Fizikai Nobel-díj 2020

Einsteini koponya

Tudomány

Igazán illusztris társaság kapott a fekete lyukakkal kapcsolatos kutatásokért fizikai Nobel-díjat az idén – közöttük fele­részben Roger Penrose, a University of Oxford hérosza, a fizika és a matematika élő legendája.

Roger Penrose munkássága olyan gazdag, hogy nem lehetett könnyű egy konkrét felfedezésre rábökni – de úgy tűnik, a Nobel-díj-bizottság az idén mégis rátalált a fekete lyukakkal kapcsolatos áttörő jellegű tudományos eredményekre. Penrose talán legfontosabb tudományos eredménye pedig annak kimutatása volt (még 1965-ben!), hogy az általános relativitáselmélet egyenleteiből természetes módon következik a fekete lyukak létezésének szükségszerűsége.

A fizikai Nobel-díj másik felét továbbfelezték a döntnökök, így azután egynegyed-egynegyed arányban kapta az elismerést Reinhard Genzel (Max-Planck-Institut für extra­ter­restri­sche Physik és University of California), illetve Andrea Ghez (University of California). Ők a Tejútrendszer középpontjában helyet foglaló szuper nagy tömegű fekete lyuk felfedezéséhez vezető munkájukért kapták az elismerést (lásd keretes írásunkat!).

Az indoklás szerint Roger Penrose nevezetes, 1965-ös közleményében kivételesen ötletes matematikai módszerekkel bizonyította, hogy a fekete lyukak létezése közvetlen következménye Albert Einstein általános relativitáselméletének. Ne csodálkozzunk, hogy egy 55 éve született felfedezést díjazott a bizottság, amely gyakorta jutalmaz életműveket. A mostani döntés mintegy kanonizálta a jelen fekete lyukakra (is) koncentráló asztrofizikai, kozmológiai kutatásainak előzményeit és tudománytörténeti kontextusát, elismerve, hogy ezek még mindig jelentős részben a Penrose által lefektetett vágányon haladnak.

A fekete lyukakkal kapcsolatos egyik legjellemzőbb tudománytörténeti tény, hogy Einstein maga nem is hitt ezeknek az alig elképzelhető tömegű, még a fényt is örökre csapdába záró monstrumoknak a létezésében. Penrose éppen Einstein halála után tíz évvel bizonyította be, hogy a fekete lyukak valóban kialakulhatnak, és részletesen le is írta azok szerkezetét – nagyjából úgy, ahogy azt manapság is ismerni véljük. Kellős közepükben egy úgynevezett szingularitás bújik meg, ahol a fizika minden ismert törvénye érvényét veszti. A maga korában áttörést jelentő cikket még ma is az általános relativitáselmélet Einstein utáni egyik legfontosabb munkájának tartják.

Az 1931-ben született Roger Pen­rose angol, ír és pétervári orosz zsidó felmenőkkel bíró családból származik, testvérei közül Oliver szintén elméleti fizikus, Jonathan sakknagymester, míg nővére, Shirley (Hodgson), jeles genetikus. Egyetemi évei alatt és még később is tiszta matematikával foglalkozott, fontos eredményeket ért el a mátrixelméletben (matematikai értelemben a mátrix pusztán mennyiségek, például számok, függvények téglalap alakú elrendezése), de foglalkozott lehetetlen geometriájú objektumokkal is (mint az illusztrációként sokak által látott Penrose-háromszög). Végül az akkoriban éppen Cambridge-ben tanító kozmológus, Dennis Sciama biztatására fordult érdeklődése az asztrofizika felé.

 

Látszólag a semmiből

A sok szempontból extravagáns (a Csillagok között című filmbe is bedolgozó) amerikai elméleti fizikus, Kip Thorne szavaival élve Roger Penrose ettől kezdve forradalmasította azon matematikai eszközöket, amelyekkel képesek vagyunk elemezni a téridő tulajdonságait. Penrose radikális közelítése szerint el lehet tekinteni a téridő részletesebb geometriájának felvázolásától, elégséges egyfajta topológiát alkotni (ez a részterület a matematikai alakzatok folytonos deformációk közben is megmaradó tulajdonságaival foglalkozik), ami lehetővé teszi akár extrém fizikai szituációk elemzését is. Nevezetes cikke (Gravitációs összeomlás és téridő szingularitások, 1965) tanulságait tekintve túlmutat magán az elemzett helyzeten: azaz egy csillag robbanásszerű összeomlása egy bizonyos határon túl törvényszerűen vezet el a téridő szerkezetének átalakulásához. Ekkor már semmi sem gátolhatja meg, hogy gravitációs mezője olyan erőssé váljon, hogy létrejöjjön a szingularitás. Ez az eredmény egyben lehetővé tette nagyobb, kozmológiai léptékű események, így az ősrobbanás értelmezését is, ami utat nyitott Sciama legnevesebb tanítványával, Stephen Hawkinggal folytatott közös kutatásainak.

Penrose és Hawking mindenekelőtt azt igyekezett bizonyítani, hogyan keletkezhet anyag látszólag a semmiből. Közös eredményük, a nevezetes Penrose–Hawking-tétel azt állítja, hogy az Einstein által az általános relativitáselmélet keretében kidolgozott téregyenleteknek nincs olyan megoldásuk, amely ne tartalmazna szingularitást, azaz kizárhatná a fekete lyukak létét, illetve ne engedné meg a fizikai világ ősrobbanás általi keletkezését. Hawking értelmezése szerint Penrose eredeti elméletében az idő irányának megfordítása tágulást jelent, ami az ősrobbanás után jellemzi univerzumunkat. A közös munka persze nem zárta ki a későbbi vitákat sem: Penrose és Hawking között az egyesített kvantumgravitációs elmélet létrehozása tárgyában az elméleti fizika közelmúltjának legnevezetesebb disputái zajlottak, amelyeket 1996-ban könyvben (A tér és az idő természete) is kiadtak.

