Őrültnek nézték a tudóst, aki átírta a fizika törvényeit

Az általános relativitáselméletről nehéz úgy írni, hogy mindenki számára érthető legyen, és az is lejöjjön belőle, miért is fontos az emberiség számára. Talán 2015-ben, egy világra szóló felfedezés után próbálkoztak meg ezzel a legtöbben: ekkor detektáltak a világon először gravitációs hullámokat, ami szó szerint egy új érát nyitott nemcsak a gravitáció tudományában, de az egész csillagászatban.

NEM ÚGY NÉZ KI A VILÁGŰR, AHOGY AZ ISKOLÁBAN TANULJUK

A gravitációs hullámok a téridő fodrozódásai - így lehet őket a legegyszerűbben leírni, és így is a legkézenfekvőbb elképzelni őket. Minden olyan objektum, ami gyorsul, képes gravitációs hullámot kelteni. Mi viszont, mivel a gravitáció kozmikus viszonylatban nagyon gyenge erő, csak azokat a hullámokat tudjuk érzékelni, amiket nagyon nagy tömegű objektumok mozgása bocsát ki, és még így is nagyon nehéz detektálni őket, mert mire elérnek a bolygónkig, még inkább legyengülnek.

A gravitációs hullám megértéséhez az embernek alapvetően meg kell változtatnia azt, ahogy a világűrt és annak objektumait elképzeli.

Az iskolában úgy tanuljuk, hogy a világűr légüres tér, amiben rengeteg objektum egy láthatatlan húzóerő, a gravitáció jóvoltából mozog egymáshoz képest. Ez a felfogás sok sebből vérzik, többek között azért, mert a világűrben ugyanúgy találhatók különböző molekulák, csak sokkal ritkábban, mint a bolygónkon, ráadásul jobban járunk, ha nem is egyszerűen térnek képzeljük el, hanem egy olyan anyagnak, amit be lehet horpasztani, és ki lehet nyújtani. Pontosan ezt teszik a gravitációs hullámok.

A legtöbb fizikus ezt úgy szokta elmagyarázni, hogy érdemes a világűrt egy trambulinnal helyettesíteni - nem tökéletes metafora, de megteszi, ha például a gravitációt szeretnénk szemléltetni. A trambulinra ráejtünk egy nehéz tárgyat (tegyük fel, a Napot), ami behorpasztja az anyagát, ha pedig egy másik, könnyebb tárgyat is rágurítunk (mondjuk, a Földet), az a horpadás miatt elkezd körülötte keringeni.

Erre akkor jöttek rá, amikor egy apró bolygó, a Merkúr, egészen egyszerűen megcáfolta Newton gravitációról alkotott elméletét, és újabb elméletet kellett gyártani arra, hogyan is működik pontosan ez a rejtélyes erő. Albert Einstein volt az, aki végül az általános relativitáselmélettel elmagyarázta, hogy a Nap nem vonzza a bolygókat, hanem az anyag (tehát a csillag) meggörbíti a teret, ez pedig visszahat a testek mozgására. Az alábbi videó jól szemlélteti a dolgot, és még magyar felirat is van hozzá:

EINSTEN MÁR SZÁZ ÉVE MEGMONDTA

Ha már Einstein: a zseniális fizikus és matematikus 1916-ban azt is pedzegetni kezdte, hogy a világűr nagy tömegű objektumai, ha gyorsulni kezdenek, megzavarják a téridőt, és olyan gravitációs hullámokat keltenek, mint a tóba dobott kövek a vízfelszínen. Arra is kitért, hogy ezek a hullámok fénysebességgel terjednek, és sokat elmondanak a megfigyelők számára az őket kiváltó testekről.

Csakhogy Einstein az első, 1916-os tanulmányában egyszerű matematikai hibát követett el, ezért a következő években hol megcáfolta, hol bizonyította számításaiban, hogy a gravitációs hullámok létezhetnek-e. A konklúzió végül az lett, hogy szerinte, bár utaznak ilyen hullámok a téridőben, annyira aprók és jelentéktelenek, hogy soha nem fogjuk őket mérni, és talán nem is érdemes rájuk energiát pazarolni.

