120 éve történt, hogy Albert Einstein publikálta relativitáselméletét. A relativitáselmélet két fő részből áll: a speciális és az általános relativitáselméletből. A speciális relativitáselmélet a tér és az idő kapcsolatát vizsgálja az inerciarendszerekben, míg az általános relativitáselmélet kiterjeszti ezt a gravitációra is, bemutatva a téridő görbületét a tömeg és az energia hatására.
Nemrég jelent meg ez a poszt a Facebookon, kapcsolódik a témánkhoz:
Koncz Attila – UniverZoom Projekt
A fény és a téridő titokzatos tánca – Kérdés tőletek: hogyan képes a gravitáció hatni egy olyan dologra, aminek nincs tömege?
A Világmindenség gyakran szolgál olyan talányokkal, amik első hallásra ellentmondanak a józan észnek. Az egyik legizgalmasabb ilyen paradoxon éppen egy olyan kérdés köré épül, amit egy kedves olvasóm fogalmazott meg néhány napja:
„Ha a fotonoknak nincs tömegük, hogyan hathat rájuk a gravitáció? Hogyan lehetséges az, hogy a fekete lyukak még a fényt is képesek csapdába ejteni, ha az elvileg nem is tartozik a gravitációs erőtér célcsoportjába?”
Ez a kérdés nemcsak látszólagosan logikus, ám valójában egyike a modern fizika legfontosabb fordulópontjait érintő problémáknak. Tökéletesen rávilágít arra a pontra, ahol a klasszikus, newtoni világszemlélet összeütközésbe kerül Einstein relativitáselméletével, és ahol a téridő valódi természete elkezd igazán kibontakozni.
A hétköznapi gondolkodásunkban a gravitációt hajlamosak vagyunk úgy elképzelni, mint valami láthatatlan kötelet, ami a nehéz dolgokat lefelé rántja, a Föld felé, a Napba, vagy egy fekete lyukakba. Ez az a klasszikus fizika, melyet Isaac Newton nyomán hosszú generációkon át tanítottak, a gravitációt két tömeg közötti vonzóerőként értelmezi. Ebben az értelmezési keretben valóban értelmetlennek tűnik az az elképzelés, hogy egy tömeg nélküli részecskére – például a fotonra – hatással lehet a gravitáció. A newtoni perspektívában vizsgálódva a foton láthatatlan és közömbös marad a gravitáció számára, hiszen semmi sincs benne, ami részt venne ebben az erőkölcsönhatásban.
Ám az Univerzum szerencsére nem ilyen banálisan egyszerű. Albert Einstein 1915-16 között gyökeresen újragondolta a gravitáció természetét. Az általa kidolgozott általános relativitáselméletben a gravitáció már nem klasszikus értelemben vett erő vagy erőhatás hanem a 4D-s téridő geometriájának torzulása / görbülése, amit a tömeg, az energia és az impulzus idéz elő. Az anyag és az energia nem húzza meg vagy ragadja meg a környezetét (ez pusztán a felszínen lebegő illúzió, a jéghegy csúcsa), hanem meggörbíti magát a téridőt, azt a négydimenziós egyetemes színpadot, amin keresztül az egész fizikai valóság játszódik. Más szóval a tömeggel (és az energiával, ne feledjük: e=mc^2!) rendelkező objektumok meghajlítják a körülöttük lévő téridőt, és ebben a görbült téridőben mozognak az objektumok, legyenek akár tömeggel rendelkezők, akár tömeg nélküliek.
Ebben az új, forradalmian geometrizált szemléletben a foton – bár nincs nyugalmi tömege – mégis rendelkezik energiával és impulzussal. Ez pedig azt jelenti, hogy az őt körülvevő téridő görbületét kénytelen követni. A fizika nyelvén tehát azt mondjuk: a foton geodetikus pályán mozog, azaz mindig az adott téridő geometriájának a legtermészetesebb / legrövidebb egyenese mentén halad (matematikailag a geodetikus pályaegyenletek írják le ezeket a mozgásokat). Csakhogy ezek a egyenesek egy görbült téridőben valójában hajlott, gyakran kanyargós útvonalak, amik egy-egy extrém tömegsűrűség – például egy fekete lyuk – közelében akár spirálszerűen is befelé vezethetnek.
