Albert Einstein 1915. december 2-án mutatta be általános relativitáselméletét, amellyel megváltoztatta világképünket, egyúttal beírta nevét a történelembe. A Time magazin őt választotta az előző évszázad emberévé, általánosan őt tekintik a valaha élt legnagyobb elmének. Az elmélet szépségére pedig azok is rácsodálkozhatnak, akik mindenféle matematikai egyenlettől ódzkodnak.

Engem azért ünnepelnek, mert mindent értenek, amit csinálok, önt pedig azért, mert egy kukkot sem értenek abból, amit mond – mondta egyszer Charlie Chaplin Albert Einsteinnek, és ebben volt valami. A relativitáselmélet szót mindenki ismeri, de hogy mit takar e kifejezés, az legtöbbször a „minden relatív” közhelyben fogalmazódik meg.
Az sem segít az egyszerű halandók nagy többségén, ha valaki az elmélet tényleges részleteit, matematikai formulákba öntött összefüggéseit igyekszik átadni nekik, hiszen hosszú évek alatt megszerezhető elméleti fizikai előképzettség nélkül ezek megértésére kevés az esély. Ugyanakkor a két véglet között létezik középút, amelyen végigmenve az érdeklődő laikusok is rácsodálkozhatnak arra az elméletre, amelyet Max Born Nobel-díjas fizikus így jellemzett: „az emberi elme legnagyszerűbb felfedezése, amely csodálatosan egyesíti magában a filozófiai mélységet, a fizikai intuíciót és a matematikai művészetet”.
Einstein az elmúlt száz évben a zseni szinonimájává, a megközelíthetetlen intellektusú tudós prototípusává vált. Ma szinte elképzelhetetlen módon elméleti előrejelzéseinek kísérletes igazolását címlapon, világszenzációként hozták a legnagyobb napilapok, Amerikába érkeztekor többezres tömeg üdvözölte a New York-i kikötőben a nácik által elüldözött fizikust. Einstein a világ máig leghíresebb tudósa, figurája a populáris kultúra legtávolabbi szegleteibe is befészkelte magát. Hosszú pályafutása során anekdoták ezrei születtek róla, szerepet játszott a Manhattan terv beindításában és így az atomkorszak megszületésében. Fényképeken megőrzött grimaszait, biciklis mutatványait, életének legapróbb pillanatait máig pólókra, lakásokba szánt falképekre nyomtatják. Einstein világsztár.
E hírnevét pedig pontosan száz évvel ezelőtt alapozta meg.
A gravitáció téregyenletei (Die Feldgleichungen der Gravitation) című cikk 1915. december 2-i megjelenése tudós körökön kívül – talán érthető módon – kevés figyelmet keltett. A Porosz Királyi Tudományos Akadémia Közleményei című szakfolyóiratnak vélhetően kevés elhivatott laikus olvasója volt, és a címadás sem sikerült igazán frappánsra. A valóság újrafelfedezése például pontosan ugyanolyan jogos cím lett volna.
A fizikusok ugyanakkor már pontosan tudták, hogy ki az az Einstein, és mindenre figyelni kell, amit leír.
Tíz év telt már el ekkor az „annus mirabilis”, vagyis a csodálatos év óta. 1905 júniusa és novembere között Einstein négy olyan tanulmányt közölt az Annalen der Physik szaklapban, amelyek egyenként is Nobel-díjat értek volna. Ezekben leírta a fotoelektromos jelenséget (tehát felfedezte a fotonokat), a Brown-mozgást (a folyadékok és gázok részecskéinek mozgását), kidolgozta a speciális relativitáselméletet, és megfogalmazta az energia-tömeg egyenlőséget (ez a híres E=mc2 egyenlet).