Szerencsére a tudomány nem ezen az állásponton volt: a gravitációs hullámok témája soha nem került le az asztalról, már csak olyan technológia kellett, amivel be lehet bizonyítani, hogy léteznek. Ez viszont óriási kihívásnak bizonyult pontosan azért, mert annyira elenyésző az a hatás, amit a gravitációs hullámok keltenek, hogy szinte lehetetlen mérni.

Szinte.

Az első komoly próbálkozó az 1960-as években Joseph Weber volt, aki alumíniumtömbökkel próbálta detektálni az áthaladó hullámokat. Több olyan mérést készített, amikről azt gondolta, a hullámokat jelzik, később mégis kiderült, hogy egyáltalán nem sikerült semmit sem fognia, a publikációiról pedig sokan hitték azt, hogy szándékosan hazudott bennük.

MI LENNE, HA FÉNNYEL MÉRNÉNK?

Erre reflektálva adta egy fiatal tanár (az akkor 35 éves Rainer Weiss, aki fizikát tanított egy egyetemen) gondolatgyakorlatként házi feladatnak a diákjainak, hogy oldják meg: mi lenne, ha fény segítségével próbálnák meg detektálni a gravitációs hullámokat. A feladatot aztán ő is tovább gondolta, olyannyira, hogy kollégáival megépítette a LIGO-t (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, Lézer Interferométeres Gravitációs Hullám Obszervatórium), azt a szerkezetet, ami segítségével először sikerült gravitációs hullámokat észlelni, és ami tavaly meghozta neki a megosztott fizikai Nobel-díjat is.

A nyugalmazott MIT professzor most az ELTE meghívásából Magyarországon járt, és ha már itt volt, tartott egy előadást a gravitációs hullámokról és detektálásukról is.

"Weberen kívül két orosz kutató is kidolgozott egy elméletet a '60-as években arról, hogyan lehetne interferométerrel, azaz fény segítségével detektálni a gravitációs hullámokat, de a gyakorlatig ők nem jutottak el. Én ettől függetlenül kezdtem el dolgozni a saját elméletemen" - mondta el a 24.hu-nak Weiss professzor a Magyar Tudományos Akadémián tartott előadása után.

Úgy gondoltam, hogy egy jó kis feladatot adok a diákjaimnak, de még később sem azért dolgoztam soha, hogy azonnal, vagy legalább is minél hamarabb észleljük ezeket a hullámokat. Inkább a mindennapi kihívásokra koncentráltam, ezektől tudja az ember élvezni azt, amit csinál.

Weiss viszont csak akkor kezdett el komolyabban gondolkodni a témán, amikor az 1970-es évek elején kiderült, hogy Weber kísérletei nem működnek, és képtelen gravitációs hullámokat detektálni. Nekiállt kidolgozni az elméletét, és rájött, hogy abszolút működhet.

Egyre komolyabban belemerült a témába, és kidolgozta a LIGO alapjait: egy olyan interferométert álmodott meg, aminek hosszú karjaiban fénynyaláb kúszik végig, és a fény által megtett útidő változásával detektálni lehet a hullámokat.

Hogyan működik a LIGO?

A LIGO két detektora a világ legérzékenyebb interferométerei, amelyekben egy kettéosztott lézernyaláb két ága egymásra merőlegesen fut 4 kilométer hosszan, acélcsövekbe zárt ultraalacsony nyomású vákuumban. A nyalábok az interferométerek óriási L-alakot formáló "karjai" végén ingaként függő, a környezeti zajoktól elszigetelt tükrökről verődnek vissza, majd a kiindulóponthoz visszaérkezve egyesülnek újra. Azonos karhosszúságok mellett az újra találkozó lézernyalábok hullámokként kioltják egymást. Egy a berendezésen áthaladó gravitációs hullám azonban egymással ellentétesen változtatja a merőleges karok hosszúságát: felváltva az egyiket megnyújtja, a másikat összehúzza. A megnyúlt karban a lézerfény oda-vissza verődése tovább tart, míg a megrövidült karban kevesebb ideig. A két karban eltérő visszaverődési idők miatt a találkozó nyalábok kioltása megszűnik, a felfénylés mértéke pedig a karhosszak megváltozásával arányos.

