Jelentés a nyúl üregéből

Fekete lyukak, eseményhorizont, szingularitás, az idő relativisztikus lassulása, féreglyuk. Megannyi rejtélyes és izgalmas fizikai fogalom, mely ezúttal egy film kapcsán került elő.

Ritka, hogy egy sci-fi alkotás saját asztrofizikus-konzultáns segítségével készül – nos, Christopher Nolan filmje, a Csillagok között (Interstellar) joggal büszkélkedhet ezzel. Sőt, voltaképpen a film eredeti ötlete is Kip Thorne-tól, a sok tekintetben rendhagyó gondolkodású, formabontó tudóstól származik. Az idén 74 éves kutató számos remek ideával öregbítette saját és tudományterülete hírnevét, ezért tökéletes választás volt vele dolgozni, hiszen kevesen számítanak ekkora szaktekintélynek az általános relativitáselmélet asztrofizikai következményei és az ebből fakadó előrejelzések terén.

Csillagok között

 

Az 1940-ben, mélyen vallásos mormon családba született (később persze ateistává lett) Kip Thorne szédületes tudományos karriert futott be. Hogy mást ne mondjunk, ő lett a legfiatalabb tényleges professzor (ráadásul elméleti fizikából) a neves kaliforniai privát kutatóegyetemen, a Caltechen, majd az egyetem egyik legbefolyásosabb és legeredményesebb mentora: mintegy ötven kiváló kutató szerzett PhD-t a keze alatt – jelentős részük az általános relativitáselmélet asztrofizikai aspektusaival és konzekvenciáival foglalkozott.

Tudomány-népszerűsítőként is komoly sikereket aratott, mivel a laikusok számára is szemléletesen tudta felvázolni a maga nagyon is absztrakt és spekulatív tudományterületének problémáit és eredményeit. 1999-ben, az új évszázad küszöbén például három fontos és némileg provokatív pontban foglalta össze a modern fizika előtt álló kihívásokat – ezek némelyike később a Csillagok között témái között is megjelent. Thorne szerint mindenekelőtt meg kellene vizsgálni, van-e a világegyetemnek afféle sötét oldala, amit fekete lyukakhoz hasonló kozmikus objektumok népesítenek be. De még ezek után is kérdéses, hogy észlelni tudjuk-e univerzumunk keletkezésének és sötét oldalának nyomait, például téridő hurkokból érkező sugárzás vagy úgynevezett gravitációs hullámok révén. Ám a legnagyobb dilemma mégis az, hogy a 21. századi technika lehetővé teszi-e a kvantumviselkedés eddig csak nanoszinten ismert és tapasztalt jellemzőinek megfigyelését – emberléptékű objektumok esetén is. (Például a hullámszerűen viselkedő anyagi részecskék a tér tőlük energetikai szempontból elzárt részén is előfordulhatnak.) Ez utóbbi már egyértelműen a tér-idő utazás határait feszegeti, ami visszaköszön a mostani Nolan-filmben is.

Féreg foga rág

Feltűnést keltett, hogy Kip Thorne 2009 nyarán lemondott a Caltech (a kiváló fizikusról és szintén remek, nálunk is jól ismert tudomány-népszerűsítőről elnevezett) Feynman professzori címéről, hogy a továbbiakban írással és témáinak megfilmesítésével (lásd keretes írásunkat) foglalkozhasson. Volt miből dolgoznia, hiszen aktív pályafutásának évtizedei alatt számos területen ért el áttörést, illetve alakított ki még kollégái körében is formabontónak számító, de azért a normáltudomány korpuszán belül maradó hipotéziseket.

Kip Thorne

 

Thorne először is behatóan foglalkozott a hipotetikus (Einstein által már 1916-ban megjósolt) gravitációs hullámok természetével és detektálásával. Kez­de­mé­nye­­zője és egyik alapítója volt a LIGO-projektnek, a Lézer Inter­fe­ro­­­­méteres Gravitációshullám-vizs­­gáló Obszervatórium létrehozásának, amel­­lyel a két vagy több statikus pont közötti fluktuációkat mérné – s a számítások szerint pont ezek volnának a gravitációs hullámok létének bizonyítékai. Thorne alapvető szerepet játszott a vizsgálathoz szükséges matematikai apparátus megalkotásában és a gravitációs hullámok észleléséhez szükséges, de nem csak erre használható berendezések megteremtésében. Műve így már akkor is maradandó, ha tudjuk, eddig egy fia gravitációs hullámot sem sikerül direkt detektálni. Habár a LIGO első formájában nyolc éven át működött, és azóta a konkurencia is aktív: az idei évre is jutott szenzációs bejelentés a megtalálásukról, ami mögül azóta is hiányzik a megerősítés.

