Mennyit nyom a gravitáció?

Az általános relativitáselmélet és a kvantumelmélet nem szeretik egymást, hiszen bizonyos eredményeik ellentmondanak egymásnak. Ez azért is frusztráló, mert önmagában mindkét teória rendkívül sikeres a maga területén. Emellett, érvel Claudia de Rahm, az Imperial College London elméleti fizikusa, az általános relativitáselmélet által diktált gravitáció a gyorsulva táguló világegyetemre sem ad magyarázatot, hiszen a gravitációnak inkább összébb kéne vonzania a dolgokat egymáshoz,

Vagyis a gravitációról meglévő ismereteink, bár két bolygó egymásra hatását egész jól leírják (azt is meg tudjuk mondani, hogy a Föld egyenetlen tömegeloszlása hogyan fog hatni a Hold mozgására, akár milliméteres pontossággal), de amikor az univerzum egészének viselkedését kéne magyarázni, elvéreznek. De Rahm és munkatársai szerint azonban sok probléma kiküszöbölhetővé válna, ha a gravitációs részecskéknek tömegük lenne.

Kalapács és toll a Holdon

A felvetés nem új, az elméleti fizikusok és kozmológusok már évtizedek óta vitatkoznak róla. Most azonban úgy gondolják, hogy ráleltek a bizonyítékra, és ez a teljes fizikai világképünket átrajzolhatja.

A gravitáció sok szempontból egyedülálló a világot mozgató nagy erő között. Legfőbb tulajdonsága, hogy univerzálisan hat minden tömeggel rendelkező tárgyra, de a hatás független a vonzott tárgy tömegétől. Galilei jól ismert kísérleteiben már a 16. század végén kimutatta a pisai ferde torony erkélyéről, hogy az azonos méretű és alakú tárgyak ugyanolyan gyorsan esnek le a földre, függetlenül tömegüktől. Vagyis a Föld egy adott pontján lévő testek pontosan ugyanolyan erősnek érzik a gravitációt.

A kísérletet azóta sokszor megismételték vákuumkamrákban (ahol nincs zavaró légellenállás), illetve az Apollo-15 űrhajósai a Holdra is felvittek egy kalapácsot és egy tollat csak azért, hogy megmutassák: ha nincs levegő, ugyanolyan gyorsan esnek le. Jó, lehet, hogy kalapács egyébként is lett volna náluk, de a tollat tényleg csak ezért vitték föl.

Galilei után egy évszázadot előreugorva az időben, elérkezünk Newtonhoz, aki a gravitáció általános érvényét használta fel arra, hogy megalkossa a tömegvonzás törvényét. Ha az ember belegondol abba, hogy a 17. században Newton képes volt egy olyan matematikai modellt alkotni, amely 10 centiméteres pontossággal meg tudja mondani, hogy hol fog a Hold tartózkodni egy megjelölt időpontban, az egyszerűen csodálatos. Einstein relativitáselmélete ezt a pontosságot több nagyságrenddel megnövelte.

A fénynél gyorsabb gravitáció? Na ne!

A newtoni törvények teljesen jól leírják a gravitációt a gyakorlatban, de azért vannak gyengeségeik. A legfontosabb probléma, hogy a tömegvonzást azonnali hatásúnak feltételezik, ami a valóságban bajosan elképzelhető. Ha például egyik pillanatról a másikra eltűnne a Nap a semmibe, Newton szerint azon nyomban megszűnne a Földet húzó gravitáció. Ez azonban sérti a relativitáselméletet, hiszen aszerint semmi sem képes gyorsabban haladni, mint a fény.

Márpedig tudjuk, hogy a Nap fénye 8 perc 20 másodperc alatt jut el a Földre. Vagyis az a világító Nap, amit éppen látunk, a csillag 8 perc 20 másodperccel ezelőtti állapotát mutatja. Ha azon nyomban megszűnne a gravitáció, ahogy eltűnik a Nap, akkor még 8 perc 20 másodpercig látnánk a fényét, miközben már nagyban repülne ki a Föld egyenesen a csillagközi térbe.

A problémát maga Einstein oldotta részlegesen fel, aki kimutatta, hogy a newtoni gravitációs törvények csak akkor működnek, ha a testek mozgása meg sem közelíti a fénysebességet. Az általános relativitáselmélet ehelyett az időt és a teret egységes valamiként értelmezte (ez a téridő), amely lepedő módjára nyúlik, behorpad, idomul a benne lévő testekhez. A testek mozgása ezután értelmezhető, mintha a hepehupás lepedőn guruló golyókról lenne szó. Vagyis bolygók mozgása mindig egyenes vonalat követ, csak a körülöttük lévő téridő egyenetlen, és a testek követik ezt az egyenetlenséget.

Ezzel a gravitáció problémája meg is lett oldva. Vagyis nem. Jött ugyanis a kvantumelmélet, és jól összezavart mindent. Míg az általános relativitáselmélet a teljes univerzum működését próbálta leírni, a kvantumelmélet épp ellenkezőleg, az anyag legkisebb alkotóelemeinek világát igyekezett megmagyarázni. A kvantumelmélet megmutatta nekünk, hogy az elemi részecskék világa még távolról sem hasonlít az általunk ismert makroszkopikus világra.

Bozon itt, bozon ott

Olyannyira egzotikus a szubatomi világ, hogy nincs is értelme arról beszélni, hogy az elemi részecskék milyen alakúak és hol vannak éppen. Az egész a valószínűségek nagyon bonyolult halmaza. Mindkét elmélet, a relativitás és a kvantumelmélet is sikerrel járt, külön-külön. Csak egymással nehéz közös nevezőre hozni őket, ami azt jelzi, hogy valahol a mélyben valami nagyon nincs rendben.

