Az apró Merkúr vezette nyomra Albert Einsteint

Albert Einstein az elméleti fizika máig egyik legnagyobb hatású gondolkodója

Albert Einstein 1905-ben publikálta a speciális, 1916-ban pedig az általános relativitáselméletet, amelynek bizonyítására azonban csak három évvel később, 1919-ben került sor. Azóta már sokszorosan is beigazolódott Einstein elméleteinek létjogosultsága, amelyek eddig még minden próbát, illetve cáfolási kísérletet kiálltak.

Feladta a leckét a tűzforró katlan, a Merkúr

Albert Einstein híres általános relativitáselméletét tíz nagyon nehéz és egymással összekapcsolódó egyenlet írja le. Einstein arra volt a legbüszkébb, hogy meg tudta magyarázni a Merkúr pályájának bonyolult részleteit.

Albert Einstein általános relativitáselméletét tíz nagyon bonyolult és egymással összefüggő egyenlet írja le Forrás: Origo

A Naprendszer legbelső bolygója enyhén ellipszis alakú pályáján annyira lassan kering a Nap körül, hogy az a pont, ahol a Merkúr a legtávolabb áll a Naptól,

idővel állandóan változik.

Ez az időbeli változás a precesszió.

Az apró Merkúr mozgása feladta a leckét a csillagászoknak Forrás: NASA, JHUAPL

Ha a newtoni gravitációs modellt alkalmazzuk a Nap-Merkúr rendszerre, abban nem jelenik meg a precesszió,

tehát Newton modellje nem teljesen tökéletes.

Sir Isaac Newton Forrás: commons.wikimedia.org

Amint ehhez hozzáadjuk a más távolabbi bolygók okozta gyengébb gravitációs hatásokat is, (az úgynevezett gravitációs perturbációt) már majdnem minden precesszió megmagyarázható.

A Merkúr napsütötte oldala a Messenger felvételén Forrás: NASA

De csak majdnem. Az 1900-as évek elején a Naprendszer dinamikájában ez egy jól ismert probléma volt, ami sok vitát keltett.

A Merkúr szeszélyeitől a görbült fényig

Einstein úgy vélte, hogy a Merkúr fogja őt nyomra vezetni. Amikor a kísérletező évek után képes volt az általános relativitáselmélettel pontosan megmagyarázni a Merkúr keringésének furcsaságait, tudta, hogy megoldotta a gravitáció kérdését.

Einstein tudta, hogy a Merkúr fogja nyomra vezetni Forrás: Origo

Mielőtt Einstein az utolsó simításokat elvégezte az általános relativitáselméleten, néhány szokatlan realizációt végzett a gravitáció természetéről.

Albert Einstein alkotta meg az általános relativitáselméletet, illetve a téridő fogalmát Forrás: Popperfoto/Getty Images/2011 Popperfoto/Popperfoto/Getty Images

Einstein azt mondja, ha egy gyorsuló rakétán utazunk az állandó 1 g-vel - amennyi a Föld gravitációja - a laborunkban minden úgy viselkedne, mintha az a bolygó felszínén volna.

A tárgyak ugyanazzal a sebességgel esnének a padlóra, mint a Földön,

és lábaink is szilárdan ott maradnának. Ez a gravitáció és a gyorsulás közti ekvivalencia hajtotta Einsteint előre abban, hogy tovább fejlessze az elméletét.

Ha egy gyorsuló rakétán utazunk az állandó 1 g-vel - amennyi a Föld gravitációja - minden úgy viselkedne az űrhajón, mint a bolygó felszínén Forrás: Sputnik/RIA Novosti/Alexander Mokletsov

Most képzeljünk el egy fénysugarat, ami belép az űrhajó bal oldalának ablakán. Mire a fénysugár keresztülhatol az űrhajón, hogy kilépjen, vajon hol lesz? Egy kívülálló perspektívájából a fény tökéletesen egyenes vonalon halad, merőlegesen az űrhajó útjára.

Az általános relativitáselmélet értelmében a nagy tömegek a gyűjtőlencsékhez hasonlóan változtatják meg a fénysugár útját. Így jön létre a gravitációs lencsének nevezett jelenség Forrás: NASA

Amíg a fény keresztülhaladt az űrhajón, az űreszköz is ment előre. A fény elől, az orrkúphoz közel lép be, belép és az űrhajó végénél fogja azt elhagyni. Az űrhajó belsejéből a dolgok furának tűnhetnek.

