Az elmúlt 3-4 évtizedben szinte alig jelent meg olyan, űrben játszódó tudományos-fantasztikus mű, melyben nem bukkantak volna fel a mindent anyagot magába szívó és onnan semmit sem eresztő kozmikus szörnyetegek, a fekete lyukak. Az ember képzeletét felfedezésük óta rendszeresen magával ragadják ezek az óriási objektumok, melyekben úgy tűnik, az általunk ismert fizika csődöt mond. A Star Trek, a Csillagkapu, az 1979-es The Black Hole, vagy a nemrég megjelent Interstellar című alkotásokban központi szerepet játszanak a fekete lyukak, melyekről azonban sokat az iskolákban nem tanulhatunk. Ezért, valamint a nemrég elhunyt Stephen Hawking emlékére, ki oly sokat foglalkozott ezekkel a lenyűgöző objektumokkal, úgy döntöttem, hogy új, ismeretterjesztő rovatunkat a fekete lyukakkal kezdjük. Azonban hogy megértsük, hogyan is működnek ezek a rémisztő kozmikus jelenségek, először a fizika egyik legfurcsább ágával, az általános relativitáselmélettel kell, hogy megismerkedjünk.

A középiskolából ismerős lehet, hogy az általunk ismert fizika alapjait a 17. században rakta le Sir Isaac Newton angol fizikus, a Természetfilozófia matematikai alapjai (latinul Philosophiae Naturalis Principia Mathematica) című művében. Műve tulajdonképpen leírja, hogy miért és hogy mozognak a testek mind a Földön mind pedig az égen. Évtizedekkel korábban egy német csillagász, Johannes Kepler törvényeiben megfogalmazta, hogyan keringenek a bolygók a Nap körül, azonban arra a kérdésre a választ, hogy miért is így történik, Newton válaszolta meg. Az angol tudós szerint a tömeggel rendelkező testek között egy úgynevezett gravitációs erő hat, ez az, ami miatt a tárgyak leesnek itt a Földön, és ez tartja a bolygókat is a pályájukon. Ő és Leibnitz matematikailag megalapozták a klasszikus fizikát, mely minden egyéb természettudománynak az alapja mind a mai napig. A törvények segítségével a csillagászok pontosan meg tudták jósolni, melyik égitest mikor éppen merre lesz. A klasszikus fizika legnagyobb sikerének azt tartják, mikor a 19.század közepén az Uránusz mozgásából rájöttek, hogy kell léteznie még egy bolygónak, így később fel is fedezték a Neptunuszt. A newtoni mechanika tehát szent és sérthetetlen volt a fizikusok számára, egészen a múlt évszázad első éveiig.

A huszadik század elején a természettudósok beleestek az egyik legsúlyosabb hibába, azt hitték, szinte már mindent tudnak. Newton mechanikája mellett már ki volt dolgozva a termodinamika és a statisztikus fizika, mely az anyagok hőtani viselkedésével foglalkozik, és Maxwell is feltárta a kapcsolatot az elektromosság és a fény között is. Úgy hitték, mindössze pár kérdésre kell már csak megtalálni a választ, így például a 20. század egyik legmeghatározóbb tudósának, Max Plancknak a tanára is azt tanácsolta tanítványának, hogy nem érdemes fizikával foglalkozni. Az ilyen kérdések közé tartozott például a Merkúr perihélium-elfordulása. Kepler törvényei szerint a bolygók ellipszispályájának iránya időben változatlan-ezt azt jelenti, hogy a Naphoz legközelebbi pontja, amit perihéliumnak nevezünk, nem fordul el az idő telése során. Mindez tökéletesen  teljesül Naprendszerünk égitestjei esetén, kivéve a központi csillagunkhoz legközelebb eső bolygót, a Merkúrt. A csillagászok ezen probléma felfedezése után évekig hallgattak, hiszen ez az anomália teljesen ellentmond az addig szentnek hitt Newton-törvényeknek. Ezt a problémát végül egy bizonyos Albert Einstein oldotta meg, 1915-ben.

1915-re a híres német tudós már kidolgozta a mindenki által ismert speciális relativitáselméletét, melyben mai napig kételkednek a laikusok, számtalan bizonyítéka ellenére. A mára a modern fizika alapját képző elmélet szerint a különböző vonatkoztatási (pontosabban:inercia-) rendszerek, melyekben a mozgást vizsgáljuk, hiszen egy mozgás értelmezéséhez nélkülözhetetlen egy ilyen rendszer, ugyanolyan rangúak, nincs közöttük egy kitüntetett sem, ami minden ilyen rendszer felett állna. Mindezek mellett a teória azt is állítja, hogy a fény vákuumbeli sebessége minden ilyen inerciarendszerben állandó. Így talán pontosabb is lenne relativitás helyett az abszolutitás elméletének nevezni Einstein fizikáját, melynek számos furcsa, mindennapi ésszel nehezen felfogható következményei vannak. Mindezek mellett egyszerre kezeli a 3 térbeli koordinátát és az idő koordinátáját, melyet egységesen, egy 4 dimenziós téridőként ír le.  Habár az elmélet kidolgozta saját korrekcióját a mechanikához, elektrodinamikához, a gravitációról egy szót sem szól.