A speciális relativitásegyenletre érdemes röviden kitérni, mert a legtöbben valójában ezt értik relativitáselmélet alatt, és nem tudják, hogy igazából két elméletről van szó. A speciális relativitáselméletben Einstein a már Galilei és Newton óta ismert jelenséget vizsgálja: a mozgás sebessége függ a megfigyelő sebességétől (tehát ha a vonat ablakából nézünk ki, akkor a táj a mi szemszögünkből hátrafelé fog mozogni). Ez igaz a legtöbb mozgásra, ugyanakkor a fény sebességére nem, amely állandó, és független a viszonyítási rendszertől. A testek számára a fénysebesség elérhetetlen, ugyanakkor végletesen megközelíthető.
De itt nincs vége a köznapi ésszel nehezen felfogható furcsaságoknak. Einstein ugyanis azt is kimutatta, hogy az idő és a tér nem függetlenek egymástól, hanem az egyesített téridő különféle megnyilvánulásai. Minél gyorsabban mozgunk, számunkra az idő annál lassabban telik. Ha pedig (elméletben) fénysebességgel haladunk, akkor az idő a mi nézőpontunkból meg is áll.
– Az általános relativitáselmélet kevésbé szivárgott be a közgondolkodásba, mint Einstein tíz évvel korábban közölt speciális relativitáselmélete. Ebben olyan alapvetőnek gondolt fogalmakat értelmezett át, mint a tér és az idő, amelyekről minden hétköznapi ember azt gondolta, nincs már róluk semmi új megtudható. A fény- és elektromágnesség-tan jelenségei azonban rámutattak, hogy a hétköznapjaink „lassú” világának szabályai, beleértve az elképzelést az abszolút térről, az időről és a távolságokról, a nagy (a fénysebességet megközelítő) sebességek világában nem tarthatók – segít értelmezni Einstein tanait Raffai Péter asztrofizikus, az Eötvös Loránd Tudományegyetem atomfizikai tanszékének munkatársa. – Einstein forradalmi ötlete az volt, hogy rámutatott: a térbeli és időbeli mozgás egymástól nem független, a térbeli mozgásunk az időbeli haladásunkat is befolyásolja. A tér három dimenziója (a szélesség, hosszúság és magasság) tehát nem kezelhető az időtől függetlenül. Emiatt a térbeli mozgáshoz hasonlóan az időbeli haladásunknak is viszonylagosnak kell lennie, bár ebből mindaddig semmi sem tűnik fel nekünk, amíg a mozgásunk sebessége messze elmarad a fénysebességtől.
Dacára a csodálatos év cikkeinek, Einstein élete semmiben sem változott. Továbbra is a berni szabadalmi hivatal tisztviselője volt. Két évvel később azonban, munkahelyi íróasztalánál ülve, fejében megfogant egy ötlet, amelyet később „élete legboldogabb gondolatának” nevezett. Eszébe jutott, hogy a szabadon eső ember nem érezné saját súlyát. Később, formalizálva a gondolatkísérletet, ezt így írta le: ha az ember egy liftben tartózkodik, és nem érez tömegvonzást, akkor nincs az a kísérlet, amellyel el tudná dönteni, hogy szabadon zuhan, vagy a súlytalanságban lebeg.
Legtöbbünk számára ez az elképzelés talán érdekes lehet, de semmiképpen nem tartanánk érdemesnek arra, hogy a következő nyolc évünket a mögötte rejlő törvényszerűségek és összefüggések kutatására szánjuk. Einstein azonban 1907 és ’15 között fáradhatatlanul küzdött, hogy ötletét a fizikai egyenletek nyelvén is megfogalmazza, és az egész univerzum működésére vonatkozó következtetéseket vonjon le. A fenti gondolatkísérlet segítségével ugyanis rájött, hogy hogyan kell módosítani Newton gravitációelméletét úgy, hogy az megfeleljen az elektromágnesség leírásában oly sikeresnek bizonyult speciális relativitáselméletének.
