7. fejezet: Az általános relativitás kísérleti tesztek

A korábbi fejezetekben láttuk, hogy Einstein általános relativitáselmélete radikálisan megváltoztatta a gravitáció, a tér és az idő megértését. A elmélet számos meglepő jóslattal rendelkezik, amelyek eltérnek a newtoni gravitációtól, például a fényhajlás, a Merkúr pályaprecessziója és a gravitációs vöröseltolódás. Ebben a fejezetben részletesen megvizsgáljuk ezeket a jóslatokat és tanulmányozzuk az elmúlt évszázadban felhalmozódott megfigyelési adatokat az általános relativitás tesztelésére. Kezdjük az "osztályikus tesztekkel", amelyeket maga Einstein javasolt, majd továbblépünk a gravitációs lencsézés, a gravitációs hullámok és a fekete lyukakhoz kapcsolódó modernabb tesztekhez. Ahogy látni fogjuk, az általános relativitás minden teszten sikeresen átment, megerősítve annak pozícióját minden idők legjobb gravitációs elméletének.

Az "Osztályikus Tesztek"

Einstein az 1915-ben publikált általános relativitáselmélete után rögtön három megfigyelési tesztet javasolt, amelyek potenciálisan alátámaszthatták vagy megcáfolták az elméletet. Ezeket a "osztályikus teszteknek" nevezték, és a következők voltak:

1. A Merkúr pályaprecessziója
2. A nap által hajlított csillagfény
3. A gravitációs vöröseltolódás

Nézzük meg mindhárom tesztet sorban.

A Merkúr pályaprecessziója

A Merkúr bolygó nagyon elliptikus pályával kering a Nap körül, közelítése (perihélium) minden keringés során kis mértékben precessál. Az útoni gravitáció szerint ezt a precessziót teljes egészében a többi bolygó gravitációs vonzása okozza. Azonban a XIX. század végén végzett pontos megfigyelések egy kis eltérést mutattak: a Merkúr perihéliuma évente körülbelül 43 másodpercet előrehaladt annál, mint amit Newton elmélete megjósolt.

Ez az anomália évtizedek óta zavarta az asztrofizikusokat, és néhányan azt sugallták, hogy az Nap közelében létezik egy láthatatlan bolygó ("Vulcan") annak magyarázatára. De 1915-ben Einstein megmutatta, hogy az általános relativitáselmélete teljesen magyarázza a Merkúr többlet precesszióját. Az ARG szerint a tér-idő görbülete a Nap körül a Merkúr pályáját megprecesszálja évente 43 másodpercet, a megfigyelésekkel teljes egyezéssel.

Ez az Einstein elméletének egy nagy siker volt. Megmagyarázott egy régóta fennálló rejtélyt és meggyőző bizonyítékokat szolgáltatott a tér-idő görbületének létezésére. Ma a Merkúr pályaprecessziója az általános relativitás egyik legfontosabb megfigyelési alapja.

A Nap által hajlított csillagfény

Az általános relativitás egy másik jóslata az, hogy a gravitációs mezők elhajlítják a fényt. Az elmélet szerint a Nap közelében haladó csillagfény egy kis szögben elhajol, a hajlítás kétszer akkor lesz nagyobb, mint a newtoni gravitáció jósolná.

Einstein rájött, hogy ezt az effektust tesztelni lehet a teljes napfogyatkozások alatt, amikor a Nap közelében található csillagok láthatóvá válnak a besötétedett nappali égbolton. Az asztrofizikusok meghasonlíthatják a csillagok látszólagos helyzetét a napfogyatkozás alatt és az éjszakai normál helyzetükkel, így mérve a korrekciót és ellenőrizve az ARG jóslatát.

Az első kísérlet ennek a hatásnak a mérésére 1919-ben történt, Arthur Eddington brit asztrofizikus vezetésével két expedíció részvételével. Egyik csapat Principe szigetére ment Afrika partjaitól távol, míg a másik Brazíliában, Sobralban. A csapatok sikeresen lefényképezték a napfogyatkozást és megmérték a csillagok helyzetét.