Az elkövetkezendő 10 évben számos próbálkozás született a gravitáció relativitáselméletbe illesztése, az egyik leghíresebb ilyen eset Gunnar Nordström nevéhez fűződik, aki az elektromágneses kölcsönhatáshoz hasonlóan kezeli a gravitációs erőt, lévén mindketten arányosan csökkennek a távolság négyzetének növekedtével.  Elmélete majdnem helytálló volt, azonban Einstein 1915-ben egy egészen más megközelítéssel élt: egy úgynevezett Riemann—geometria segítségével, melyet a 19.században dolgozott ki a híres matematikus, Bernhard Riemann, és amely görbült sokaságokat (olyan matematikai halmaz, melyben a geometriai pontok laknak) ír le, kidolgozta a görbült, 4 dimenziós téridő teóriáját, melyet ma általános relativitáselméletnek hívunk. Einstein és egy másik matematikus, David Hilbert, egy, a fizikusok körében méltán népszerű eljárás, a variációszámítás segítségével levezette az elmélet alapját képező Einstein-egyenleteket, mely 10 db, a fizikusok által nem-lineáris, parciális differenciálegyenletek rendszerének csúfolt valami. Az egész lényege abban rejlik, hogy mivel nem lineárisak az egyenletek, ezért a megoldásaik összege és számmal való szorzata nem feltétlen megoldása az eredeti egyenleteknek, amit a fizikusok nem nagyon szeretnek, éppen ezért igen csak nagy ügyességet igényel ezen számítások elvégzése. Az egyenletek roppant egyszerű dolgot fejeznek ki: bal oldalukon a 4 dimenziós téridő görbültségének mértéke szerepel, melyeket a fizikában úgynevezett tenzorokkal, esetünkben 16 komponenst tartalmazó matematikai objektumokkal írnak le, ezért is kell hozzájuk 10 db egyenlet. A formulák jobb oldalán pedig egy, az adott anyagtól függő mennyiség áll, melyből a következtetés egyértelmű: a tömeggel rendelkező testek okozzák és határozzák meg a téridő görbületét. A gravitáció tehát nem más, mint a téridő görbületének hatása, nem pedig egy különleges erő, mint ahogy azt Newton leírta. Ezt szokták általában úgy szemléltetni 2 dimenzióban, hogy egy gumi hártyára egy nagy golyót raknak, majd körülötte egy kisebb golyó elkezd „keringeni”.

Einstein elmélete természetesen nagy vihart kavart a fizikusok körében, akik megpróbálták megvédeni Newton elméletét, azonban a német fizikus teóriájára számtalan természeti bizonyíték érkezett. Egyrészt sikerült ezzel az elmélettel megmagyarázni a Merkúr perihéliumának elfordulását. Másfelől, az elméletnek számtalan más következménye van, melyeket sorról-sorra észleltünk az elmúlt 100 évben. Einstein szerint a nagy tömeggel, és így gravitációval rendelkező testek mellett a fény elhajlik. Ezt egy angol csillagász, Eddington észlelte 1919-ben, Afrikában, mikor egy napfogyatkozás során megfigyelte a csillagokat, majd ugyanazokat az objektumokat éjszaka is megfigyelte, és a helyzetük megváltozott. Erről a csodás felfedezésről szól az Andy Serkis és David Tennant főszereplésével készült Einstein és Eddington című film. Hamarosan a gravitációs vöröseltolódás jelenségét is bizonyították, mely szerint a Nap gravitációs mezejét elhagyó fotonnak a vörös felé tolódik a hullámhossza, hogy akkora energiára tegyen szert, hogy kiszakadjon ebből az erős mezőből. Az utóbbi évek legnagyobb tudományos felfedezése, a tavalyi esztendőben Nobel-díjat érő gravitációs hullámok is Einsteint igazolják, melyek a mozgó tömegek által keltett fodrozódások a téridő szövetén.

Mindmáig viszont az emberek fantáziáját egy másik bizonyíték mozgatta meg a legjobban: az egykor hatalmas, ám mára kihunyt csillagok maradványai, melyek akkora mértékben görbítik meg a téridőt, hogy onnan a fény sem tud már kiszökni. Ezek a fekete lyukak, azok a kozmikus szörnyetegek, melyekről ezekkel az ismeretekkel felvértezve rovatunk következő számában ismerkedhettek meg. Kövessetek minket akkor is!

Kele-man