A kvantumelmélet értelmében bizonyos elemi részecskék egyszerre képesek részecskeszerűen és hullámszerűen is viselkedni. Igaz ez a fotonokra, vagy az elektromágneses kölcsönhatást hordozó bozonokra is. Az elmélet szerint mind a négy alapvető fizikai kölcsönhatásnak (a gravitációnak, az elektromágneses, a gyenge és az erős kölcsönhatásnak) van egy vagy több bozonja, és

A fotonnak (amely maga is egy fajta bozon) például nincs tömege, éppen ezért a fény hatótávolsága végtelen. A fény akármeddig eljut, ha nem áll az útjába valami. Az univerzum túlvégén lévő csillagokat is látjuk, pedig azok jó messze vannak. Ha a bozonnak van tömege, a kölcsönhatás hatótávolsága is véges lesz.

A gravitációt mindeddig nem sikerült tökéletesen beleilleszteni a kvantumelméletbe, de nagyon valószínű, hogy lenne neki ott hely valahol. A tömegvonzást hordozó - egyelőre csak elméletben létező - részecskét (vagy hullámot) el is nevezték gravitonnak. Szinte biztos, hogy a graviton létezik, erre utal a gravitációs hullámok immár bizonyított létezése is: kísérletekben igazolták, hogy a téridő az elektromágneses térhez hasonlóan képes hullámozni. Ez még nem tekinthető a gravitonok közvetlen bizonyítékának, de a legtöbb tudós nem tud más, reális magyarázatot elképzelni a jelenségre.

A szellemgraviton tombolása

Tehát nem tudjuk, hogy létezik-e, de ha igen, nagyjából meg tudjuk mondani, hogy milyennek kéne lennie a gravitonnak. Minthogy a gravitáció is a (nagyjából) végtelen messzeségben is érezteti az erejét, a kvantumelmélet alapján feltételezhetjük, hogy a graviton, a fotonhoz hasonlóan tömegmentes vagy nagyon kicsi a tömege. Ezzel azonban nem tudhatjuk le ezt a kérdést, hiszen alapvető jelentősége van, hogy melyik: egyáltalán nincs tömege vagy van neki, csak kicsi.

Ha a gravitonnak nincs tömege, akkor a fotonhoz hasonlóan fénysebességgel kéne közlekednie. Ha lenne tömege, akkor lassabbnak kéne lennie ennél. Vagyis ez döntené el azt, hogy a tömegvonzás pontosan milyen gyorsan fejti ki a hatását egy messze lévő tárgyra. Elég sokáig vitatkoztak a fizikusok azon, hogy melyik graviton a valószínűbb, de aztán a tömeggel rendelkező gravitonnak látszólag leáldozott. A számításokból ugyanis az jött ki, hogy ha a gravitonnak tömege van, akkor óhatatlanul különböző kvantumállapotokat fog felvenni. Ha pedig más és más tulajdonságú gravitonok is léteznek, akkor

Márpedig az nem lenne jó, ha léteznének negatív energiájú, úgynevezett szellemgravitonok, mert azok reagálva a többi elemi részecskével, pillanatok alatt lerombolnák az egész univerzumot. Ne aggódjanak, mivel az univerzum még áll, valószínűleg ezek nem léteznek. Viszont ez akkor azt is jelenti, hogy a gravitonoknak nincs tömegük. Kész, ügy lezárva.

Jó, nyilván nincs az ügy lezárva, hiszen megszületett ez a cikk is valaminek az apropóján. Történt ugyanis, hogy Claudia de Rahm és munkatársai éppen azt vizsgálták, hogy az univerzum tágulása miért nem pont úgy gyorsul (hanem sokkal lassabban), ahogy azt a kvantumtérelmélet és az általános relativitás megjósolná. Arra jöttek rá, hogy ezt az ellentmondást csak úgy lehet feloldani, ha

1. plusz dimenziókat vezetünk be a modellbe, vagy
2. mégis csak van tömege a gravitonnak.

A két lehetőség közül az extra dimenzió tűnt valószínűbbnek, viszont ahogy a többletdimenziókkal együtt szimulálták az általános relativitáselmélet működését, úgy találták, hogy ilyen körülmények között igenis lehetséges a tömeggel rendelkező gravitonok létezése, és még destruktív szellemrészecskék sem keletkeznek. Persze a szimuláció nem alkalmazható egy az egyben a való világra, de az látszott belőle, hogy

Ebből kiindulva, az ő érvelésük szerint, képesek voltak a négydimenziós, valós térre is olyan gravitációs elméletet alkotni, amely megengedi a tömeggel rendelkező gravitonok létezését. Ha bebizonyosodna, hogy igazuk van, az túlzás nélkül átalakítaná a világegyetemről alkotott elképzeléseinket, az univerzum születésétől kezdve a tömegvonzás működésén keresztül a világegyetem jövőbeli pusztulásáig. És még a Hold keringését is érintené (egy nanométerrel lökné arrébb havonta). Persze, csak akkor, ha mások nem találnak hibát az észjárásban.

Ha a gravitonoknak tényleg van tömegük, akkor a gravitációs hullámok nem fénysebességgel haladnak, sőt, az eltérő energiájú gravitonok akár szóródhatnak is, hasonlóan a vízcseppeken megtörő, különböző frekvenciájú fénysugarakhoz.

Eddig sajnos a LIGO konzorcium gravitációshullám-detektorai nem fedezték fel annak jeleit, hogy a hullámok szivárványok részét képeznék, de nem szabad feladni a reményt.