A gravitációs hullámok a téridőn végighaladva megváltoztatják a teret, és mindent, ami benne található: egyik irányba megnyújtják, másikba összenyomják. Így, ha egy gravitációs hullám áthalad a Földön, mi is mikroszkopikus méretekben megnyúlunk az egyik irányban, majd összemegyünk a másikban.

A probléma az, hogy a gravitáció nagyon gyenge erő, így a változás nemhogy szemmel láthatatlan, de még műszerekkel is szinte lehetetlen mérni,

főleg úgy, hogy a Földön rengeteg olyan zaj van, ami bezavarhat a detektálásba: a hullámok zaja, a teherautók által keltett rezgések vagy a legkisebb földmozgások is megmásíthatják az eredményeket.

Olyan műszerre van szükség, ami képes az olyan kis eltéréseket is észrevenni, mint a tíz a mínusz huszonegyediken méter. Ez még az atommagban található proton átmérőjénél is sokkal kisebb - nagyjából elképzelhetetlen, mennyire kicsi változásról van szó.

BEÉPÍTETT EMBER SEGÍTETT MEGVALÓSÍTANI A PROJEKTET

Weiss és kutatótársai, Barry C. Barish, Kip S. Thorne egy minderre képes szerkezet tervével kopogtattak az amerikai Nemzeti Tudományos Alapítvány (National Science Foundation) kapuján, arra kérve őket, hogy adjanak pénzügyi támogatást az ötletükhöz. Szerencséjük volt: találtak egy olyan, az alapítványnál dolgozó kutatót, aki hitt a projektben, és segített megkeresni a megfelelő embereket.

"A Nemzeti Tudományos Alapítványnak óriási szerepe van abban, hogy ezt meg tudtuk csinálni" - mondta a kutató. "Nagyon aggódom, mert most már nem olyan bátrak, hogy ilyen projektekbe belevágjanak. De akkoriban még más volt a helyzet. Ráadásul volt egy belsős emberünk: Richard Isaacson, aki nagyon érdeklődött a gravitációs hullámok iránt, a doktori értekezését is erről készítette."

"Összejátszott velünk, együtt találtuk ki a stratégiánkat, olyan embereket válogatott össze a döntőbizottságba, akikről tudta, hogy hajlanak a támogatás felé. Elképesztő volt. Meggyőzte az egész NSF-et, hogy ez egy olyan program, amit támogatniuk kell." Isaacsonról ezért ma már díjat is elneveztek, amit azon kutatók kaphatnak meg, akik letettek valamit az asztalra a gravitációs hullámok felfedezésével kapcsolatban, vagy abban a technológiában, ami segíthet a detektálásukban.

"Az NSF megértette, hogy ez egy nagyon nehéz és nagyon új terület, de ha működik az interferométer, világra szóló tudomány születhet belőle" - tette hozzá Weiss.

Óriási kockázatot vállaltak, mert nem gondolták, hogy megvan a technológiánk hozzá."

"Azt hitték, hogy megőrültem. Minden, amit ma megvizsgálnál, mielőtt támogatást adsz egy projektre, nálunk hibázott, kivéve azt az óriási ambíciót, hogy ez az egész előbb-utóbb működni fog. Szerencsések voltunk, hogy mégis támogattak minket."

Weiss tudta, hogy a technológia, ami rendelkezésükre állt már az 1970-es évek elején, lehetővé tette, hogy egy LIGO-hoz hasonló interferométert megépítsenek - annak ellenére, hogy senki nem hitt neki. "Benne voltam a LISA tanácsadó testületében is (egy világűrbe tervezett gravitációs hullám-detektor - a szerk.), és még az ezen dolgozó kutatók is félrehívtak vacsoránál, és azt mondták, hogy hülyeségeket beszélek" - mondta el Weiss. "Részletesen el kellett magyaráznom nekik, hogyan lehet ilyen apróságokat is mérni, mint amilyen a gravitációs hullámok tértorzítása."