Thorne sokat tett azért is, hogy úgy gondoljunk a fekete lyukakra, ahogy azt a film is ábrázolja: a mélyükön egy gravitációs szingularitással, ahonnan se fény, se anyag, se energia nem juthat ki, hacsak nem az általuk kibocsátott egyfajta elektromágneses feke­te­test-sugárzás, a Hawking-sugárzás. No, de az is csupán az úgy­nevezett eseményhorizont köze­léből: így nevezik azt az adott tömeghez rendelhető, az ún. Schwarzschild-sugár által kijelölt határt, amelyen belülről már nincs kiút.

A gyorsan forgó fekete lyukak természetesen tömérdek csillagközi anyagot fognak be, amelyek sajátos akkréciós korongot formálnak: ez a felforrósodva örvénylő massza az elektromágneses spektrum számos tartományában sugároz, nem csoda, hogy a távoli fekete lyukakat tipikusan a bitang erős röntgenkibocsátásuk alapján szokták detektálni. Eseményhorizontot és a mindenféle befogási korongot nélkülöző pőre szingularitást egyelőre még senki sem észlelt, ezért annál nemesebb feladat ezek ábrázolása, s ebben Thorne számításai szintén úttörőnek bizonyultak. Az ő matekja alapján készítette el a Nolan-film feketelyuk-vízióit a londoni Double Negative cég – az eredményt a tudós is tanulságosnak találta. Thorne szerint egy összeomló csillag akkor és csakis akkor válik halálában fekete lyukká, ha egy megfelelő kritikus kerületméretet (ínyenceknek: a Schwarz­schild-sugár duplájának pí-szerese) elérő forgó anyaggyűrű alakul ki körülötte. (A fekete lyukakról bővebben: Sűrű, sötét, Magyar Narancs, 2006. május 4.)

Lyukra játszik

Csillagok között - Fekete lyuk

 

Thorne még ennél is nagyobb feltűnést keltett az idő-tér ugrást komoly lehetőségként kezelő gondolataival (az időutazásról bővebben: Szerencséd, hogy öreganyádnak, Magyar Narancs, 2009. október 29.) , de időgépet, időhurok-generátort természetesen neki sem sikerült építeni. Az elsők között kezdett azzal foglalkozni, megengedik-e a modern fizika törvényei, hogy idő és tér többszörösen kapcsolódjanak össze – ez ugyanis lehetővé tenné úgynevezett átjárható féreglyukak és afféle időgépek létezését. Thorne-nak egy koreai munkatársával (Kim Szung-Von) együtt sikerült egy olyan univerzális fizikai mechanizmust azonosítania (a kvantummezők robbanásszerű vákuumpolarizációját), mely állandóan jelen van a téridőben, s ez zárt időhurkok (időszerű görbék) folyamatos kifejlődését feltételezi. A zártság itt nagyon fontos kikötés, mivel ez gátolja meg az időben való visszautazást, ami sajnos egy újabb érv a Jöttünk, láttunk, visszamennénk típusú filmek eddig is jól sejtett tudománytalansága mellett. A Thorne és tanítványa, Mike Morris által feltételezett, úgynevezett Lorentz-típusú féregjáratok mindkét irányban átjárhatók, és lehetővé teszik a közlekedést, mondjuk, ugyanazon univerzum két, alapértelmezésben igen távoli pontja között. Ezeket a féregjáratokat szférikusan egymásra rétegződő egzotikus anyag alkotta héj veszi körül, ami biztosítja a féreglyuk fennmaradását. S hogy mitől egzotikus ez az anyag? Például attól, hogy negatív tömeggel és ezáltal negatív gravitációval bír – Thorne megfontolásainak fontos részét képezi, hogy egy féregjárat csak akkor létezhet, ha olyan kvantummezők tartják össze, melyek kvantumállapotai megsértik az átlagosan zérus energiaállapot szabályát. Thorne ennek kapcsán komolyan kutatta, hogy léteznek-e negatív energiával rendelkező kvantummezők – ahogy megjósolta olyan antigra­­vi­tációs tulajdonságú egzotikus anyag létét is, amely gyorsítja az univerzum tágulási ütemét.