Az űrhajó belsejében furcsának tűnnek bizonyos dolgok Forrás: leemage/©Lockheed Martin Corp/Novapix/Leemage/Lockheed Martin Corp

Ahhoz, hogy a fény az orrhoz közeli ablakon belépjen, és a hajó végénél a rakétahajtómű mellett lépjen ki, a fénysugár útjának meg kell görbülnie.

Ez az, amit az asztronauta az űrhajóban utazva észlel. És mivel a gravitáció, valamint a gyorsulás ekvivalens, a fénynek görbült utat kell követnie a nagytömegű objektumok körül.

Teljes napfogyatkozás bizonyítja Einstein igazát

Ezt a jelenséget azonban igen nehéz kísérletileg megfigyelni, mert egy rendkívül nagy tömegre és a felületéhez közel elhaladó fénysugárra van szükség ahhoz, hogy a hatás érzékelhető legyen. A német származású Einsteint az első világháború éveiben

csak azért tűrték meg a hazájában, mert svájci állampolgár volt,

de Németország katonai veresége után megváltozott a helyzet: ekkor már büszkék voltak a német tudósra és a sajátjuknak tekintették.

Az első világháború utáni években a német közélet már büszke volt Einsteinre Forrás: Origo

Az angolok azonban már a háború alatt felismerték Einstein munkájának, tanainak jelentőségét.

Az empirikus britek kísérleti úton kívánták ellenőrizni a német fizikus elméletének helyességét,

amire jó alkalom volt az 1919. májusi teljes napfogyatkozás.

Az 1919. május 29-i teljes napfogyatkozás. E csillagászati jelenség alapján sikerült először bebizonyítani az általános relativitáselmélet helyességét Forrás: Wikimedia Commons

A relativitáselmélet bizonyítására felállt kutatócsoport vezetője Sir Arthur Stanley Eddington brit asztrofizikus és matematikus

felismerte Einstein elméletének óriási jelentőségét.

Sir Arthur Stanley Eddington brit asztrofizikus és matematikus Forrás: Wikimedia Commons

Nem mellesleg a pacifista hírében álló kvéker tudós a népek közötti egyetértést szerette volna segíteni azzal, hogy az egykori ellenség országában megalkotott tanokat méltassa és segítse igazolni.

Előre jelezte a fény görbültségét

Két expedíció kelt útra. Az egyik a brazíliai Ceará állam városába, Sobralba, a másik pedig a Guineai-öbölben található az afrikai kontinens partjaihoz közel fekvő Príncipe-szigetre.

A napfogyatkozás totális fázisában készült fényképek egyértelműen bebizonyították az általános relativitáselméletet helytállóságát.

Albert Einstein az elméleti fizika máig egyik legnagyobb hatású gondolkodója Forrás: Wikimedia Commons

A csillagok fénysugarai a Nap mellett elhaladva annak gravitációs hatására meggörbültek, megváltozott a pályájuk.

A relativitáselmélet előre jelezte a fénysugár e viselkedését a Nap közelében. Einstein számításai szerint az eltérésnek 1,75 ívmásodpercnek kell lennie.

Andrew Claude de la Cherois Crommelin francia csillagász vezette az 1919-es brazíliai asztronómiai expedíciót Forrás: Wikimedia Commons

1952-ben – már sokkal kifinomultabb műszerekkel – újabb expedíciót indítottak Szudánba a teljes napfogyatkozás megfigyelésére. Itt 1,70 ívmásodpercet mértek a csillagok fényének meggörbülésére,

ami igen közel állt ahhoz, amit Albert Einstein évtizedekkel korábban kiszámított.

Einstein az általános relativitáselmélet alapján csaknem teljesen pontosan előre megjósolta a fény elhajlásának mértékét is Forrás: Origo

Elméletének bizonyítása nagy dicsőséget és világhírnevet szerzett az egykori ellenség országából származó fizikusnak Angliában.

