Gravitáció és lépték függés

Sem Newton, sem Einstein gravitáció elmélete nem tartalmaz lépték függést, tehát ha egy rendszert kicsinyítünk, vagy nagyítunk, semmilyen változást nem kellene tapasztalnunk, azaz a Világegyetem olyan lenne, mint egy fraktál, önhasonló.

Ha a Föld-Hold rendszert felnagyítom, a Föld és a Hold közt ható gravitációs erő kisebb lesz, ezért a Hold messzebb fog keringeni a Földtől. Az árapály erők viszont valószínűleg nem lesznek ugyanazok, tehát a Föld forgásának lassulása kisebb lesz, és a Hold is kisebb ütemben fog távolodni. Az egyenletek alapvető formája azonban nem függ a vizsgált rendszer nagyságától. Az egyenletek a testek egymáshoz képesti elhelyezkedését képezik le, és nem tartalmaznak az abszolút nagyságra vonatkozó tagot.

A valóság azonban teljesen más: egészen mást tapasztalunk kis-, és mást látunk nagy méretekben. Mikroszkopikus szinten a gravitáció annyival kisebb a többi erőnél, hogy itt nincs szerepe a struktúrák kialakításában. Úgy tűnik, a következő lépés a méretskálán a bolygó méret. Ezen a skálán van egy bolygó, és vannak a bolygó felszínén mozgó testek, ezek a kétdimenziós felületen gyakorlatilag korlátlanul mozoghatnak (a súrlódás fékezi csak őket), de a harmadik dimenzióban való mozgás már eszközöket, például rakétát igényel.

Megint egész más a rendszer, ha növeljük a léptéket, ez a szint a bolygó-hold szint. Ezen a szinten van egy központi bolygó, ami körül kör, vagy ellipszis pályán keringenek a műholdak, vagy a természetes holdak. Ez a mozgás az előbbivel ellentétben egydimenziós. Bár természetesen maguk a pályák háromdimenziós térben vannak, de egy hold mozgása leírható a pályája mentén elfoglalt pozíció változásával, ehhez pedig egy dimenzió is elég. Érdekes kérdés lenne annak vizsgálat, hogy vannak-e saját kísérővel rendelkező holdak. Vagyis ezen a skálán két összetevős rendszerek vannak, bolygók, és körülötte a holdak, nincs egy harmadik, vagy további szint. Érdekes lenne egy olyan összeállítás, ami nagyon sok szintet tartalmazna, tehát a bolygónak lennének holdjai, azoknak is lennének holdjai, és így tovább. Vajon miért nem látunk ilyen szerkezeteket?

A Föld-Hold rendszer, bolygó és kísérő

Föld-Hold

forrás: solarsystem.nasa.gov

A következő skála fokozat, a naprendszer szint, ez tulajdonképpen az előbb tárgyalt többszörös (ebben az esetben három összetevős) rendszer. Van egy domináns központi csillag, körülötte bolygók, azok körül holdak. Szintén egydimenziós mozgásról beszélhetünk, a fent leírt értelemben. Itt sem találunk összetettebb rendszereket, tehát nincs olyan, hogy középen egy gigantikus csillag, a körül kisebb csillagok, azok körül bolygók, végül pedig azok körül holdak, amik körül szintén ott keringenek a kísérőik. Hogy miért nincsenek ilyen rendszerek, nem tudom.

A Naprendszer, egy központi csillag, körülötte a bolygók

Naprendszer

forrás: Wikipedia

És most jön az első érdekes ugrás a skálán, a galaktikus szint. Ezen a szinten van egy középső domináns objektum, talán egy szupermasszív fekete lyuk, és minden csillag a galaxisban e körül kering. Nincsen egyéb belső struktúra, csak a spirálkarok. Hogy ezek miért léteznek, kérdés. Vannak ugyan csillagtömörülések, de ezek is közösen vesznek részt a spirálkarokkal együtt a galaxis forgásában. Tehát ez a rendszer ekvivalens azzal, amikor csak egy csillag van a középpontban. A mozgás ezen a szinten is körmozgás, egydimenziósnak tekinthető szintén.