Thorne koncepciója – amelynek számos vetélytársa van – megnyugtató módon kizárja a féreglyukakon való áthaladáshoz társított paradoxonok létét: azaz a sci-fikben még létező esetek (saját múltbéli felmenőnk óvatlan bántalmazása) nem fordíthatók le a fizika nyelvére, viszont bármely időutazós kaland számos alternatív kifejletet tesz lehetővé. Thorne mostanában leginkább a szubatomi szinten és nagyon kis távolságokon létező tér-idő turbulenciák leírására alkalmas kvantumhab-koncepción dolgozik. Az olvasó okulására eláruljuk, hogy ezt a habot a folyton (a „semmiből”, azaz a némi nullponti energiával mindig rendelkező kvantumvákuumból) keletkező és megsemmisülő részecskék keltik, léha habpartikat idéző felbukkanása pedig legfeljebb csak jövőbeli filmekben várható.

Mi áll belőle?

A Csillagok közötthöz hasonló filmek kapcsán leginkább azt szokták vizsgálni, hogy legalább körvonalaikban mennyire tudományosak – ebben az esetben leginkább azt érdemes megnézni, mennyi maradt meg az eredeti Thorne-féle vízióból (dacára annak, hogy a film nem csak az ő megfontolásait hasznosítja). Jelen esetben nagyon is sok, amikor pedig a rendező a költői-alkotói szabadság jegyé­ben a fantáziáját vette elő, akkor is a jeles fizikus gondolatait használta trambulin gyanánt. Ezek nyomán úgy kell vélnünk, hogy a fekete lyukak viselkedésében, az eseményhorizont és annak tulajdonságainak felvázolásában nem nagyon találunk kivetnivalót – az már részben a költői fantázia része, hogy egy ilyen szörnyű energiákat elnyelő objektum közelébe is lehetne utazni, hiszen az akkréciós korongból kilépő kemény röntgensugárzás darabokra szedné a hajót meg az utasait is. Amúgy meg a fizikusok szerint egy ilyen szupermasszív fekete lyuk (a filmben Gargantua) eseményhorizontján paradox módon úgy lehet áthatolni, hogy észre sem vesszük – ezzel szemben egy kisebb tömegű fekete lyuk gravitációs árapályhatása már ennek közelében is spagettit csinálna az űrhajóból.

Az óriási gravitációs tömegek (mint a szupermasszív fekete lyukak) közelében fellépő relativisztikus jelenségek (például az, hogy ott az órák a külső megfigyelő szempontjából nézve lassabban járnak) szintén jól ismertek az általános relativitáselméletből. Az említett bolygón körbejáró óriáshullám tulajdonságai már nagyobb vitát váltottak ki a filmeket fizikus-szemmel nézők körében – annyi bizonyos, hogy az efféle mozgó víztömegek tulajdonságaiból van még mit tanulnunk, s ez akár létkérdés lehet számunkra is. A nagyobb tömegű égitestek gravitációs csúzliként való felhasználása ismert stratégia a mai űrhajózásban is (egy szupermasszív fekete lyukat viszont még sosem fogtak e szempontból munkába). A tér-idő hurkok, féregjáratok feltételezése alapvető helyet foglal el Thorne életművében – az, hogy a féregjárat nem holmi lyuk, hanem afféle gravitációs lencse, amely a túloldalán található világok képét is megmutatja, szintén a tudományos fantázia terméke.

Az ötdimenziós tér felvázolása és a négydimenziós hiperkocka (avagy tesszerakt) filmbéli ábrázolása tisztán Christopher Nolan ötlete, megvalósítása még a fizikust is lenyűgözte. Elméletileg ilyen bónusz dimenziók megléte esetén a világok közötti közlekedés kissé egyszerűbb volna, mint nálunk, a téridő (az időt is beleszámolva) négydimenziós metszetében kevesebb dimenzió híján marad a tömegközlekedés. Az már sokkal neccesebb, és szintén a szabad rendezői képzelet birodalmába tartozik, hogyan is lehetne a bónusz dimenziós világból hazaüzenni az eddig még soha nem detektált gravitációs hullámok segítségével, de hát tudjuk: valahogy E. T. is hazatelefonált. Magát Thorne-t leginkább a jeges, rideg bolygót körülvevő, minden fizikai törvényt semmibe vevő fagyott, masszív felhők borították ki, de a megvalósítás művészi igénye ezúttal is levette a lábáról korunk egyik legfontosabb éceszgéberét.