Penrose munkásságának most díjazott, kozmológiai-asztrofizikai természetű (egyik) főiránya mellett számtalan más területen is hozzájárult a tudomány fejlődéséhez – még ha kontribúciói némely területen vitatottak is. Matematikai munkásságát például nyugodtan nevezhetjük korszakalkotónak: az 1967-ben megalkotott tvisztorelmélete (erről szóló cikkeit adták ki először magyarul 1980-ban) a téridő alapjául szolgáló, magasabb dimenziós komplex térben működő, absztrakt geometriai alakzatokról szólt. Sokan hallottak Penrose topológiai munkásságáról is, így ő fedezte fel 1974-ben a róla elnevezett (Penrose-féle) csempézést, amely két különböző (klasszikusan „kövér” és „sovány” rombuszalakú) csempével aperiodikus (de tükör- és forgásszimmetriákkal bíró) módon fedi le a teljes síkot. Más kérdés, hogy azóta kiderült: hasonló minták fedezhetők fel az úgynevezett kvázikristályos anyagok elrendeződésében. Kulcsfontosságú volt a kvantummechanikában spinhálózatnak nevezett diagram megalkotása 1971-ben, ami lehetővé tette az elméleti fizika egyik legabsztraktabb ága, a hurok-kvantumgravitáció sajátos téridejének leírását.

 

Nagy bumm előtt

Penrose persze fel is tudta hergelni tudóstársait: a közelmúltban például úgy nyilatkozott, hogy a mikrohullámú kozmikus háttérsugárzás szerkezetéből levonható adatokból kiolvasható azon fekete lyukak helye is, amelyek még az ősrobbanás előtti anyagi világ (egy korábbi univerzum) létéről tanúskodnak. Az idő ciklusai című könyvében kifejti azt is, hogy az ősrobbanás valójában olyan finom átmenetet jelentett, amely lehetővé tette a megelőző világ túlélését. Penrose ennél is vitatottabb elképzeléseket fejtett ki az emberi tudat létrejötte tárgyában: A császár új elméje című, 1989-ben kiadott könyvében leírta, hogy az elméleti fizika törvényszerűségei szerinte elégtelenek az elme működésének, az emberi tudat kialakulásának megértéséhez. Penrose szerint az emberi elme nem algoritmikus elven lapul, így nincs az a mégoly komplex számítógép, amely idővel utánozhatná a működését. Ezzel ellentmondott a mesterséges intelligenciáról beszélők nézeteinek, akik – matematikusok, számítógéptudósok, filozófusok – sűrűn támadták is ezért. Penrose John Lucas oxfordi filozófussal közösen megalkotott érve Gödel nevezetes nemteljességi tételére támaszkodva zárta ki, hogy egy algoritmikus alapú logikai rendszer (mondjuk, egy számítógép) képes legyen reprodukálni az emberi értelem olyan vetületeit, mint például a matematikai gondolkodás és látásmód. Nézetei számos kritikával találkoztak, később maga is továbbfejlesztette elgondolásait. Ezek szerint az emberi tudat létrejötte az élő sejtekben található mikrotubulusokban (a sejtek legfőbb szerkezeti komponenseiben) létrejövő kvantumgravitációs effektusok (újabb elképzelései szerint kvantumvibrációk) eredménye. Ezek a mégoly vitatott gondolatai, amelyeket nagy sikerű, a tudomány-népszerűsítés műfajában is magas színvonalú könyveiben fejtett ki, maguk is hozzájárultak olyan határtudományok létrejöttéhez, fejlődéséhez, mint a kvantumjelenségek biológiai jelentőségével foglalkozó kvantumbiológia.

Lyuk van az ő közepén

A Reinhard Genzel német, illetve az Andrea Ghez amerikai asztrofizikusok által párhuzamosan vezetett kutatócsoportok az 1990-es évek elejétől kezdve összpontosították figyelmüket a galaxisunk középpontjában található Sagittarius A*-nak nevezett régióra, miközben a Tejútrendszer centrumának közelében keringő legfényesebb csillagok mozgását addig elképzelhetetlen pontossággal térképezték fel. Mindkét csoport arra az eredményre jutott, hogy a középpontban egy extrém nagy tömegű, de láthatatlan objektum foglal helyet, amelynek gravitációs hatására a csillagok szédítő sebességgel keringenek. Az eredmények szerint a Naprendszernél nem nagyobb térrészbe kb. 4 millió naptömeg összpontosul. A világ legnagyobb távcsöveit használva Genzel és Ghez olyan eljárásokat dolgoztak ki, amelyek segítségével átnézhettek a Tejútrendszer centrumát elrejtő csillagközi gáz- és porfelhőkön. Új módszereket fejlesztettek ki a földi légkör észleléseket zavaró hatásának csökkentésére, amelyek alapján egyedi műszereket építettek és használtak a mérések elvégzésére. Úttörő munkájuk, amelyért most Nobel-díjat kaptak, meggyőző bizonyítékot szolgáltatott arra, hogy a Tejútrendszer középpontját egy szuper nagy tömegű fekete lyuk uralja.

Neked ajánljuk