#30 Fale Grawitacyjne i Dodatkowe Wymiary - Komiczny Kosmos - Fizyka dla Laika czyli Nauka dla Tłuka

0. Na dzień dobry.

Witam.

Trochę wody w rzece czasu upłynęło, ale nic nie szkodzi, prawda? Dalej głodni wiedzy?
Ja jestem głodny lania wody w tej rzece, mam nadzieję, że wy też macie ochotę na trochę humoru, fizyki i... to wszystko. To wszystko, co mam do zaoferowania. Mam nadzieję, że wystarczy.

Nie będę Was męczył hipotezami. Miałem zamiar pisać o gwiazdach hipotetycznych, jakichś tam czarnych karłach, gwiazdach żelaznych i innych pierdoletach, ale postanowiłem postawić na coś konkretniejszego.

Fizyka doświadczalna. Oczywiście, będzie mnóstwo o kwantach, liźniemy też lizaka astrofizyki, ale wszystko oparte na doświadczeniach, badaniach prawdziwych fizyków, a nie wodolejstwo z różnych szemranych źródeł. Źródeł czasu. Wody czasu. Rzeki czasu. Ale się poeta ze mnie zrobił. Ale to nie jest takie najgorsze, wiecie? Poeta też czasem dobrze o fizyce plecie ;)

I do tego rymuje.

Dobra, żarty na bok, lecimy z koksem.

1. Fale grawitacyjne - oto w jaki sposób mogą dostarczyć informacji na temat dodatkowych wymiarów przestrzennych.

No, nie tak od razu.

Oczywiście, na początek trochę od rzeczy, potem do rzeczy. Do tego przecież jesteście przyzwyczajeni ;)

Nie będę zdradzał już na początku, czy zabił leśniczy... To znaczy, czy fale grawitacyjne dostarczyły dowodu na istnienie dodatkowych wymiarów. Bo wtedy nie musielibyście czytać wszystkiego, tylko zatrzymalibyście się tutaj i zrobili mnie w konia. Ja chcę trochę napleść od rzeczy, żeby się i Was zabawić. To znaczy, bawimy się w kotka i myszkę. I leśniczego. Leśniczy poluje na mnie, ja na Was, a Wy... Macie przechlapane! Czytać, leniwi Laicy ;)

No i teraz ja robię Was w konia, nie powiem, nie powiem! Powiem w ostatnim rozdziale tej epopei fizycznej, ale uprzedzam, że warto. Wciągniecie się w tę opowieść jak w najlepszy thriller, zdradzę tylko, że będzie o grawitacji, oraz o tym, dlaczego jest najsłabszą z sił fundamentalnych.

Mnie temat grawitacji zawsze ekscytuje, zboczeństwo matematyczno-fizyczne, wiem, ale do sedna.

2. Zderzenie dwóch gwiazd neutronowych i co za tym idzie.

Pierwsze wykrycie fal grawitacyjnych zdarzyło się naukowcom z LIGO (link) w roku 2015. Doniosłe wydarzenie, nie ma co. Prawie jak śmierć Hanki z Klanu, czy tam z innego em jak miłość. Prawie.

Trzech fizyków dostało wtedy za to nagrodę Nobla. Bo to właśnie trzech fizyków zabiło Hankę z em jak miłość. Ja bym im dał nawet złoty medal olimpijski.

Ha. Tu Was mam. Dostali nagrodę za odkrycie fal. Na pewno daliście się nabrać z tą Hanką.

W roku 2017 zderzyły się dwie gwiazdy neutronowe, w przeciwieństwie do roku 2015, kiedy kolidowały dwie czarne dziury. Różnica polega na tym, że rok 2017 i gwiazdy neutronowe dostarczyły także danych z teleskopu konwencjonalnego, a nie tylko z interferometru LIGO.

Już tłumaczę. LIGO to interferometr i pozwala on wykryć fale grawitacyjne, zmarszczki czasoprzestrzeni. Zwykły teleskop wykrywa obraz bardziej bliski temu, co widzą nasze piękne oczęta. Fale elektromagnetyczne - światło widzialne.