A LIGO elkészülhetett volna már 1972-ben, két dolog akadályozta meg a kutatókat benne: nem tudták, mit keressenek, és a lézertechnológiát is meg kellett reformálniuk.

A HADSEREG, AZ OPTIKAI SZEKTOR ÉS A MIKROSZKÓPIA IS JÓL JÁRT

A kutatás támogatásában egyébként sokáig az is segített, hogy lehetett vele érvelni: a mindennapi életben használatos technológiákat is fejlesztenek a hullámkutatás közben. "Nem millió dolláros technológiákról van szó, de sokat segítettünk például a tükörbevonatok tökéletesítésében, mivel a LIGO-nak nagyon pontos és sima felületű tükrökre van szükségük. Ezt az optikai ipar rengeteg helyen hasznosítja" - mondta Weiss. "A hadsereg a lézer giroszkópok fejlesztéséhez használta fel a technológiánkat, a vibrációs izolációs rendszerekben is előretörést értünk el, például a szeizmikus izolációs rendszert a mikroszkópiában is hasznosítani lehet."

2015-ig kellett várni arra, hogy a LIGO-nak ne csak elméleti és mindennapi gyakorlatban használható haszna legyen: szeptember 14-én ugyanis egy tesztüzem közben olyan jeleket mértek a rendszerben kutatók, amelyek kísértetiesen hasonlítottak a gravitációs hullámoktól remélt jelekre.

Azt hinné az ember, hogy ilyenkor a projekten kutató tudósok azonnal örömujjongásba kezdenek, és nekiállnak megtervezni, milyen beszédet mondanak majd a Nobel-díj átvételekor, pedig egyáltalán nem ez történt. Először mindenki azt hitte, hogy az egész csak egy előre betervezett zavaró program volt.

"Nagyon aggódtunk az első észlelés miatt" - mondta Weiss. "Ennek két oka is volt. Az egyik Weber kísérletei: 1969-ben kiadta a tanulmányát, hogy gravitációs hullámokat érzékelt, erről pedig később kiderült, hogy egyáltalán nem az volt. Ez visszavetette egy kicsit a gravitációs hullámok kutatását. A másik pedig egy nem is olyan régen végzett kísérlet, amikor a kozmikus háttérsugárzás polarizációjával végeztek méréseket. Nemrég tettek egy bejelentést, hogy sikerrel jártak, de ez sem bizonyult igaznak. Ezért megfogadtuk, hogy ha detektálunk valamit, addig fogjuk ellenőrizgetni, hogy valóban gravitációs hullámmal van-e dolgunk, amíg a csapatból mindenki egyetért, hogy most már publikálhatunk."

HACKERTÁMADÁSRA GYANAKODTAK AZ ÉSZLELÉSNÉL

A kutatók először pesszimisták voltak: gondoltak arra, hogy valami bezavarta a műszereket, sőt, arra is, hogy hackertámadás áldozatai lettek, ami elég valószínűtlennek tűnt, de nem zárhatták ki. Azért nagyon kicsi az esélye egy ilyennek, mert a LIGO-ból valójában kettő van: az egyik Washingtonban, a másik Lousianában, és csak akkor lehet helyes egy észlelés, ha mindkét helyen mutatják a műszerek.

"Még az is az eszünkbe jutott, hogy a mi embereink zavartak bele az elektronikába szándékosan. A végén kiderült, hogy hagyományos módszerekkel soha nem fogjuk tudni száz százalékos biztosságra megmondani, hogy nem valami hiba csúszott a gépezetbe. A hipotézisek pedig egyre inkább elrugaszkodtak a valóságtól."

Aztán detektálták a második hullámot is. Majd a harmadikat.

"Ez volt az, ami végül nagyjából mindenkit meggyőzött arról, hogy tényleg gravitációs hullámokat érzékelünk. Bár még mindig vannak olyanok, akik nem hiszik el, hogy tényleg detektáltuk őket."

