Ale czekaliśmy 100 lat, żeby móc zwrócić honor genialnemu fizykowi. Albert Einstein przewidział fale grawitacyjne w ogólnej teorii względności, jednak aż do tej pory ludzkość była zbyt technologicznie zacofana, aby móc potwierdzić przewidywania Austriaka. W marcu 2016 roku naukowcy z obserwatorium LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), obiektu stworzonego specjalnie po to, aby wykryć fale grawitacyjne, udało się wykryć zmarszczki w czasoprzestrzeni. Brrrr, to czasoprzestrzeń ma zmarszczki? Poleciłbym jakiś krem, ale właśnie w tym jej całe piękno; w tym także piękno teorii grawitacji Alberta Einsteina, że jest tak stara ;) Choć do tej pory nie wiemy tak naprawdę, czym jest czasoprzestrzeń, to potrafiliśmy wykryć jej zniekształcenia. To wspaniałe choć przewrotne, tak jak cała fizyka. Ale po kolei.
1. Kule, trampolina i grawitacja.
Doktoryzowanie się w kwestii czym jest grawitacja w ujęciu Einsteina zostawię panom z poważnych pism i uczelni. Dla naszego skromnego pojęcia wystarczy wyobrazić sobie uproszczony model.
Wyobraźmy sobie, że rozpinamy bardzo cienki materiał, trochę sprężynujący, na dość sporej trampolinie ogrodowej. Na pewno dopiero co wróciliście z ogrodu, zlani potem i szczęśliwi do bólu, więc wiecie, o czym mówię ;) Teraz połóżmy na naszym okrągłym i lekko naciągniętym materiale dwie kule. Mogą być do kręgli, ale takie mniejsze. Skoro skaczecie na trampolinie, na pewno gracie też w kręgle ;) Od razu zauważymy, że materiał ugina się pod kulami, tworząc w miejscu ich przebywania wgłębienia. Na pewno też można będzie zaobserwować, jak kule zbliżają się do siebie poprzez ugięcie materiału. Jesteście sobie to w stanie wyobrazić? Brawo, właśnie, oczywiście w dużym skrócie, zrozumieliście teorię grawitacji Einsteina, ogólną teorię względności. A przynajmniej główną ideę jej działania.
2. Ogólnie to ogólna teoria względności jest prosta.
Dla bardzo ogólnego pojęcia, jak działa siła grawitacji w skali astronomicznej wystarczy przykład z kulami. Wyjaśnię to trochę bardziej szczegółowo.
Isaac Newton twierdził, że dwie masy działają na siebie siłą odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi. Oraz proporcjonalnie do iloczynu ich mas. Czyli - im cięższy obiekt, tym silniej działa SIŁĄ grawitacji (w jego teorii ważne jest pojęcie siły, stąd wołami podkreśliłem owo pojęcie, drodzy Tłukowie. Spokojnie. Ja też się do nich zaliczam, po prostu bardziej się obczytałem ;)) na obiekt drugi. Oraz, im dalej obiekty znajdują się od siebie w przestrzeni, tym siła jest słabsza.
To tak w skrócie. Jednak istotne jest, że Newton zakładał istnienie siły.
U Einsteina jest inaczej. Jego rewolucyjne podejście do grawitacji w skali astrofizycznej (W skali nano nie mamy teorii grawitacji; w obliczeniach przy bardzo małych odległościach jest ona pomijana jako bardzo słaba i nie mająca wpływu na prawidłowe wyliczenia, ale naukowcy pracują nad kwantową teorią grawitacji. Gdy powstanie, będzie olbrzymim przełomem) polega na tym, że wprowadził pojęcie czasoprzestrzeni. Czym ona jest? To trzy wymiary przestrzenne i jeden czasowy - całkowicie odmienny od wymiarów wskazujących na położenie, ale także składający się na czasoprzestrzeń. Definicji jest wiele, ale gdyby spróbować wytłumaczyć to Tłu... Laikowi, najprościej byłoby użyć sformułowania, jakie wyczytałem w książce Lee Smolina 'Three Roads To Quantum Gravity': jeśli cząstki elementarne i obiekty w czasoprzestrzeni to słowa, czasoprzestrzeń będzie zdaniem. Nie ma czasoprzestrzeni bez obiektów, ale obiektu muszą mieć jakiś kontekst, same litery także nie tworzą zdania.