Minden volt ez a nyolc év számára, csak nem diadalmenet. Nem kapta meg az őt megillető szakmai elismertséget sem otthon, sem külföldön, magánélete pedig teljesen tönkrement. Einstein – az interneten szabadon hozzáférhető – levelezéséből kiderül, hogy az 1905-ben rendezett családi körülmények között élő, házas, kétgyermekes berni szabadalmi hivatalnokból 1915-re magányosan vegetáló berlini egyetemi professzor lett. Legalább anynyit vesződött a volt feleségének fizetendő tartásdíjjal és fiai láthatásával, mint világmegváltó elméleteivel, olvasható a Scientific Americanben. Csak a hegedülés jelentett számára némi vigaszt. Eközben pedig a porosz tudományos akadémia köreiben is egyre inkább elszigetelődött a mindig is létezett, de a századelőn soha nem látott ütemben erősödő antiszemitizmus miatt.
Még 1915-ben, az általános relativitáselméletet leíró cikk megjelenése előtt pár hónappal is válófélben lévő, pénzéhes feleségével hadakozott. „Arra irányuló ismételt próbálkozásaidat, hogy rátedd a kezed az összes tulajdonomra, szörnyen megalázónak találom. Követeléseidről tárgyalni sem vagyok hajlandó” – írta volt feleségének, Mileva Maricnak, és azzal vádolta, hogy nem adja át fiainak a nekik írott leveleit. Eközben már három éve szerelmi viszonyt folytatott unokatestvérével, Elsa Löwenthallal, aki később második felesége lesz.
E körülmények dacára végre sikerült megoldania a relativitáselmélet legtöbb addigi problémáját. Viszont amikor már úgy érezte, hogy hamarosan célba ér, kétségbeesve értesült arról, hogy David Hilbert, a kor egyik legzseniálisabb matematikusa ugyancsak a gravitáció problémáján dolgozik. És ő is közel áll a megoldáshoz. A száz évvel ezelőtti tudományos kommunikáció szinte naivitással határos őszinteségére jellemző, hogy Einstein ahelyett, hogy mindenki elől elrejtette volna forradalmi elképzeléseit a hivatalos publikálás pillanatáig, mindent megtett, hogy a legteljesebb mértékben megértesse azokat kollégáival. Így tett Hilberttel is, aki viszonzásképpen ugyancsak elküldte neki némileg hasonló számításait.
Einstein ezeket olvasva még inkább belevetette magát a munkába, és 1915 ősze afféle versenyfutássá lényegült át számára. Szinte napról napra kellett átverekednie magát olyan problémákon, amelyek a korábbi évszázadokban fel sem merülhettek. Végül győzedelmeskedett, de ahhoz, hogy a világ őt ismerje el az általános relativitáselmélet atyjának, Hilbert lelkiismerete is kellett, aki, noha lett volna rá lehetősége, meg sem próbálta ellopni ötleteit.
Az általános relativitáselméletről szóló cikk meglehetős felzúdulást keltett a fizikusok között. Érezték, hogy Einstein elméleti számításai új irányt szabhatnak a fizikának, és megváltoztathatják a tudományos világképet. Ha bizonyítást nyer helyességük. Csakhogy a bizonyítás egy olyan elméletnél, amely a téridő görbületéről, hatalmas gravitációs mezők hatására elhajló fénysugarakról és hasonlókról szól, nem egyszerű dolog. Különösen nem az, ha éppen soha nem látott kiterjedésű háború szakítja ketté a világot – és a tudományos közösséget.
Az első világháború kitörése után az angolszász tudósok többsége afféle hazafias kötelességének tekintette, hogy megszakítson minden kapcsolatot német kollégáival, elméleteikről, felfedezéseikről pedig tudomást se vegyen. Ez különösen a fizika területén okozott nehezen helyrehozható károkat, hiszen a német fizikaiskola a századelőn dominált a világban. Hogy az általános relativitáselmélet híre mégis átjutott a frontvonalakon, és hogy a belátható időn belüli egyetlen bizonyítási alkalmat nem mulasztotta el az egymást gyilkoló emberiség, az jórészt egy embernek, Sir Arthur Eddingtonnak, az Angol Királyi Csillagászati Társaság elnökének köszönhető.