Az eredmények elemzése hátrahívták, hogy a fény valóban elhajlik a Nap által, az eredmények közel megegyeztek Einstein jóslatával. A hír világszerte címlapokra került és Einstein nemzetközi hírnévre tett szert. A csillagfény hajlása a Nap által drámai megerősítése volt az általános relativitás és a görbült tér-idő létezésének.

Azóta a fény hajlításának tesztjét sokszor ismételték, egyre nagyobb pontossággal, rádióteleszkópokkal és optikai műszerekkel egyaránt. A mai legpontosabb mérések, amelyeket nagyon hosszú alapvonalú interferometriával (VLBI) végeztek, az általános relativitást 0,02% pontossággal igazolják.

A fény gravitációs vöröseltolódása

Az általános relativitás harmadik osztályikus tesztje a fény gravitációs vöröseltolódásával kapcsolatos. Az ARG szerint a gravitációs tér által kibocsátott fény vöröseltolódik (azaz hullámhossza nő) ahogy kiemelkedik a potenciál kútból. Minél erősebb a gravitációs tér, annál nagyobb a vöröseltolódás.

Einstein azt javasolta, hogy ezt az effektust a Nap spektrális vonalainak segítségével lehet mérni. A Nap atmoszférájának atomjai által kiemelt fény enyhén vöröseltoltanak kellene lennie a laboratóriumban ugyanazon vonalakkal képzett fényhez képest, a Nap erős gravitációs térétől függően.

A gravitációs vöröseltolódás mérése meglehetősen kihívást jelentett a rendkívül precíz spektroszkópia és más olyan hatások jelenléte miatt, amelyek eltolhatják a spektrális vonalakat (például a Doppler-effektus a Nap forgásából). Az első sikeres mérési kísérletet 1925-ben Walter Adams végezte a 100 hüvelykes távcső spektrográfjával a Mount Wilson Obszervatóriumban. Adams a gravitációs vöröseltolódást találta, ami megegyezett Einstein jóslatával, bár elég nagy bizonytalansággal.

Azóta precízebb méréseket végeztek a gravitációs vöröseltolódásra, többek között a Mössbauer-effektus és az atomi órák segítségével. Az 1960-as években Robert Pound és Glen Rebka mérték a gamma sugarak vöröseltolódását a Harvard Egyetem 22 méteres tornyán, GR-t megerősítve 1% pontossággal. Későbbi kísérletek, amelyek rakétahordozott hidrogénmaser órákat használtak, a vöröseltolódást 10^-5 részpontra igazolják. A gravitációs köralakítás nem csak az általános relativitáselmélet kulcsfontosságú próbája, hanem gyakorlati gondot is jelent a GPS műholdak számára, amelyek jelentős köralakítást tapasztalnak a Föld gravitációja miatt. Ennek az hatásnak a kijavítása nélkül a GPS navigáció néhány kilométeres eltéréssel járna naponta.

Az általános relativitáselmélet modern próbái

Bár a három klasszikus próba az első erős bizonyítékot szolgáltatta az általános relativitáselméletre, azóta számos további kísérletet találtak és végeztek el az elmúlt évszázadban, mióta Einstein elmélete megjelent. Ezek a modern kísérletek az általános relativitáselméletet új és extrém tartományokban vizsgálják, valamint kihasználják az előre nem látható fejlett technológiákat.

A gravitációs lencsézés

Az egyik legfeltűnőbb megfigyelés az általános relativitáselméletnek a gravitációs lencsézés jelensége. Ahogyan egy üveglencse meghajlítja a rajta áthaladó fény sugarait, egy tömeges objektum (mint például egy galaxis vagy galaxishalmaz) meghajlíthatja a háttérfény útját, mint egy "gravitációs lencse".

Három fő gravitációs lencserezsim van:

1. Erős lencsézés: Ez akkor fordul elő, amikor a lencse elég tömeges és jól kialakított ahhoz, hogy több képet, ívet vagy gyűrűt hozzon létre a háttérfényből. Az első erős lencsét 1979-ben fedezték fel, ikrek vegyültek formájában, amelyek valójában két kép voltak ugyanannak a kvazárnak, amelyet egy előtérelőtti galaxis lencsézett. Száznál több erős lencse ismert, és lehetőséget nyújtanak a sötét anyag eloszlásának felkutatására és az általános relativitáselmélet kipróbálására kiloparsec távolságokon.