Dlatego w czasoprzestrzeni muszą istnieć obiekty. Te obiekty mają masę, która... zagina czasoprzestrzeń. Tak jak kule na trampolinie ogrodowej. I właśnie owo zakrzywienie powoduje, że obiekty się do siebie zbliżają, po prostu tak wynika z naturalnej konsekwencji trajektorii ruchu, jaką implikuje ośrodek, w którym istnieją. Wpadają w swoiste leje, które same wytwarzają i stąd mamy np. piękny taniec planet w Układzie Słonecznym. Po prostu inaczej nie mogą się poruszać, bo swoją masą powodują zagięcie ośrodka, w którym się znajdują, i wykonują ruch, który jest jedynym możliwym. Nie działają żadne siły jak u Newtona. Ośrodek, czyli tajemnicza czasoprzestrzeń. Nie dość, że nie można jej dotknąć, to jeszcze ma wpleciony w siebie wymiar czasowy, który całkowicie burzy intuicyjne pojęcie o ośrodku, w którym coś może się poruszać. No, może nie wczasowym, bo tam, jak wiadomo, czas płynie inaczej. Jednakże na rozumienie, czym jest czasoprzestrzeń oraz o jej zakrzywieniu, bardzo mocno wpłynęło odkrycie z LIGO w 2016 roku.
3. A co na to LIGO?
Naukowcy z LIGO skonstruowali bardzo mocno zaawansowane technologicznie urządzenie, które wykryło zmarszczki w czasoprzestrzeni, przewidziane przez Einsteina 100 lat temu. Czym są i skąd się wzięły? Jeszcze szczypta teorii i wszystko będzie jasne. Wiemy już, że masywny obiekt zakrzywia czasoprzestrzeń. Logicznym wydaje się, że im masywniejszy, tym większe powoduje jej zagięcie. A co w wypadku, gdyby dwa ultra masywne obiekty... zderzyły się? I to tak około 1.3 miliarda lat temu? Brzmi niesamowicie? A siła tego uderzenia byłaby 50 razy silniejsza niż światło pochodzące z całego obserwowalnego Wszechświata! Wyobraźcie sobie, że wrzucacie olbrzymi kamień do wody. Tak, tak, fale rozchodzące się po wodzie mogą być analogią do fal grawitacyjnych (oczywiście niedoskonałą, bo dwuwymiarową), a kamień może być dwoma czarnymi dziurami, które zderzyły się z prędkością połowy prędkości światła. Fale mogą być także drganiami membrany na trampolinie ogrodowej, gdy z dużą siłą uderzy w nią kula do kręgli - zderzenie czarnych dziur. Fale grawitacyjne zarejestrowane 14.08.2015 (wyniki z detektora musiały być przetwarzane i analizowane, stąd data obwieszczenia odkrycia - dopiero 11.01.2016) w LIGO dotarły do Ziemi po 1.3 miliarda lat. A wykryło je urządzenie, które kosztowało miliard dolarów i pracowało przy nim 1000 naukowców.
4. Ale co to jest LIGO?
Jak wygląda LIGO? Są to dwa detektory, jeden znajdujący się stanie Waszyngton, drugi w Luizjanie. Każdy z nich wygląda jak olbrzymia litera L, z ramionami o długości 4 kilometrów. Wiązka lasera podróżuje w tę i z powrotem wzdłuż ramion, odbijana za pomocą specjalnych luster. Zegary atomowe mierzą czas, jak długo trwa podróż. W normalnych warunkach, światło lasera wraca w takim samym czasie dla każdego z dwóch ramion. Jednak gdy przez ramię przechodzi fala grawitacyjna, detektor i ziemia pod nim rozszerza się i kurczy w bardzo niewielkim stopniu. Zauważcie: detektor kurczy się. Czasoprzestrzeń, razem z fizycznym obiektem, ulega bardzo małej zmianie rozmiaru. To nie są zwykłe drgania powietrza! Cała czasoprzestrzeń i to, co się z niej znajduje, ulega skurczeniu bądź rozciągnięciu! Jedna z wiązek lasera dociera później i - voila. Mamy dowód. Ale te zmiany do dużych nie należą. Skrócenie bądź wydłużenie ramienia ma długość około jednej tysięcznej średnicy protonu. Eksperyment jest tak czuły, że wpływa na niego lot pobliskiego samolotu, ba, jeden z naukowców stwierdził, że gdy klaśnie pokoju kontrolnym, detektor to wykrywa. Jak odsiewają takie wydarzenia? Dzięki dwóm detektorom. Jeśli coś nie wydarzy się jednocześnie, to znak, że pochodzi z Ziemi.