A Messier 101, egy klasszikus spirálgalaxis

Naprendszer

forrás: Royal Astronomical Society

Nagyon furcsa, hogy minden egyes csillag a galaxis középpontja körül kering, még a központtól igen távol lévő csillagok sem alakítanak kis saját struktúrákat a környező csillagtársaikkal, a központ annyira domináns szerepet visz, hogy nem enged semmilyen más struktúrát kialakulni.

Ezen a szinten lép fel a mai tudomány egyik nagy rejtélye, az úgynevezett sötét anyag. A galaxisok ugyanis merev testként forognak, és nem úgy, ahogy egy naprendszerben a bolygók. A sötét anyagnak eddig nem sikerült a nyomára bukkanni, csak a gravitációs hatása érezhető. Valószínűleg nincs is ilyen anyag, és a galaxisokban tapasztalt viselkedés oka az, hogy a gravitáció nem skálafüggetlen, és ezen a skála szinten egész másként viselkedik. Itt már sem Newton, sem Einstein gravitáció elmélete nem érvényes.

A következő szint nem annyira érdekes, ez a galaxis halmaz szint. Itt nem tudjuk igazán, hogyan mozognak a rendszerek tagjai, annyit tudunk csak, hogy a galaxishalmazokat valami összetartja, és ezt jelenleg szintén a sötét anyag számlájára írják.

Megint lépünk egy nagyot: ez már a táguló Világegyetem szintje. Ezen a skálán azt tapasztaljuk, hogy minden galaxis távolodik minden másik galaxistól, ezt már végképp nem írja le a hagyományos gravitáció-elmélet, hiszen ez nem tartalmaz taszító kölcsönhatást, itt pedig ilyen erőről van szó. Ezért vezették be a tudósok a mai fizika második fekete bárányát, a sötét energiát. Erről sem tudunk egyelőre semmit, valószínű, hogy ez sem létezik, és talán a gravitáció egy igen nagy léptékben megmutatkozó, taszító jellegű tulajdonságáról van szó. Persze ezt nagyon könnyű kijelenteni, jelenleg semmilyen módszert nem tudok arra mondani, hogy ezt az állítást miképp lehetne ellenőrizni. Változás van viszont a mozgás jellegében, a körmozgás helyett egyenes vonalú, gyorsuló mozgásról van szó, érdekes, hogy ez is leírható egydimenziós mozgásként, minden galaxis egy egyenes mentés mozogva távolodik a többitől.

Most pedig lépjük meg az utolsó szintet, amiről még ismereteink vannak, ennél nagyobb skálát egyszerűen nem észlelhetünk, tehát erről még elképzelésünk sem lehet, lehet, hogy komplett univerzumok keringenek egymás körül, lehet, hogy ezek is távolodnak egymástól, lehet, hogy itt már kinyílik a tér egy újabb dimenziója, ezek már csak gondolatok, fantáziák, sajnos ennél messzebbre nem láthatunk. Az utolsó még észlelhető szint viszont rendkívül érdekes. Aki már látott a Világegyetem nagyléptékű szerkezetéről készült modellt, annak valószínűleg, mint nekem is, igencsak elkerekedett a szeme, amikor meglátta azokat a több milliárd fényév hosszú szálakat, filamenteket.

Nemcsak gyönyörűek ezek az óriási struktúrák, de egyben az Ősrobbanás elmélet megkérdőjelezését is láthatjuk bennük. Hogyan is alakulhattak ki ezek a gigantikus szálak 13.8 milliárd év alatt? Nagyon furcsa, hogy a kozmológusok mennyire szorgoskodnak azon, hogy az inflációs elmélettel megmagyarázzák a kozmosz simaságát, ugyanakkor semmit sem mondanak arról, hogy ezek az elképesztően finom szerkezetek hogyan alakulhattak ki. A világegyetem nagy léptékben egyáltalán nem sima, hanem hab-szerű, vagy inkább egymásba szőtt pókhálók rendszerére hasonlít. Ezek a már-már művészi hatású, és akár építményeknek is nevezhető struktúrák azt sugallják, hogy sok időre és szervező erőre volt szükség a kialakulásukhoz. Az Univerzum ezen a szinten egyáltalán nem kaotikus, sokkal inkább szépen tervezett és szervezett, és gondosan kivitelezett épületre hasonlít, mint a véletlen által kormányzott káoszra. Ezzel nem az intelligens tervezés elméletét szeretném ideidézni, mert az bár lehet, hogy igaz, de nem tudományos elmélet abban az értelemben, hogy sem igazolni, sem cáfolni nem lehet racionális, tudományos módszerekkel.

