Erre még Einstein sem gondolt: ez történne, ha a tér és az idő megcserélődne

A gravitációs hullámok, a téridő "fodrozódásainak" művészi ábrázolása

Fotó: New Scientist

Albert Einstein általános relativitáselmélete komplex és azt jelenti, hogy semmi sem az, mint aminek látszik. Az univerzum sokkal furcsább hely, mint általában gondoljuk. Einstein szerint a tér és az idő összekapcsolódik, egyetlen szövetet képez. A térnek három dimenziója van, a negyedik dimenzió pedig az idő. De mi van akkor, ha a tér és az idő helyet cserél, és ennek milyen következményei lennének az ismert univerzumra nézve?

A tér és az idő rejtélye

A térre és az időre általában úgy gondolunk, mint két különálló dologra, de Einstein szerint a három dimenziós tér és az egy dimenziós idő egy négydimenziós kontinuummá egyesül, ennek a neve téridő. Minden esemény - múltbeli, jelen, jövőbeli - négy téridő koordinátával írható le, ami megmutatja, hogy az mikor és hol zajlik le.

Albert Einstein alkotta meg az általános relativitáselméletet, illetve a téridő fogalmát
Fotó: Popper Foto/Getty Images

Ahogyan azt Albert Einsteintől tudjuk, a gravitáció a téridő görbülete. Az általános relativitáselmélet szerint a gravitációt az okozza, hogy a tömeg és az energia meggörbíti a téridőt. Ahogyan Albert Einstein demonstrálta általános relativitáselméletében, a masszív testek gravitációja meggörbíti a tér és az idő szövetét – és ezek a testek a geometriájuk által meghatározott ösvényen haladnak végig. Elmélete előre jelezte a gravitációs hullámok létezését is, melyek a térben és az időben lévő fodrozódások. Ezek a fénysebességgel mozgó hullámok akkor jönnek létre, mikor masszív testek a téren és időn át gyorsulnak.

A gravitációs hullámok, a téridő "fodrozódásainak" művészi ábrázolása
Fotó: New Scientist

Az általános relativitáselmélet szerint a téridőt négy elválaszthatatlan dimenzió alkotja és ez a gravitáció kezében képlékeny entitás, mert a gravitáció formálja a téridőt. Például, képzeljünk el egy óriási csillagot a masszív gravitációjával. A gravitációjától függően a fény meggörbülve fog elhaladni a csillag mellett, mert a csillag erős gravitációs tere meggörbíti maga körül a téridőt. 

A tér és az idő elválaszthatatlanok; ha az egyiket éri valami hatás, az hatással van a másikra is, 

és teljesen különböző következményekkel jár az univerzumot illetően. De annak ellenére, hogy az idő és a tér együtt léteznek univerzumunknak ugyanabban a struktúrájában, mégis teljesen eltérőek.

A térre és az időre általában úgy gondolunk, mint két különálló dologra, de Einstein szerint a három dimenziós tér és az egy dimenziós idő egy négydimenziós kontinuummá egyesül, ez a téridő 
Fotó: Live Science

Képzeljük el, hogy asztronauták vagyunk egy űrhajó fedélzetén és utazunk a téridőn át. A tér, ami háromdimenziós fogalom,  lehetővé teszi, hogy szabadon utazzunk bármilyen irányban. A nehéz, és rendkívül erős gravitációval rendelkező objektumok körül - mint láttuk -, meghajlik a tér, mert ezt a gravitáció meggörbíti, akárcsak az időt. 

Az idő, a negyedik dimenzió azonban bár képlékenynek tűnik a gravitációs tér hatása alatt, de mégis merev marad, mert csak előre halad. 

Míg a térben bármilyen irányt felderíthetünk, az idő csak előre enged haladni minket, hátrafelé sohasem. De mi van, ha a tér és az idő tulajdonságai felcserélődnek? Lehetséges-e egy ilyen forgatókönyv, és ha igen, mindez hogyan történne meg? 

A masszív testek meggyűrik a téridőt. A képen lévő zöld rács mutatja, hogy a Nap és a Föld hogyan görbíti meg a teret és az időt, azaz a téridőt
Fotó: Caltech

A tér és az idő nehezen felfogható váltása

Elméletileg elképzelhető egy ilyen forgatókönyv, de egy zavarba ejtő következménnyel: a tér diverz időperiódusok absztrakt kollázsává válna. Ebben a fordított valóságban az űrhajónk pedig csapdába esne, mivel a tér csak egy irányba engedi a mozgást. A tér által diktált útra volnánk korlátozva, és anélkül, hogy az idő magáévá tenné a tér fizikai jellemzőit, képtelenek lennénk elmenekülni erről az előre meghatározott útról. Az idő mint láttuk, mindig csak előre halad, visszafelé sose, így akaratunk ellenére húz minket előre, és nem fogunk tudni visszafelé menni benne. 