W 1974 roku inni naukowcy odkryli pulsar krążący wokół gwiazdy neutronowej - również bardzo masywnych obiektów. Później okazało się, że orbita pulsara się kurczy, co stanowiło pośredni dowód, że traci on energię na fale grawitacyjne. W 1993 roku Akademia nawet przyznała za to odkrycie Nobla. 20 lat myślenia, nagroda Nobla, ale dowodów brak... Od tej pory wykrycie fal spędzało sen z powiek każdemu fizykowi, od nauczyciela podstawówki do mądrych głów w CERNie i innych MIT. No dobrze, nauczyciele mieli na głowach jeszcze sprawdzenie kartkówek, dlatego musieli obejść się smakiem :)
LIGO nadstawiało uszy od 2002 do 2010 roku bezowocnie. Zamknięto projekt w celu dokonania ulepszeń i wystartowano ponownie w roku 2015. Ulepszone LIGO jest 3 razy bardziej czułe niż wersja poprzednia, w ciągu następnych kilku lat planuje się zwiększenie czułości aż dziesięciokrotnie. Można by dla zmyłki umówić się z kolegą zza oceanu, żeby kichnąć bądź klasnąć jednocześnie, panowie z LIGO będą mieli pełne ręce roboty ;)
5. Eksperyment za miliard dolarów, a ludzie głodują.
Czyli - po co nam to wszystko?
Potwierdzenie istnienia czarnych dziur.
Czarnych dziur nie da się wykryć bezpośrednio, ponieważ nie emitują one światła, są kompletnie 'czarne'. Za to wytwarzają fale grawitacyjne, jak przy omawianym powyżej zderzeniu. To pozwala w sposób pośredni potwierdzić ich istnienie, które, wbrew pozorom, nie jest takie oczywiste.
Astronomia oparta na falach grawitacyjnych.
To tak jakby nie oglądać Wszechświata, tylko go nasłuchiwać. Można stwierdzić, czy dwie czarne dziury, zderzając się, produkują nową. Można obserwować wybuchy supernowych, a właściwie 'słuchać', okrążające się pulsary, wiedzieć, czy to kichnął sąsiad, czy zderzyły się kosmiczne monstra ;) Kiedy Galileusz wycelował pierwszy teleskop w niebo, zobaczył Księżyc i planety. Gdy wynaleźliśmy teleskopy radiowe, UV i rentgenowskie, za każdym razem otwierało się nowe okno na Wszechświat. Podobnie jest w przypadku fal grawitacyjnych, jeszcze nawet do końca nie wiadomo, co możemy odkryć.
6. Czy Einstein strzelił samobója?
Mówi się, że LIGO i podobne eksperymenty z falami grawitacyjnymi (jak np. LISA Pathfinder - satelita, który ma również wykrywać fale) otworzą drzwi do podważenia ogólnej torii względności Einsteina. 100 letnia teoria opisująca skale astronomiczne na razie wytrzymuje próbę czasu, jednak nadal zciera się z mechaniką kwantową, która rządzi światem subatomowym. Wiadomo, że któraś z nich jest błędna, jednak wszystkie te potyczki doprowadzą do opracowania nowej teorii, która będzie bardziej kompletna. Fale grawitacyjne to fizyka doświadczalna, która wyrosła na teorii z ubiegłego wieku. Nic innego jak doświadczenie nie zweryfikuje lepiej ogólnej teorii względności, która, jak się spodziewa, może mieć pewne luki. Czyżby Einstein przewidział coś, co doprowadzi do upadku jego myśli po 100 latach? Czas pokaże.
Aha, zapraszam na Patronite! To nie takie trudne założyć tam konto i wesprzeć klikanie w klawiaturę! :)
Oraz na Facebook fanpage; więcej nas, jest ciaśniej ale weselej! ^_^