A Világegyetem nagyléptékű szerkezete már valóban fraktálszerű

Naprendszer

forrás: Popular Science - Sloan Digital Sky Survey

Mégis, a tudománynak valamit mondania kellene ezekről a jelenleg ismert legnagyobb struktúrákról, kialakulásukról, korukról és a Világegyetem életében betöltött szerepükről. Valamiért valószínűleg szükséges, hogy az Univerzum ezen a skálán ilyen pókhálószerű legyen, ezt lenne jó kideríteni. Az is nagyon érdekes, hogy a korábbi szintektől eltérően, itt nem tudjuk megmondani, hogy milyen mozgás van ezen a szinten. A tágulás valószínűleg növeli a szálak méretét, de úgy tűnik, hogy ettől eltekintve ez egy stabil, hosszú életű konstrukció. A szálak nem keringenek, inkább egy stabilan egymáshoz kapcsolt ácsolatnak tűnnek, mint dinamikusan változó struktúrának. Persze ez nyilván lehet félrevezető is, hiszen ezen a szinten a mozgások már lehetnek annyira lassúak, hogy számunkra észlelhetetlenek, és lehet, hogy csak egy több milliárd évig tartó filmfelvétel gyorsított lejátszása tudná megmutatni, hogy valójában mi is történik ezen a skálán.

Lehet, hogy a gravitáció viselkedik skála-függően, és ezen a szinten éppen az ilyen pókháló szerkezeteknek kedvez? Hogy ezt kideríthessük, valószínűleg alacsonyabb szinten kell kezdeni a vizsgálódást. Ha kiderülne, hogy a gravitáció törvényei mások mikroszkopikus, vagy annál valamivel nagyobb szinten, mint azt most gondoljuk, az elég ok lenne arra, hogy elfogadjuk a gravitáció skálafüggését és kidolgozhassuk azt a gravitációs törvényt, amivel megmagyarázhatnánk ezeket a rendkívül eltérő alakú és viselkedésű struktúrákat, amiket fentebb bemutattunk.

Mindenesetre a legmeglepőbb a gravitációval kapcsolatban az, hogy nem fraktál szerkezeteket állít elő, mint az elvárható lenne egy léptékfüggetlen törvénytől. Ahogy egy partvonalhoz egyre közelítve fraktálstruktúrákat láthatunk, a nagyobb mintázatok kicsiben is ismétlődnek, vagy legalábbis hasonlítanak egymásra, úgy kellene a naprendszereknek a galaxisokhoz és a filamentekhez, szálakhoz, vagy a habszerű nagyléptékű képződményekhez hasonlítaniuk. Hogy mindez nem így van, valószínűleg a tágulásnak és ma még ismeretlen erőtörvényeknek, vagy a gravitáció eddig még ismeretlen tulajdonságainak köszönhető, ami azt jelenti, hogy nagyon sok minden vár még felfedezésre és megismerésre. Amit ma tudunk, az közel sem elégséges az ismert rendeződések magyarázatához.

Sem Newton gravitációs törvénye, sem az általános relativitás-elmélet nem ad magyarázatot arra, hogy a gravitáció, ha lépték független, miért állít elő ennyiféle különböző struktúrát. Még a számítógépes szimulációk is csak akkor adnak a valósághoz hasonló szerkezeteket, ha figyelembe veszik a sötét anyag jelenlétét is.