Można porównać interferometr do czegoś w rodzaju podsłuchu Wszechświata, podczas gdy teleskop to zwykli podglądacze i ich narzędzia zbrodni. LIGO to ucho na Wszechświat, teleskop oko.

Myślę - Oko. Dlaczego Oko? Czemu nie nos zamiast oka? Co jest nosem na Wszechświat? No, tego moi Drodzy Laikowie nam jeszcze brakuje, ale przecież to my mamy nosa i intuicję, żeby czytać dalej, po tym, jak wyżyłem się na Was moimi suchymi jak nos chorego pieska żartami. Ale musiałem! Dawno nie pisałem, stąd te pierdolety.

3. Jednoczesność informacji oknem na dalsze i bogatsze niż dane z samego LIGO rezultaty obserwacji.

2017 - to pierwsze takie wydarzenie, kiedy otrzymano jednocześnie dane grawitacyjne i elektromagnetyczne, z dwóch teleskopów - konwencjonalnego i interferometru.

Trochę teorii i przejdziemy do wisienki na torcie - czyli kwestii słabej grawitacji.

Teoria względności Einsteina świetnie opisuje nasz system słoneczny, jednak w miarę, jak poznawaliśmy dalsze rejony Wszechświata, pojawiały się kolejne niewiadome. Dwie z nich są gigantycznie niepokojące, bo nijak nie da się znaleźć na nie odpowiedzi, dopiero LIGO, czyli detektor fal grawitacyjnych, dał cień szansy na wyjaśnienie owych kwestii.

Te kwestie to ciemna energia - rzekoma siła, któa napędza ekspansję (rozszerzanie się Wszechświata), oraz ciemna materia - główny składnik budowy Wszechświata, procentowo znacznie przewyższająca udział zwykłej materii.

Naukowcy gryźli się z opisanymi wyżej pojęciami jak pies z czarnymi kotami. I to z dwoma! A my, małe fizyczne myszki, spijamy śmietankę i czytamy sobie o owych perypetiach.

Na początek wielka bomba. Alternatywa była potrzebna, bo teoria względności Einsteina nie uwzględniała ciemnej materii i energii, które, wiemy to prawie na pewno, brakuje jedynie bezpośrednich dowodów, istnieją; dlatego...

Co zrobili fizycy? Dodali sobie dodatkowy wymiar przestrzenny. A co! Nie wolno im? Im wolno, my mamy ubaw. Bo dodatkowy wymiar przestrzenny, proszę Państwa, to jest to, co Laicy i Tłukowie lubią najbardziej (link).

4. Słaba grawitacja i dodatkowy wymiar przestrzenny.

Istnieje teoria, która tłumaczy, dlaczego grawitacja jest tak słaba w porównaniu do trzech pozostałych sił fundamentalnych.

Niestety, teoria ta zakłada istnienie dodatkowego wymiaru przestrzennego, na co z kolei nie ma dowodów. Dlatego to tylko teoria ;) Ale jest świetna! Czyż cztery wymiary przestrzenne nie są super? Zawsze to lepiej, niż tylko trzy, bo więcej ;)

Grawitacja, rzekomo, jako jedyna siła ma możliwość przemieszczania się między trzema wymiarami kartezjańskiego układu współrzędnych (wyskość, szerokość i długość - (x,y,z)) a czwartym, hipotetycznym. Ona po prostu 'wycieka' do czwartego wymiaru!

Możemy ową sytuację porównać do czterech rzek. Płyną sobie równolegle, prosto przed siebie, rzeka obok rzeki. Jednak jedna z nich, nazwijmy ją Grawitazonką, ma odnogę, która płynie na lekko na ukos.

Trzy rzeki pozostałych sił fundamentalnych mają (załóżmy, dla uproszczenia) jednakowo silny nurt, ponieważ płyną prosto przed siebie, trzy równolegle do każdej. Jednakże Grawitazonka oddaje część nurtu w poboczny odpływ, który ma kierunek skośny do jej nurtu.