Az egészet a legkönnyebben és a legszemléletesebben úgy szokták megmagyarázni, mint egy üveggolyót egy kifeszített gumilepedőn, melynek a közepére egy nehéz tekegolyót helyeztek. Az mindegy igazából, hogy az üveggolyónak van-e saját tömege, ha az egyszer elindul, a gumilepedő görbülete befelé fogja terelni. A különbség annyi, hogy itt a kétdimenziós gumilepedő a 4D-s téridőt jelenléti az analógiában, és az üveggolyó itt nem más, mint a fény. Így válik érthetővé az is, miért térül el a csillagfény a Nap közelében, amit először Arthur Eddington igazolt a teljes napfogyatkozásbeli megfigyeléssel 1919. május 29-én, ezzel bizonyítva az általános relativitáselmélet hitelességét.
(Azonban azt rögtön szögezzük le, hogy a gumilepedős-golyós példa nem több, mint egy pusztán szemléletes analógia, a valóságban sokkal bonyolultabb és szövevényesebb az egész – pláne a matematikai leírásokban –, szóval véletlenül se legyen félreértés és túlredukálás egy egyszerűsített példa miatt!)
A fekete lyukak körül a téridő annyira erősen eltorzul, hogy az eseményhorizontnál már a szökési sebesség is meghaladja a fénysebességet. Ez azonban nem azt jelenti, hogy egy láthatatlan kéz visszarántja a fotont, mint egy ejtőernyős zsinórja, hanem hogy a téridő szerkezete ott már úgy görbül, hogy minden lehetséges jövőbeli irány – beleértve a fény útját is – a szingularitás középpontja felé mutat. A foton ugyan továbbra is fénysebességgel halad, csak éppen egy olyan téridőben, amiből már nincsen kifelé vezető út.
Ez a megközelítés válaszolja meg végül a kedves olvadóm kérdését is: a gravitáció nem közvetlenül a foton tömegére hat (hiszen az valóban nulla), hanem a körülötte lévő téridő geometriáját módosítja úgy, hogy a foton mozgása ennek megfelelően hajlik el. A fekete lyuk tehát ténylegesen nem húzza be a fényt, hanem a téridő olyan extrém formát ölt körülötte, melyben a fény pályája már elkerülhetetlenül befelé kanyarodik, végül pedig a szingularitásba torkollik. A foton ilyenkor nem sérti meg a fizika törvényeit, épp ellenkezőleg, a relativitáselmélet tűpontos előrejelzését követi.
Szóval akit mélyebben is érdekel ez a téma, ne feledje el azt a tényt, hogy az Einstein értelmezése szerinti gravitáció nem egy erő, hanem a téridő görbülete, amit minden energia- és impulzustartalmú dolog (e=mc², vagyis nem csak a tömeg!) kénytelen követni. A foton ugyan nem rendelkezik nyugalmi tömeggel, ám az energiája és impulzusa révén érzékeli és követi a téridő geodetikusait. Így fordulhat elő, hogy a fekete lyuk még a fényt is elnyeli, és nem azért teszi ezt, mert a gravitáció megragadja a fotont, hanem mert a téridő olyanra görbül meg körülötte, hogy a konstans sebességgel haladó foton útja onnantól már csak egy irányba vezethet, mégpedig befelé.
És végül is ez a finom, mégis drámai különbség az, ami megkülönbözteti az einsteini általános relativitáselméletet a newtoni klasszikus fizikától!
Discover more from Magyar Iskola
Subscribe to get the latest posts sent to your email.