Ezt az áttekintést egy első közelítésnek szántam, maga a téma sokkal alaposabb vizsgálódást igényelne, pontosabb tényeket kellene összeszedni a Naprendszerről, az eddig megismert külső bolygórendszerekről, gömbhalmazokról, galaxis halmazokról, az Univerzum nagyléptékű szerkezetéről, a holdakról és esetleges kísérőikről. Gyakorlatilag kellene egy igen pontos és részletes térkép az Univerzum objektumairól a holdaktól a teljes egész Univerzumig. Szükség lenne egy szimuláció lefuttatására, ami a háttérsugárzás finomstruktúrájának megfelelően elhelyezett tömegpont halmaz viselkedését vizsgálná természetesen csillagászati számosságú tömegponttal. Aztán ehhez kellene hozzáadni a tágulást, a gravitációs törvény különböző módosított formáit, a hipotetikus sötét anyagot és sötét energiát, és megnézni, hogy mi jön ki belőle. Mikor kapunk fraktál szerkezetet, és mikor jön ki az Univerzum ma ismert léptékfüggő struktúrája. Ez a szimuláció persze igen nagy számítási kapacitást igényelne.

Vannak azonban kisebb léptékű problémák, amik szintén megoldatlanok, és talán könnyebben meg lehetne birkózni velük, mint egy ekkora szimulációval.

Itt van mindjárt a Titius-Bode szabály, aminek a Naprendszer bolygói közelítőleg ugyan, de mégiscsak engedelmeskednek. Olyannyira, hogy az aszteroida-öv éppen ott van, ahol a szabály szerint egy bolygónak kellene lennie. Miért van egyáltalán bármilyen szabályosság a különböző bolygópályák elhelyezkedésében? Miért érvényes ez a szabály a kőzetbolygókra és a gázóriásokra egyaránt? Miért vannak a kőzetbolygók a Naphoz közelebb, míg a gázóriások távolabb? Külső naprendszerekben találtak gázóriásokat a napjukhoz igen közel is. Elvileg a bolygók méretének, típusának és elhelyezkedésének véletlenszerűnek kellene lennie, a gravitációs törvény csak azt mondja meg, hogy ellipszispályán mozogjon, valamint, hogy a pálya mérete és a bolygó keringési ideje, hogyan viszonyuljon egymáshoz. Ebből bármi kijöhetne, ebbe nincs belekódolva a Titius-Bode szabály.

Aztán ott van a Szaturnusz gyűrűje, és benne, holdak. Ha kialakulhattak holdak a gyűrű távolságában is, akkor miért nem állt össze a gyűrű nagyobb testté, vagy testekké. Ha viszont ilyen közel a Szaturnuszhoz a nagyobb testek szétesnek, akkor hogyan lehetnek ott mégis holdak?

Megoldandó probléma még a Kuyper-öv és az Oort-felhő létezése is. Miért nem álltak össze az itt keringő testek, aszteroidák, üstökösök bolygóvá? Számos törpebolygó létezik állítólag ebben a térségben. Ha ezek összeálltak, miért maradt itt még mindig ennyi törmelék?

És ami számomra a legnagyobb rejtélyt jelenti, az a forgás és a keringés eredete. A Naprendszer elődje, a por és gázfelhő miért nem tömörödött össze egyetlen nagy, nem forgó testté. Miért forog a Nap a tengelye körül? Miért keringenek a bolygók ugyanebben az irányban? Miért forog a Galaxis? Miért forog az össze galaxis? Vajon az egész Univerzum forog-e?

Megannyi kérdés, mind azt mutatja, hogy a gravitáció, bár nagyon régen ismert jelenség, mégsem mondhatjuk, hogy teljes egészében értjük. Inkább úgy kellene fogalmaznunk, hogy ma még egyáltalán nem értjük.

És amíg a gravitáció körül ennyi a nyitott kérdés, hogyan is akarhatnánk egyesíteni őt a többi kölcsönhatással. A Mindenség Egyesített Elmélete messzebb van, mint az általában a fizikusok gondolják, vagy szeretnék, és talán soha nem is lesz ilyen egységes elmélet.

Ami a legérdekesebb, az az, hogy talán nincs is szükség egy ilyen elméletre. Ez talán csak egy szép, de felesleges, értelmetlen, megvalósíthatatlan álom.

 

Nyíregyháza 2017. április 28. - 2020. június 4.