgást okozhatta-e egy áthaladó gravitációs hullám. Az eszköz pontosságát illetőleg a LIGO hivatalos honlapja így fogalmaz: „a LIGO képes egy proton átmérőjének egy tízezred részével egyenértékű távolságváltozást pontosan észlelni. Ez ugyanazt jelenti, mintha a legközelebbi csillag távolságát szószerint egy hajszál pontossággal adnánk meg.” Ehhez pedig még tegyük hozzá, hogyha egy atom körülbelül baseball labda nagyságú lenne, akkor az atommag mérete egy bolháéval lenne egyenértékű, a protonok pedig az atommagban helyezkednek el… A legközelebbi csillag, a Proxima Centauri pedig körülbelül 4,23 fényévre van a Földtől. Ezek után nem nehéz belátni, hogy milyen komoly és precíz tervezés, mérnöki munka áll a kísérletek mögött. Nem meglepő, hogy közel 30 éven keresztül zajlottak a nagy áttörés technológiai előkészületei.

 

A felfedezés jelentősége nem merül ki annyiban, hogy egy 100 éves elméletre találtak bizonyítékot. Dr. Raffai Péter, az ELTE Atomfizikai Tanszékének adjunktusa, a felfedezésről szóló publikáció egyik társszerzője, hangsúlyozza, hogy eddig a csillagászat leginkább a fény és egyéb elektromágneses hullámok által hordozott információkat tudta hasznosítani. A gravitációs hullámok, azonban ettől függetlenek, tehát amik a fény segítségével „láthatatlanok” voltak eddig (például a fekete lyukak), most láthatóvá válnak ezeken keresztül. Raffai ahhoz hasonlítja a felfedezést, mintha eddig csak süketen, a szemünkkel néztünk volna egy szimfonikus koncertet, most azonban hirtelen megjött a hallásunk és már nem csak látjuk a zenészeket, hanem halljuk is a zenét. Ezért is van meggyőződve róla, hogy a gravitációs hullámok felfedezése minden bizonnyal egy új ágat nyit a csillagászatban, aminek segítségével még több égi jelenség válik majd érthetőbbé.

 

A téridő
A tér és az idő szorosan összekapcsolódó fogalmak. Már kísérlettel is sikerült bizonyítani, hogy két azonos korú ember közül, ha egyikük gyorsan mozogni kezd (például egy űrhajóban kering a Föld körül), a másik pedig ehhez képest lassabb mozgást végez, akkor az utóbbi számára gyorsabban telik az idő, azaz gyorsabban is öregszik. Természetesen ez a változás kizárólag nagyon nagy (fénysebesség közeli) sebességeken válik jelentőssé. A gravitációs hullámok pedig nem mások, mint ennek a „téridőnek a fodrozódásai”.

 black_holes

A két egymás körül keringő fekete lyuk és az általuk keltett
gravitációs hullámok a NASA illusztrációján
forrás: nasa.gov.hu

A kiemelt kép forrása: amyxinternetofthings.com