2. Gyenge lencsézés: Ez egy lágyabb hatás, amikor a lencséző tömeg nem elég erős ahhoz, hogy több képet hozzon létre, de még mindig eltorzítja a háttérgalaxisok alakjait. A csillagászok ezeket az alaktorzításokat statisztikailag elemzik a nap égen lévő nagy területein, és lehetővé teszik az univerzum nagyléptékű szerkezetének felkutatását és az általános relativitáselmélet kipróbálását. Az utóbbi években a gyenge lencsézés a kozmológia fontos eszközévé vált, jelentős felmérések, mint a Sötét Energia Felmérése és a Kilo-Fok Felmérése, egyre pontosabb méréseket biztosítva.

3. Mikrolencsézés: Ez akkor fordul elő, amikor egy kompakt objektum (például egy csillag vagy bolygó) a háttérben lévő csillag elé kerül, ideiglenes felvilágosítást okozva annak hatására. A mikrolencsézést használták exobolygók felfedezésére és a fekete lyukak és más sötét objektumok népességének feltárására a Mi Galaxisunkban. Egyben egy csillagos lencsézést biztosít az általános relativitáselmélet megvizsgálásához.

A gravitációs lencsézés eddig a leglátványosabb megerősítést adta az általános relativitáselméletnek. A megfigyelt lencserendszerek száma, eloszlása és tulajdonságai kiváló egyetértésben vannak az általános relativitáselmélet előrejelzéseivel, és szigorú korlátokat támasztanak a gravitáció alternatív elméleteire.

Gravitációs hullámok

Talán a legizgalmasabb fejlemény az elmúlt években az általános relativitáselmélet vizsgálatában a gravitációs hullámok közvetlen detektálása volt. Ezek a pályájukban hallódó tömegek gyorsulásával keltettek hullámok az idő-tér szövetében, és a fény sebességével terjedtek tovább. Einstein 1916-ban jósolta meg a gravitációs hullámok létezését, de kételkedett abban, hogy valaha is kimutathatók lennének azok rendkívül kis amplitúdójuk miatt.

Az elmúlt száz évben a LIGO (Lézer Interferométeres Gravitációs Hullám Megfigyelő) sikerült kimérni a gravitációs hullámok által okozott minimális idő-tér torzításait. Az első detektálás 2015 szeptemberében történt, ahol két fekete lyuk beolvadása volt az esemény a mintegy 1,3 milliárd fényévre elhelyezkedő objektumok között. A megfigyelt hullámforma az általános relativitáselmélet előrejelzéseivel néhány százalékos pontossággal egyezett meg, lenyűgöző megerősítést nyújtva a teória számára a szilárd testű, nagy sebessedésű tartományban.

Azóta a LIGO és az Európai Virgo nevű társa több tucat gravitációs hullám eseményt észlelt. Ide tartoznak a két fekete lyuk összefonódása, a két neutroncsillag összeolvadása és akár a neutroncsillag-feketelyuk összemaradása is. Minden esemény új kísérletet jelent az általános relativitáselmélet szélsőséges körülmények között végzett kipróbálására, és eddig a teória kiváló eredménnyel állt helyt.

A gravitációs hullám-asztronómia új ablakot nyitott az univerzumra, lehetővé teszi a mérhetetlen elektromágneses sugárzás által láthatatlan területek és események kutatását. Emellett eddig a legszigorúbb teszteket biztosította az általános relativitáselmélet számára, megerősítve a fekete lyukak létezését, a gravitációs hullámok fénysebességű terjedését és a "nőtlen" tételt (mely szerint a fekete lyukak teljesen jellemezhetőek a tömegük, a töltésük és a pillanatnyi impulzusmomentumaik alapján).

Megfigyelési bizonyítékok a fekete lyukak létezésére

A fekete lyukak talán az általános relativitáselmélet legextrémebb és legrejtélyesebb előrejelzései. Ezek olyan tér-idő területek, ahol a görbület olyan erős lesz, hogy semmi, még a fény sem tud kijutni az eseményhorizontból. A fekete lyukak közvetlen következményei Einstein egyenleteinek, de sokáig matematikai kíváncsiságként, inkább matematikai kíváncsiságként, semmint fizikai valóságként tekintettek rájuk.