Ezért Eddington expedíciója után, 1919 novemberében Einstein tiszteletére közös tudományos ülést tartott Londonban a Royal Society, valamint a patinás Királyi Csillagászati Társaság.

A táguló világegyetemtől a traffipaxig

Egy, az általános relativitáselmélettel összefüggő jelenség a vöröseltolódás is. A távolodó objektumok által kibocsátott sugárzás hullámhossza nagyobb, a közeledőké pedig kisebb, mint a stacionárius sugárforrásé.

A Doppler-effektust használják fel többek között a gyorsan mozgó zivatargócok sebességének és irányának meghatározásához is Forrás: Getty Images/2017 Getty Images/Drew Angerer

Ha valami elfelé mozog tőlünk, például egy gyorsan haladó autó, a hangja egyre mélyebbé válik,

mert a hanghullámok frekvenciája csökken. Ez a jelenség az úgynevezett Doppler-effektus. Ugyanez igaz a fényre is, így például a tőlünk távolodó égitest színképe a spektrum alacsonyabb vörös tartománya felé tolódik el.

A távolodó galaxisok fénye a spektrumban a vörös felé tolódik el Forrás: Schurs Astrophotography

A fény Doppler-effektusa vezetett arra a felismerésre,

hogy a világegyetem nem statikus, hanem táguló rendszer.

A világegyetem tágulásának sebességét a spektrumvonalaknak a Doppler-effektus következtében létrejövő vöröseltolódásából lehet kiszámítani.

Edwin Hubble amerikai csillagász fedezte fel a vöröseltolódás segítségével az univerzum tágulását Forrás: Space.com

Az a tény pedig, hogy az univerzum tágul, és meghatározható a tágulás sebessége, egyben azt is jelenti, hogy visszafelé számolva megállapíthatjuk a tágulás kezdőidőpontját, vagyis az ismert univerzum keletkezési idejét.

A táguló univerzum modellje az ősrobbanástól napjainkig Forrás: NASA

De a Doppler-effektust ennél sokkal földhözragadtabb dolgokra, így például a gyorshajtók fülön csípésére is alkalmazzák.

A traffipax is a Doppler-effektus elvén működik Forrás: Police.hu

A traffipax az autóról lepattanó fényt érzékeli, és így állapítják meg a gépkocsi sebességét.

Szinte mindenhol tetten érhetjük Einstein elméletét

Visszatérve a példaként felhozott űrhajónk fedélzetére, amikor a fénysugár a gyorsuló űreszköz csúcsánál belép, és a hátulsó traktusnál távozik, a fény vöröseltolódik.

És az általános relativitáselmélet szerint, ami a gyorsulásra vonatkozik, az igaz a gravitációra is.

Forrás: ESO

Néhány évtizedbe beletelt, amíg egyértelműen bebizonyították ezt az előrejelzést, mert nem univerzális léptékben olyan kicsi az eltérés, aminek a kimutatásához sokáig nem voltak adottak a technikai feltételek.

Robert Pound amerikai fizikus Forrás: Harvard University News Office/© Harvard University News Office/Laura Wulf

Robert Pound és Glen Rebeka 1959-ben megtervezett és végrehajtott egy olyan nagy precizitású kísérletet,

ami lehetővé tette nekik, hogy megmérjék a fény vöröseltolódását,

amint néhány szintet feljebb utaztak a Harvard egyetemen lévő Jefferson Laboratórium épületében.

Egyelőre semmi sem utal arra, hogy repedés lenne Einstein elméletének falán Forrás: NRAO/AUI/NSF; S. Dagnello

A meggyőző bizonyítékok ellenére a tesztek folytatódnak.

Bármi, ami az elmélet repedésére utaló jel, szikra lehet egy új gravitációelmélet megalkotásához,

ami talán annak is előkészíti az útját, hogy felfedjék a gravitáció teljes kvantum természetét, amit jelenleg még egyáltalán nem értünk.

Nagyon sok mindent még egyáltalán nem értünk Forrás: Science Photo Library/MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Mark Garlick/Science Photo Libra

Az általános relativitáselmélet szinte mindenhol tetten érhető,

kezdve az érzékeny műholdaktól a gravitációs lencsékig, a csillagok pályájától az óriási fekete lyukak eseményhorizontjáig egészen az univerzum evolúciójáig.