Az első észlelt hullám két fekete lyuk táncából, aztán egybeolvadásából született. Azóta rengetegszer sikerült nyakon csípni a jelenséget, köztük egy olyat is, amit igazán különleges esemény váltott ki: egy bináris neutroncsillag mozgása, ami azért nagyon fontos, mert a hullámok mellett fényt bocsájt ki, így nem csak "hallottuk", de "láttuk" is a jelenséget. A gravitációs hullámok észlelése azért fontos, mert nem kell többé csak a fényre hagyatkoznunk, ha meg akarunk figyelni valamit a világűrben: olyan objektumokról is tudunk meg információkat, amik nem bocsátanak ki semmiféle fényt a műszereinkbe.

MAGYAR KUTATÓK IS KIVETTÉK A RÉSZÜKET

Itthon azért kapott különösen nagy visszhangot a gravitációs hullámok felfedezése, mert magyar kutatók is kivették a részüket a munkából:

a hazai munka oroszlánrészét a Frei Zsolt által irányított, 2007-ben létrejött Eötvös Gravity Research Group kutatócsoport végezte.

"Két projektjüket ismerem a magyar kutatóknak" - mondta Weiss. "Az egyik során általuk kifejlesztett műszereket adtak a LIGO együttműködésnek, amikkel mérni lehet az atmoszférikus sűrűségingadozást, ez az, amit gravitációs gradiens zajnak nevezünk. De nem ez a legfontosabb hozzájárulásuk: sokkal komolyabb, amit az adatanalízisben elérnek, és az is, hogy modellezik a hullámok eredetét. Nagyon nehéz kinyerni az információt az észlelt hullámalakokból és rájönni, fizikailag mi megy végbe a kibocsátó objektumoknál."

A LIGO sikere persze még csak a jéghegy csúcsa: már most működik egy másik detektorállomás, az európai Virgo, és még sok más készül. Például a világűrbe tervezett LISA, vagy a föld alá szánt KAGRA. A gravitációs hullámok kétségkívül a csillagászat és a fizika következő nagy reménységei.

"Tudom, hogy nagyon izgalmas idők jönnek a gravitációs asztronómiában" - mondta Weiss. "De talán nem is így kellene hívni, átvenném inkább az NFS megfogalmazását: többüzenetes csillagászat (multi-messenger astronomy). Ez sokkal pontosabb definíció, hiszen az információink, amelyeket az univerzumról ismerünk, több különböző megfigyelésmódból erednek. Minden módszer ad hozzá valamit."

A kutató szerint a sötét anyag és a sötét energia megismeréséhez például mindenképpen hozzájárulhat a hullámok detektálása.

Weiss arra is rávilágított, hogy valószínűleg még azt sem tudjuk, hogy mit nem tudunk az univerzumról. Amikor a szabadszemű megfigyelésről átálltunk a rádiócsillagászatra, majd az optikai csillagászatra, a viszonylag nyugodt égboltról kiderült, hogy nagyon is mozog: robbanások, ütközések történnek benne, amiről eddig nem is tudtunk. "Ha a gravitáció a fő kommunikációs forrásunk, olyan dolgokat fogunk látni az univerzumban, amiket korábban még soha" - magyarázta.

"Egy végzős hallgató kérdezte meg tőlem most az imént, hogy hiszek-e a párhuzamos univerzumokban. Azt mondtam neki, hogy nem hiszek, de ha egyszer a gravitációs hullámok segítségével találunk egy olyan területet, ahol végtelen számú fekete lyuk gyülekezik egy helyen, azt nehéz lesz megmagyarázni - ki tudja, lehet, hogy féreglyukra bukkanunk. Persze ez elég elrugaszkodott elképzelés, de biztosan vannak az általános relativitáselméletnek olyan specifikációi, amikről nem is tudjuk, hogy léteznek."

Nagy Nikoletta korábbi cikkei

• Megtalálták a Föld fagyott testvérét, itt van a szomszédban
• Nehéz időszak következhet az allergiásoknak
• Ezért lesznek rákosak a túlsúlyosak