Ugyanez történne velünk, ha beleesnénk egy fekete lyukba, és ez nem csak egy hipotetikus analógia. 

A fekete lyuk irtózatos gravitációja annyira meggörbíti a teret és az időt, hogy az eseményhorizonton belül a tér és az idő szerepet cserélnek.

Nehéz felfogni, hogy a fekete lyuk eseményhorizontján túl felcserélődik a tér és az idő
Fotó: Science Photo Library via AFP/MARK GARLICK

Bár egyelőre nincs közvetlen megfigyelés arra, hogy ilyen váltás megtörtént-e, mégis a koncepció lényeges ahhoz, hogy megértsük a fekete lyukak rejtélyét, hogy mi lehet bennük az eseményhorizonton túl? Különböző időperiódusok pillanatfelvételeit, vagy eltorzult képeit látná az ember, nem pedig a térben szanaszét szétszórt térbeli objektumokat.

 Hogy vajon ezek a képek, vagy pillanatfelvételek relevánsak lennének-e számunkra, az rejtély. 

Egy ilyen forgatókönyvben a tér szigorúan egy irányba haladna, mint normál esetben az idő, és a gravitáció a szingularitás felé görbítené. És ha az idő fizikai dimenzióvá válna, megvolna annak a lehetősége is, hogy a sok idő-pillanatfelvétel egyikébe ugorhatnánk, miközben a szingularitás felé haladunk.

Mit láthatnánk az eseményhorizonton túl, a fekete lyuk belsejében?

Egyébként minden, amit látni fogunk, leírhatatlan látvány lenne, miközben végtelen spirálban zuhannánk az ismeretlenbe hasonlóan ahhoz, mintha belemerülnénk egy olyan kaleidoszkópba, melyben a ragyogó gyöngyök helyett az idő pillanatképei vannak.

A fekete lyukban a tér és az idő helyet cserél. 

Belül a keresztmetszeti kép nem egy pillanatfelvételt mutat, hanem valami sokkal furcsábbat: sok különböző idő kaleidoszkópikus kombinációját. A fekete lyuk térbeli szerkezete helyett a tér és az idő furcsa keverékét láthatnánk.

Hasonlóképpen, ha egy óriási csillag a gravitációs kollapszus hatására megállíthatatlanul összeomlik és fekete lyukká válik, az ember azt gondolhatná, hogy az összeomló test összes anyaga a tér egyetlen pontjában koncentrálódik – ez a szingularitás -, de ez mégsem így van, mert a szingularitás nem egy pont a térben, hanem végtelen kiterjedésű. 

A fekete lyukban a tér és az idő furcsa kavalkádját, kaleidoszkópszerű képeit láthatnánk
Fotó: New Scientist

Ez rendkívül furcsának tűnhet, mert kívülről a fekete lyuk régiója úgy néz ki, mint egy gömb felszíne. De a gömb belsejében, aminek csak egy véges felszíni területe van, végtelenül nagy objektumokat is elrejthetünk – amik végtelenül kiterjedtek a térben. Mindez azért lehetséges,  mert a fekete lyuk belsejében az idő és a tér helyet cserélnek. A mi egyszerű forgatókönyvünk egy örökkévaló fekete lyuknak felel meg – egy fekete lyuknak, ami mindig létezett és folyamatosan létezni is fog a végtelenségig a jövőben, bár tudjuk, hogy elméletben ez az úgynevezett Hawking-sugárzás miatt mégsem lenne lehetséges.

Kívülről nézve úgy tűnhet, hogy a fekete lyuk végtelenül hosszú ideig tarthat az időben, de a térben csak egy véges mérete van. A fekete lyuk belsejében, az eseményhorizonton túl az összkép felcserélődik: Az idő véges kiterjedésű (a horizonton kezdődik és a szingularitás-tengelynél hirtelen véget ér), ám a tér végtelenül hosszúvá válik.

Amint átlépjük egy fekete lyuk határát, az eseményhorizonton belül minden egy szingularitás felé halad
Fotó: Big Think

A tér és az idő helyet cserélése fokozatosan történik meg. Ahogy a fekete lyukhoz közeledünk, az idő iránya egyre beljebb hajlik és amint a görbület már elég erős ahhoz, hogy megakadályozza azt, hogy az objektumok a feketelyuk belsejébe irányú mozgáson kívül bármilyen irányba elmozduljanak, ezzel az eseményhorizontot is átlépjük, melyen túl az idő és a tér helyet cserélnek.