Hogyan keressnk freglyukakat?
Fekete lyukakat manapsg mr "knny" tallni, hiszen gravitcis hatsukon kvl egyb jelekkel - pldul kifvsok, akkrcis korongok - is elruljk magukat. De hogyan ismerjk fel a freglyukakat?
Br a fekete lyukak ltezsnek lehetsge mr Laplace munkiban (Exposition du Systeme du Monde, II. 305 [1789]; Allgemeine geographische Ephemeriden, 603 [1799], magyar fordtsa: Fizika 1978, 273. o.) is felmerlt, nhny vtizeddel ezelttig ezek az egzotikus objektumok csupn elmleti fizikusok szk krnek matematikai "jtkszerei" voltak. Az szlelsi s detektlsi technikk rohamos fejldsnek ksznheten azonban ma mr ltalnosan elfogadott, hogy sok galaxis kzpontjban tbb milli naptmeg fekete lyuk foglal helyet, illetve az, hogy bizonyos tmeghatr feletti csillagok fejldsnek vgllomsa is ilyen – igaz, az elbbinl nagysgrendekkel kisebb tmeg – objektum. A fekete lyukak a krnyezetkre gyakorolt gravitcis hatsuk, az ltaluk gerjeszett rszecskesugrzsok, anyagkifvsok (jetek), illetve a krlttk lv anyagbefogsi korongok rvn ismerhetk fel.

Freglyuk, ahogyan a legtbb (tudomnyos) fantasztikus filmben elkpzelik.
[www.universetoday.com]
A freglyukak a fekete lyukakhoz hasonlan szintn az ltalnos relativits elmletbl kvetkez matematikai (topolgiai) objektumok, melyek a trid kt, esetenknt egymstl tvoli pontjt ktik ssze alagtszeren. Az elkpzels Hermann Weyl nmet matematikustl, mg az elnevezs John Wheeler amerikai fizikustl szrmazik, s azon az analgin alapszik, hogy egy freg (kukac) is jelentsen lervidtheti tjt egy alma kt pontja kztt, ha nem az alma felletn jut el A-bl B-be, hanem trgja magt a gymlcsn. A freglyuk szjai kzelben a trid elkezd grblni, a maximlis grbletet a szjakat sszekt torokban ri el. A freglyukaknak tbb fajtja kpzelhet el. sszekthetik ugyanannak az univerzumnak kt pontjt, de funkcionlhatnak kt prhuzamos univerzum kztti "kapuknt" is. Ez utbbiakat gyakran Schwarzschild-fle freglyukaknak vagy Einstein-Rosen hidaknak is hvjk. Ha a freglyuk tjrhat (traversable), akkor a torkon keresztl anyag juthat t az egyik szjbl a msikba. A legtbb, az tjrhatsgot megenged matematikai megolds felttele egy hipotetikus anyagforma (exotic matter) ltezse is a torok kzvetlen krnyezetben, amelynek negatv az energiasrsge.
A fekete lyukaktl eltren a freglyukak ltezsre ma mg nincs szlelsi bizonytk. Alexander Shatskiy, a moszkvai Lebegyev Fizikai Intzet munkatrsa felvzolt egy elkpzelst, hogyan lehetne ezen objektumok hatst megfigyelni, illetve hogyan lehetne megklnbztetni ket a fekete lyukaktl.

A freglyukak a trid kt, egymstl egybknt tvoli A s B pontjt kthetik ssze.
[www.universetoday.com nyomn]
A freglyukak legjellemzbb rsze az tjr, a torok, melynek kzelben a trid grblete nagyon nagy, elri a hasonl tmeg fekete lyukak n. esemnyhorizontja krli grblett. Az esemnyhorizont az a hatr egy fekete lyuk krl, amelyen belli esemnyek mr nincsenek hatssal a klvilgra. Az esemnyhorizonton bellrl indult fnysugr soha nem tud kijutni onnan, illetve az esemnyhorizontot kvlrl tlp dolgok vgleg elvesznek a klvilg szmra. A fekete lyuk s a freglyuk kztti legfontosabb klnbsg, hogy az utbbinak nincs esemnyhorizontja.