I, mimo że Grawitazonka płynie także równolegle, jej nurt jest znacznie osłabiony przez oddanie części pływu do nurtu pobocznego, tego skośnego. Skośnookiego, nazwijmy ją nawet Grawitangcy, nieważne. Ważne, że nurt grawitacji oddaje część swojej intensywności w inny wymiar.

Zauważcie, że istnieje świetna analogia do wymiarowości w tych trzech rzekach równoległych, równoległej Grawitangcyzonki i skośnego nurtu. One wszystkie, oprócz odnogi ostatniej rzeki, płyną w jednym wymiarze - długości. Ponieważ płyną prosto przed siebie! Tylko odnoga grawitacji porusza się w dodatkowym wymiarze - szerokości.

Grawitacja ma rzekomo te zdolność poruszania się w dodatkowym wymiarze przestrzennym, przez co jest słabsza niż pozostałe siły fundamentalne. To bardzo ciekawa hipoteza.

5. Kolizja gwiazd neutronowych i dalsze wnioski z obserwacji.

Panowie Holz i Fishbach z Uniwersytetu w Chicago postanowili przetestować teorię dodatkowego wymiaru przestrzennego i słabej grawitacji na bazie zderzenia gwiazd neutronowych i dwóch źródeł danych - detektora fal grawitacyjnych i konwencjonalnego teleskopu.

Fale grawitacyjne z LIGO to jedno źródło danych, fale elektromagnetyczne to całe spektrum fali elektromagnetycznej: fale gamma, promienie X (niestety, nie mają związku z X-men, czego osobiście bardzo żałuję ;)) fale radiowe, oraz zwykłe fale optyczne i podczerwone.

Poprzez porównanie obu źródeł danych można było wyliczyć, jak silne powinny być fale grawitacyjne, aby zgadzała się teoria o dodatkowym wymiarze przestrzennym i słabej grawitacji. A wszystko dzięki jednoczesnej detekcji fal elektromagnetycznych, które były podstawą do wyliczeń oczekiwanej intensywności fal grawitacyjnych...

No, i... wielkie rozczarowanie. Okazało się, że fale grawitacyjne były silniejsze, niż oczekiwano, a to oznacza, że upadła teoria o dodatkowym wymiarze przestrzennym i grawitacji 'wyciekającej' do niego. Słaba grawitacja nadal pozostaje zagadką.

Dlaczego można być pewnym? Ponieważ na długości 100 milionów lat świetlnych, jakie dzielą nas od zderzenia dwóch gwiazd neutronowych, grawitacja musiałaby puścić farbę. To znaczy... =]

To za duża odległość, aby 'wyciek' do innych wymiarów nie mógłby zostać odkryty, jeśliby miał miejsce.

Wyobraźcie sobie dwie linie, na przykład linie boiska do piłki nożnej. Jedna linia boczna jest prosta, jak w mordę strzelił. Druga jest lekko krzywa, nie całkiem równoległa do drugiej... A teraz - w przypadku boiska do piłki nożnej ta 'nierównoległość' uszłaby płazem, bo boisko ma jakieś 100 metrów długości. Ale gdyby miało długość 100 kilometrów, dwie linie na pewno złączyłyby się i powstałoby... trójkątne boisko do piłki nożnej =]

Po prostu, im większa odległość, tym cecha bardziej wyraźna. Mały błąd przeistacza się w widoczną anomalię. Na krótkiej odległości jest niemal nie do wykrycia - grawitacja jest tak słaba, że za pomocą przyrządów pomiarowych na Ziemi nie jesteśmy, praktycznie, w stanie jej badać. Dość powiedzieć, że przy wyliczaniu efektów oddziaływań cząstek w LHC w Genewie jest pomijana! Dopiero w olbrzymiej skali, jaką dostarczyło LIGO i kolizja gwiazd neutronowych można było mówić o mierzalnych danych.

Niestety, przewidywania nie zostały potwierdzone. Grawitacja nadal jest zagadką. Do jej opisu muszą nam wystarczyć teorie Einsteina i Newtona.

I koniec =]. Zostajemy w trzech wymiarach przestrzennych i jednym czasowym.

I kropka.

A zabił leśniczy.