Azonban ma már túlnyomó megfigyelési bizonyíték van a fekete lyukak létezésére. Ez a bizonyíték több különböző vizsgálati eredményből származik:

1. Röntgencsillagok: Ezek olyan rendszerek, ahol egy fekete lyuk vagy egy neutroncsillag anyagot vonz egy társasztóbból. Amint az anyag spirálszerűen közeledik és felmelegszik, röntgensugarakat bocsát ki, amelyek észlelhetők távcsövek segítségével. Ezeknek a röntgensugárzásoknak a tulajdonságai, különösen a gyors változékonyság és a magas energiák, erős bizonyítékot szolgáltatnak egy olyan kompakt objektum jelenlétére, mint például egy fekete lyuk.

2. Szupernehéz fekete lyukak: A galaxisok túlnyomó többségének központjában, beleértve saját Tejútrendszerünket is, olyan kompakt objektumok találhatók, amelyek tömegük milliószor vagy milliárdszor nagyobbak, mint a Napé. Ezek az objektumok túl nagyméretűek és terjedelműek ahhoz, hogy csillaghalmazokkal vagy más ismert objektumokkal magyarázhatóak lennének, és tulajdonságaik megegyeznek a szupernehéz fekete lyukakra vonatkozó várakozással. A legjobb bizonyítékot a Galaxis központjában keringő csillagok megfigyelése adja, amelyek lehetővé tették a központi objektum tömegének és méretének nagy pontossággal való meghatározását.

3. Gravitációs hullámok: Ahogyan korábban említettük, a LIGO és a Virgo által észlelt gravitációs hullámjelek megegyeznek a feketelyuk-fúzióra vonatkozó előrejelzésekkel. Ezeknek a jeleknek a tömege, forgási impulzusa és más tulajdonságai a feketelyukakra jellemzők, és összeegyeztethetetlenek más sűrűségi objektumokkal, mint a neutroncsillagok.

4. Eseményhorizont teleszkóp: 2019-ben az Eseményhorizont Teleszkóp együttműködés közzétette a fekete lyuk első közvetlen képét. A világ körül elhelyezkedő rádióteleszkópok összekapcsolásával földgömb nagyságú virtuális teleszkópot hoztak létre, amellyel sikerült felbontani a M87 galaxis központjában található, túlhatalmas fekete lyuk eseményhorizontját. A megfigyelt fekete lyuk árnyékának mérete és alakja megegyezett a relativitáselmélet előrejelzéseivel, lenyűgöző vizuális megerősítést nyújtva a teória számára.

A fekete lyukak megfigyelési bizonyítékai mára olyan erősek, hogy létezésük közel abszolút biztosnak tekintendő. A legextrémebb kihívásokat jelentik a relativitáselmélet számára, a gravitáció erősen görbülő és nagy sebességet jelölő területein. A relativitáselmélet eddig minden ilyen kihívást felülmúlt, tovább megerősítve a legjobb gravitációs elméletünk státuszát.

Következtetés

Száz évvel születése után a relativitáselmélet továbbra is a legpontosabb és legjobban tesztelt gravitációs elméletünk. Az Einsteintől származó klasszikus kísérletektől a gravitációs hullámok és a fekete lyukak fejlett megfigyeléseire történt vágóélű vizsgálatokig a teóriát egyre pontosabb és szigorúbb tesztnek vetették alá, és minden alkalommal győztesen került ki belőle.

A relativitáselmélet megerősítése nem csak a teória, hanem a tudományos módszer győzelme is. A GR számos merész, counterintuitív előrejelzést tett, amelyek élesen különböztek a Newton gravitációjától és a közérzettől. Azonban amikor ezeket az előrejelzéseket gondosan kialakított kísérletekkel és megfigyelésekkel tesztelték, beigazolódtak. Ez a tudomány lényege: tesztelhető előrejelzéseket tenni és a természetet hagyni a végső döntéshozónak az igazságról.

Természetesen nincs olyan tudományos elmélet, amely valaha is teljes vagy végső lenne. Még mindig sok nyitott kérdés és megválaszolatlan probléma van.