Ha anyagi rszecskk t tudnak jutni a freglyukon, akkor a fny, illetve brmely elektromgneses sugrzs is. Ezen alapul Shatskiy mdszere, akinek vizsglatai szerint egy egyenletes felleti intenzitst produkl forrsbl tjutott elektromgneses sugrzs intenzitsnak a msik oldali szj krl jellegzetes szg szerinti eloszlsa van. A szln, a freglyuk szjnak megfelel tvolsgnl nagy, a kzepe fel egyre cskken az intenzits, a centrumban, azaz a freglyuk tengelyben pedig minimlis, fggetlenl a sugrzs hullmhossztl. Azaz a megfigyel a freglyuk krl egy fnygyrt lthatna, aminek kls szle les, bels szle pedig fokozatosan halvnyul. A tengely irnyban tlthatna a freglyukon, s akr csillagokat figyelhetne meg az univerzum norml tartomnyaibl.

Freglyukon tjut fotonok szg, illetve a h tkzsi paramter szerinti eloszlsa. Az tkzsi paramter a foton beessi irnynak a freglyuk tengelytl mrt tvolsga.
[Alexander Shatskiy]
A freglyukak ltal generlt sugrzsi gyrk megfigyelse ma mg nem lehetsges, ehhez a maiaknl lnyegesen jobb felbonts rdiinterferomterek kellennek, melyekkel rszletesen lehet tanulmnyozni olyan extrm terleteket, pldul galaxismagokat, ahol elssorban lehet szmtani freglyukak felbukkansra.
Termszetesen nem szabad elfelejtkeznnk arrl, hogy a freglyukak ltezsnek elmleti lehetsge mg nem jelenti azt, hogy valjban is lteznek. De ha lteznek is, valsznleg nagyon instabil kpzdmnyek, gy felhasznlsuk brmilyen tr- vagy idbeli utazsra egyelre a fikcik krbe soroland...
Lyukak a tridben
Az Einstein-fle ltalnos relativitselmletnek szmos, a jzan sz szmra meghkkent kvetkezmnye van. Kzlk is taln a legbizarrabbak az gynevezett freglyukak: olyan „alagutak” a tridben, amelyek kapcsolatot teremtenek kt klnll vilg vagy a mi vilgunk kt tvoli pontja kztt. Nemrg egy orosz elmleti fizikus olyan tjrhat freglyukak ltezsnek lehetsgrl szmolt be, amelyek kellen stabilak s elg nagyok is ahhoz, hogy rajtuk keresztl akr intergalaktikus kapcsolatot ltestsnk...
A freglyukak szmos paradoxonra vezetnnek (egyebek kztt lehetv teszik az idutazst!), ezrt a fizikusok nagy tbbsge az Einstein-fle tregyenletek olyan tisztn matematikai megoldsnak tekinti ket, amely a valsgban nem ltezhet. A kutatk egy kisebb, merszebb hnyada ebbl nmileg engedve gy vli, hogy kvantumos szinten, a vkuumfluktucikhoz hasonlan keletkezhetnek olyan „kvantumfreglyukak”, amelyek rendkvl rvid idre ugranak el a „semmibl”, majd jra eltnnek. Szergej V. Krasnyikov, a Szentptervr melletti Pulkovi Obszervatrium elmleti fizikusa egy nemzetkzi konferencin nemrg olyan eredmnyrl szmolt be, amely mg ezen is tllp: makroszkopikus mret, stabil freglyukak ltezsnek lehetsgt vzolja fel. A kutat szerint „pteni” mg nem tudnnk ilyeneket, m kell gyessggel a nyomukra bukkanhatnnk a Vilgegyetemben.
Mindez tl fantasztikus ahhoz, hogy igaz legyen? Mieltt egy legyintssel flredobnnk, szellemi kalandnak sem utols, hogy kzelebbrl megismerkedjnk ezekkel a furcsa tridalagutakkal s az tjrhat freglyukak nyjtotta lehetsgekkel.
Gidres-gdrs trid
Az Einstein-fle ltalnos relativitselmlet szerint a trid nem nmagban adott, az anyagtl fggetlenl ltez dolog, hanem szerkezett a benne lv anyag hatrozza meg. Az elmlet szmzi a tmegek kzt hat gravitcis ert, s a testek mozgst a tmegek (az anyag eloszlsa) ltal meggrbtett tridben lehetsges szabad mozgsokkal rja le. Egy hagyomnyosnak tekinthet hasonlat a tridt kifesztett gumilepedvel szemllteti, amely a belje helyezett tmegek alatt tbb-kevsb behorpad, a testek pedig az gy kialakul, gravitcis gdrkkel teli tridben gy mozognak, mint az elgurtott golyk.