Ő nemcsak egyike volt azon kevés csillagásznak, aki akkoriban rendelkezett azokkal a matematikai képességekkel, amelyek szükségesek voltak az elmélet felfogásához, de kvéker neveltetéséből fakadó internacionalizmusa és pacifizmusa sem engedte számára, hogy az „ellenséges” fizikusokkal megszakítsa a kapcsolatot. Csakhamar ő lett az általános relativitáselmélet legfőbb hirdetője nyugaton. A hivatalos királyi csillagásszal, Frank Watson Dysonnal együtt azonnal felismerték az 1919. május 29-én Brazíliában és Közép-Afrikában észlelhető napfogyatkozás jelentőségét, és expedíciókat kezdtek tervezni a megfigyelésére.
Miért volt fontos a napfogyatkozás? Einstein szerint a nagy égitestek gravitációs mezeje még az egyébként egyenes vonalban terjedő fénysugarakat is elhajlítja. Kevéssé ismert, hogy Newton sem mondott mást, a fénysugarak elhajlása az ő elméletéből is következik. Csakhogy Newtonéból feleakkora elhajlási szög adódna, mint amekkorának ezt a szöget Einstein jósolta. Vagyis a megfigyelés lényege az volt, hogy kiderítsék, az elhajlás szöge mekkora: akkora, amekkorának Einstein vagy amekkorának a newtoni elmélet alapján mindenki más gondolta?
Környezetünkben a legerősebb tömegvonzású égitest a Nap, az elmélet alapján tehát a látszólagosan a Nap mellett lévő csillagok fénye is elhajlik, amint elhalad központi csillagunk mellett. Csakhogy a Nap mellett általában lehetetlen megfigyelni a csillagokat, hiszen a fénye minden mást elhomályosít. Kivéve napfogyatkozás idején.
Az elmélet egyenletei alapján tehát ki lehetett számolni, hogy a nap mennyivel hajlítja el a csillagok fényét. Már csak „oda kellett menni”, és ellenőrizni a predikciók igazságát a valóságban is. Az elkövetkező években azonban Eddington expedíciójának terve többször is veszélybe került, ugyanis a csillagászt háromszor is el akarták vinni katonának. Magas rangú barátainak azonban sikerült megmenteniük a lövészárok-háború poklától tudományos munkájára, nem kis részben pedig a tervezett expedícióra hivatkozva. Végül a napfogyatkozás idejére befejeződött a háború. Eddington le tudta fényképezni a Nap melletti csillagokat az Afrika melletti kis szigeten, Príncipén. A csillagok látszólag nem ott voltak, ahol a klasszikus fizikai törvények szerint lenniük kellett volna. Einsteinnek igaza volt, a világ újságai címlapon ünnepelték a felfedezést és a tudóst. Elkezdődött az elmélet máig tartó diadalútja.
De miért is voltak olyan forradalmiak Einstein felismerései? Amikor fia, Eduard évekkel később megkérdezte apját, hogy mitől lett olyan világhíres, Einstein így válaszolt:
„Amikor egy vak bogár végigmászik egy görbe ágon, nem fogja felismerni, hogy az ág valójában nem volt egyenes. Nekem szerencsém volt észrevenni, amit a bogár nem vesz észre.”
– Az általános relativitáselméletben Einstein a gravitációt illesztette abba a leírásba, amely az elektromágnességnél már bevált. Ez, jóllehet a fizikában nem kisebb horderejű szemléletváltást hozott, mint a speciális relativitáselmélet, mivel a gravitáció nem áll annyira a hétköznapi érdeklődés középpontjában, mint a tér és az idő, a fizikán kívül nem okozott felbolydulást – mondja Raffai Péter. – Pedig az általános relativitáselmélet nem kevesebbre mutatott rá, mint hogy a gravitációs mező megváltozása két test között úgy képes megváltoztatni azok térbeli távolságát, hogy ők maguk a helyükről nem mozdulnak el.