 |
1. bra. A tmegek meggrbtik maguk krl a tridt
|
Mivel ngydimenzis – hrom tr- s egy iddimenzis – vilgunkat nem igazn tudjuk jl lerajzolni, az 1. brn egy begyazsi diagramot lthatunk: ez kt trdimenzi elhagysa utn visszamarad ktdimenzis grblt fellet hrom dimenziba begyazott kpe, amely szemmel lthatlag ppen olyan, mint az emltett gumileped egy rszlete. Lthat, hogy a tmegektl tvol, ahol a trid gyakorlatilag sknak tekinthet, a goly egyenesen gurul (a), mg a tmegek kzelben plyja elgrbl (b). Megfelel sebessg esetn a goly a gdr lejtjn krbefut krplyra is llhat (c) – gy alakulnak ki pldul a Naprendszer stabil bolygplyi. Ha a goly sebessge ehhez kevs, akkor bezuhan a gdrbe.
Az ltalnos relativitselmletben a tmegek tridgrbt hatst az Einstein-fle tregyenletek adjk meg. Mr 1916-ban, kzvetlenl azutn, hogy Einstein kzztette ket, Karl Schwarzschild nmet csillagsz megtallta a tregyenletek els, matematikailag szigoran pontos megoldst egy gmbszimmetrikus, nem forg test esetben. Csaknem msfl vtized mlva, amikor Einstein s Nathan Rosen nagyon gondosan megvizsglta a Schwarzschild-megoldst, megrz felfedezst tettek.
Eredmnyk megrtshez nzznk egy csillagot, amely mr minden nukleris tzelanyagt elfogyasztotta, s gravitcis sszeomlsba kezdett. A kollapszus sorn a csillag krl a trid egyre grbltebb vlik.
Fekete, fehr, igen, nem?
Ha az sszeroskad csillag tmege tbbszrsen meghaladja a Napt, akkor az sszehzds addig folytatdik, mg a lyuk tmrje nullra nem zsugorodik, s az anyagsrsg s vele a trid grblete vgtelenre n. A tridben gy kialakul szingularits az gynevezett fekete lyuk, amely minden belje kerl anyagot vgleg elnyel (mg a fnyt is). A fekete lyukhoz kzeled anyag akkor „tnik el” a vilgbl, amikor tlpi az gynevezett esemnyhorizontot: ez az a fellet, amelyen bellrl mr lehetetetlen kapcsolatot teremteni a klvilggal. (Ez legfeljebb a fnynl nagyobb sebessggel volna lehetsges, az viszont – szintn a relativitselmlet szerint – nem lphet t.) Gumilepeds hasonlatunkhoz (s az 1. brhoz) visszatrve mindez olyan, mintha a leped anyaga nem volna tkletesen rugalmas, s a tl nagy terhels hatsra kilyukadna (d).
Az igazn megrz felismers azonban mg htravan. Matematikailag ugyanis a megolds itt korntsem r vget: a szingularitson tlpve a tr grblete jra cskkenni kezd, s az egyre blsd cs vgl jra kinylik. Ennl a nylsnl azonban ppen a fordtottja trtnik mindannak, amit a fekete lyuknl lthattunk, mivel itt az anyag csakis kifel ramlik: fehr lyuk jn ltre, amelynek torkbl llandan anyag s energia lvell ki. Az gy kialakul bonyolult geometrij szerkezet a 2. brn lthat freglyuk, ms nven Einstein–Rosen-hd.
 |
2. bra. A freglyuk kt klnbz vilgot,
vagy ugyanazon vilg
kt tvoli pontjt ktheti ssze
|
De mit kapcsol ssze ez a hd? Matematikailag kt lehetsg knlkozik: kt klnll vilgot vagy egyazon vilg kt tvoles tartomnyt. Szmunkra taln az utbbi mg meghkkentbb, mert gy ltszlag nincs akadlya annak, hogy egy ilyen freglyukon t hipp-hopp, tcssszunk a vilg egyik pontjbl egy tvoli msikba. „Szerencsre” van egy bkken: ahhoz, hogy ezt megtegyk, keresztl kell haladnunk a szingularitson, azaz a trid vgtelen grblet s anyagsrsg tartomnyn, ami hatatlanul vgzetes kvetkezmnyekkel jrna. (Tegyk hozz, nem csak ez a baj. Gondosabb elemzssel kimutathat: a szingularits olyan termszet, hogy ezt az utat nemhogy egy rhajs, hanem mg egy klasszikus elemi rszecske sem tehetn meg, ehhez ugyanis bizonyos szakaszokon a fnyt meghalad sebessggel kellene haladnia.)
De vajon ltezik-e mindez a valsgban? Nos, a fekete lyukak ltezst az eddig felhalmozott bizonytkok tkrben ma mr szinte senki sem vonja ktsgbe, st, a legjabb rntgenmholdak tzetesen vizsgljk a kzvetlen krnyezetkben vgbemen folyamatokat. Fehr lyukak jelenltre azonban egyelre nincs semmifle bizonytk. (Igaz, ismeretesek olyan risi energiafelszabadulssal jr jelensgek – pldul a nagy energij gamma-kitrsek –, amelyek bizonyos elkpzelsek szerint ppen a fehr lyukakkal magyarzhatk.)
tjrhat freglyuk
A Schwarzschild-megolds, mint emltettk, a trid geometrijt egy gmbszimmetrikus, nem forg tmeg krl rja le. Ez idealizlt eset, mivel a valsgos csillagok forognak, s (rszben ezrt is) nem tkletesen gmbszimmetrikusak. Roy P. Kerr 1963-ban tallta meg a tregyenleteknek azt a megoldst, amely figyelembe veszi a tmegek forgst is. A Kerr-megolds tridszerkezete mr annyira bonyolult, hogy nem rajzolhatjuk ide, br termszetesen ennek is ltezik a hozzrtk szmra egyrtelm eligazodst nyjt brzolsa, az gynevezett Penrose-diagram. Ez msfajta tridtrkp, amely nagyjbl gy viszonyul az eddig bemutatott begyazdiagramokhoz, mint a skatlasz a fldgmbhz. A Penrose-diagramon nyomon kvethet a forg fekete lyuk esemnyhorizontjn bellre zuhan rhajs tovbbi sorsa.
Kip Thorne 1985-ben olyan megoldst tallt, amelyben megkerlhet a szingularits, s az utazt nem ri utol baljs vgzete. rdekessgknt idekvnkozik, hogy a kutat bartjnak s professzortrsnak, Carl Sagannak a krsre ltott a munkhoz, akinek Kapcsolat cm mvben a hsnnek (a megfilmestett vltozatban Jodie Foster jtszotta) igen rvid id alatt kell eljutnia a Fldrl a Vega csillag rendszerbe.
A Thorne ltal tallt tjrhat freglyuknak „csupn” egyetlen szpsghibja volt: ahhoz, hogy a bejratai stabilan nyitva maradjanak, a belsejben negatv energiasrsg anyagnak kellett lennie, amely negatv tridgrbletet hoz ltre, s pldul a fnyt nem maga fel, hanem ppen az ellenkez irnyba grbti. Ilyen egzotikus anyag egyelre nem ismeretes, br az elektromgneses tr vkuumfluktuciiban tmenetileg nha kialakul effle llapot.
 |
3. bra. A kvantumhab
|
Krds, hogy ha felfedeznnk s netn el is lltannk ilyen egzotikus anyagot, akkor pthetnnk-e tjrhat freglyukat. Megoldst a kvantumfizika gr. Alkalmasan kis lptkben ugyanis a Vilgegyetemben is rvnyesl a Heisenberg-fle hatrozatlansgi relci. Kvantumszinten ezrt a vkuumot gynevezett kvantumhab tlti ki (3. bra), amelyben a hatrozatlansgi relci ltal megszabott rvid idre fekete-fehr lyukprok s freglyukak ugorhatnak el a semmibl, majd tnhetnek el, ahhoz hasonlan, ahogy az elektromgneses vkuumban a fotonok s az elektron-pozitron prok teszik. Feltve, hogy egy ilyen elugr freglyuk torkba valami mdon egzotikus anyagot tudnnk tmni, stabilizlhatnnk, majd egyre nagyobbra pumplhatnnk.Krasnyikov eredmnye ppen ezen a ponton kapcsoldik a trtnethez. A freglyuk fenntartshoz s felpumplshoz szksges egzotikus anyagot ugyanis a kutat szmtsai szerint maga a freglyuk is ltrehozhatja, pontosabban a krltte kialakul, negatv grblet tridszerkezet vkuumfluktucii termelhetik egy nmagt erst folyamatban. Eszerint teht van lehetsg tjrhat freglyuk kialakulsra.