A gravitáció ugyanis nem erő (ahogy Newton képzelte el), hanem a téridő olyan tulajdonsága, amelyet a testek maguk alakítanak. A leegyszerűsített, háromdimenziós ábrázolásokban a nagy égitestek közelében fellépő gravitációt az afféle takaróként megjelenő téridő behorpadásaként szokás érzékeltetni. Minél nagyobb a gravitációt okozó test, annál nagyobb völgyet mélyeszt a téridőbe. Amikor egy mozgó test (vagy akár a fény) elér a völgy szélére, a téridő „domborzatát” követve elfordul. A gravitáció nagyságától, illetve a mozgás irányától, sebességétől függően a test vagy továbbhalad az elhajlott pályán, vagy – akár az örvénybe került fürdőjátékok a kád lefolyójában – körkörös pályán közelít a gravitáció forrásához.
Az általános relativitáselmélet jósolta meg a sci-fik világából mára a bizonyított létezésű természeti jelenségek közé előlépett fekete lyukak lehetőségét is. Ezek a téridőnek olyan részei, amelyek belsejében végtelen naggyá nő a gravitáció. Ez pedig azt okozza, hogy minden (testek és hullámok, így akár a fény is), ami átlépi a fekete lyuk eseményhorizontnak nevezett peremét, az benn is marad örök időkre, onnan soha ki nem szabadul. De az is elképzelhető, hogy olyan tölcsérszerű mélyedések is léteznek a téridőben, amelyek nem vakon végződnek, hanem alagútként „rövidebb” összeköttetést teremtenek a tér és az idő két pontja között. Ezek (legalábbis elméletben) akár térugrásra vagy időutazásra is használhatók lehetnek – a távoli jövőben.
– Az általános relativitáselmélet nélkül ma már elképzelhetetlen lenne leírni világegyetemünk keletkezését. Tudjuk ugyanis, hogy a galaxisok közötti távolságot nemcsak térbeli mozgásuk, de a közöttük lévő tér megnyúlása is változtatja. Ezért is beszélünk táguló világegyetemről és nem csupán távolodó galaxisokról – érvel az asztrofizikus. – Újabb nagy forradalmat hozhat hamarosan a gravitációs hullámok észlelése. Einstein elméletéből ugyanis következik, hogy a mozgó tömegek változó gravitációs mezeje is hullámszerűen terjed tova. Ezt pedig itt, a földön akár észlelhetjük is. E hullámokat rendkívül nehéz detektálni, viszont az ehhez szükséges technika épp napjainkra vált valósággá.
Az Egyesült Államokban működik két grandiózus, gravitációs hullámokat megfigyelő lézerinterferométer-obszervatórium (LIGO). Ezek egyike a Washington állambéli Hanfordban, a másik a louisianai Livingstonban üzemel, egymástól 3002 kilométer távolságra. Ebben a pillanatban is együttesen kémlelik az eget, távoli fekete lyukak és neutroncsillagok összeolvadását vagy tejútbeli szupernóvák és pulzárok jelét várva. Raffai Péter és munkatársai is a LIGO-t használó nemzetközi tudóskonzorcium részesei.
– Amikor a gravitációs hullámok észlelése megtörténik (és úgy hisszük, bármelyik nap megtörténhet), a csillagászat történetében új fejezet nyílik. Történelmi pillanat lesz – vall Raffai. – Mindent, amit ma a Naprendszeren kívüli világról tudunk, mozgó töltések fényéből tudjuk. Ha a gravitációs hullámok léte éppúgy igaz, ahogyan Einstein elméletének eddig minden más következtetése helyesnek bizonyult, az nemcsak sokadik bizonyítéka lesz az igazának, de a világegyetem megfigyelésére is új eszközt ad.

2015. november 28.

Reklámok

Vélemény, hozzászólás?

Adatok megadása vagy bejelentkezés valamelyik ikonnal:

WordPress.com Logo

Hozzászólhat a WordPress.com felhasználói fiók használatával. Kilépés / Módosítás )

Twitter kép

Hozzászólhat a Twitter felhasználói fiók használatával. Kilépés / Módosítás )

Facebook kép

Hozzászólhat a Facebook felhasználói fiók használatával. Kilépés / Módosítás )

Google+ kép

Hozzászólhat a Google+ felhasználói fiók használatával. Kilépés / Módosítás )

Kapcsolódás: %s