Az idgp
Ha viszont ltezhet elg nagy mret, tjrhat freglyuk, akkor az Thorne szerint idgpknt mkdhet. Gondolatksrlete nyomn kpzeljk el, hogy a freglyuk egyik szja a professzor nappalijban, a m-
sik pedig a kertben ll rhajban van, amellyel felesge, Carolee kisebb rutazsra indul. Az rhajt relativisztikus sebessgre gyorstja, majd egynapnyi utazs utn visszafordul, s jabb egy nap elteltvel hzuk kertjben landol. A professzor a kettjket sszekt freglyukon tnzve azonnal ltja ezt, s a kertbe siet, hogy dvzlje nejt. Igen m, de az rhajt nem tallja ott! Caro-
lee rja ugyanis az rhajban a relativisztikus sebessg miatt sokkal lassbb temben jr, s a nla eltelt 2 nap a professzor rja szerint 5 v. Thorne teht csak 5 v mlva tallja a kertben az rhajt s felesgt (aki ekzben mit sem, vagyis mindssze 2 napot regedett). Az utazs kezdettl a befejezsig a lyuk egyik szjnl 2 nap, a msiknl 5 v telt el, mikzben a lyukon keresztl brmikor tbjhatnak egymshoz, azaz t ven bell tetszlegesen „ugrlhatnak” az idben! Hogy ez ksz rlet? Igen, egyike azoknak a kptelen idparadoxonoknak, amelyeket nagyon jl ismernk a tudomnyos-fantasztikus irodalombl.
Amikor Thorne ltta, hogy az tjrhat freglyuk elvben megteremten az idutazs lehetsgt, azonnal keresni kezdte, milyen fizikai trvny lphetne kzbe, amely megakadlyozn az idgp mkdtetst. Olyan mechanizmust keresett, amely sztrombolja a freglyukat, mg mieltt az mkdsbe lpne. Az eredmny azonban meglehetsen sovny volt, s csupn azt a lehetsget hagyta, hogy bizonyos kvantumgravitcis vkuumfluktucik annyira flersdhetnek, hogy leromboljk a freglyukat. A kvantumgravitci elmlete viszont egyelre annyira kidolgozatlan, hogy az erre alapozott rvels nem tl meggyz.
A kronolgiavdelmi elv
Mindebbl gy tnik, a fizika trvnyei lehetv teszik olyan freglyuk kialakulst, amelyen „keresztl” idgpet mkdtethetnk. Annyit azrt vegynk szre, hogy ez az idgp, legalbbis az egyik irnyban, csak korltozott utazst tesz lehetv: az idgp megalkotsa eltti idkbe mg gy sem juthatnnk vissza. gy az a paradoxon, hogy az idben visszaugorva az idgp feltallja megli nmagt, mg mieltt a gpet feltalln, itt nem alakul ki. rott trtnelmnket teht – legalbbis „az els idgp eltti korokra” – nem kell trni. Ez azonban legfeljebb a trtnszek szmra lehet megnyugtat...
A fizikus, ha vgkpp nem tud megbirkzni egy ellentmondssal, elbb-utbb felllt egy olyan ltalnos elvet, amely lehetetlenn teszi az ellentmonds megvalsulst. J plda erre a termodinamika msodik fttele, amely egyik megfogalmazsban a msodfaj rkmozg (perpetuum mobile) megpthetetlensgt mondja ki. (Ez, persze, nem akadlyozza meg a lelkes feltallkat abban, hogy jabb s jabb rkmozgk tletvel lljanak el.) Vajon nem lehetne ennek mintjra azt is kimondani, hogy mrpedig idgp nem pthet? Ez az axima egy csapsra megoldan a problmt, radsul olyan ltalnos rendezelvv vlhatna, amely segtene kirostlni a mskpp ki nem zrhat, de ellentmondsra, paradoxonra vezet lehetsgeket. Itt nem csupn az idutazsra kell gondolnunk, hanem szmos, mg kiforratlan rszecskefizikai s kozmolgiai modellre, nem is szlva a kvantumgravitci elmletnek teljesen ingovnyos terletrl.
Kimondhat ilyen elv. Nem ltezhetne a termszettudomny (st ember sem!), s teljes koszba fulladna a vilg, ha nem rvnyeslne benne az oksg elve. Minden eddigi tapasztalat arra mutat (s ezt bizonyos szmtsok is altmasztjk), hogy a Vilgegyetemben mkdik egy ltalnos rvny trvnyszersg, az gynevezett kronolgiavdelmi elv. Ez, miknt a neve is mutatja, sosem engedi felborulni a dolgok ok-okozati sorrendjt. Ha valakit netn a tudomny minden eddig felgylemlett tapasztalata sem gyz meg errl, akkor mr csupn Stephen Hawkingnak, korunk legnagyobb l kozmolgusnak szellemes rvelsre hivatkozhatunk. Szerinte ugyanis mi sem bizonytja jobban ennek az elvnek az rvnyeslst, mint az a tny, hogy eddig mg nem znltt el bennnket a jvbl rkez turistk hada...
|