Kwantem pola elektromagnetycznego jest foton, oddziaływanie silne przenoszą gluony i mezony pi, w oddziaływaniu słabym pośredniczą bozony W i Z. A co z bliską nam wszystkim grawitacją? Czy odkrycie fal grawitacyjnych jest równoznaczne z odkryciem cząstki zwanej grawitonem?

Krótko: Abso­lut­nie nie, a detekcja fal gra­wi­ta­cyj­nych pozo­staje bez związku z poszu­ki­wa­niami gra­wi­tonu.

Ciut dłużej: Powodem napi­sa­nia tego odcinka TL;DR była wąt­pli­wość zasiana jakiś czas temu na pewnej grupie face­bo­oko­wej. Podczas dyskusji na temat ogólnej teorii względ­no­ści i fal gra­wi­ta­cyj­nych, jeden z uczest­ni­ków wtrącił: “no ponoć odkryto gra­wi­tony, chyba 2 lata temu. Coś sły­sza­łem, że potwier­dzili że na pewno istnieją”. Byłem mocno skon­fun­do­wany. Odkryto nową cząstkę ele­men­tarną, ważny element modelu stan­dar­do­wego, postu­lo­wany od dekad nośnik gra­wi­ta­cji – i nawet nie obiło mi się to o uszy? To trochę tak jak gdyby ktoś szczerze zain­te­re­so­wany eks­plo­ra­cją kosmosu, nie zdawał sobie sprawy z ist­nie­nia rakiet Falcon. Z zasady o tak istotnym wyda­rze­niu trąbi się na całego. Jeśli pamię­tasz rok 2012 i odkrycie w Wielkim Zder­za­czu Hadronów bozonu Higgsa, to pewnie wiesz o czym mówię. O “boskiej cząstce” (nie­na­wi­dzę tego okre­śle­nia) mówiły wszyst­kie media, nawet jeśli 99% dzien­ni­ka­rzy nie miała zie­lo­nego pojęcia czym się podnieca. Jednego jestem pewny: jeśli któreś z labo­ra­to­riów pochwali się ustrze­le­niem gra­wi­tonu, to taki news bez cienia wąt­pli­wo­ści dotrze do każdego zain­te­re­so­wa­nego miesz­kańca cywi­li­zo­wa­nego świata.

Inny inter­nauta szybko wyjaśnił, że kolega zapewne utoż­sa­mił kwestię gra­wi­tonu z pio­nier­ską detekcją fal gra­wi­ta­cyj­nych, dokonaną przez inter­fe­ro­me­try LIGO. I tu pojawiła się kolejna wąt­pli­wość. Grawiton – jak każdy inny element mikro­świata – posiada duali­styczną, kor­pu­sku­larno-falową naturę. Czy więc, reje­stru­jąc fale gra­wi­ta­cyjne, uczeni nie dowiedli pośred­nio ist­nie­nia gra­wi­to­nów?

Przyznam, że z punktu widzenia osoby postron­nej powta­rza­jąca się “fala” może wpro­wa­dzać zamie­sza­nie – lecz nie, tak to nie działa. Mamy tu do czy­nie­nia z mocnym pomie­sza­niem pojęć, zjawisk i w ogóle wszyst­kiego. 

Owszem, hipo­te­tyczny grawiton musi odpo­wia­dać typowym regułom nakre­ślo­nym przez mecha­nikę kwantową. Wszyst­kie cegiełki materii i prze­kaź­niki oddzia­ły­wań cechuje dualizm kor­pu­sku­larno-falowy. W szkole uczy się nas o dualnej naturze światła, ale w rze­czy­wi­sto­ści każda cząstka w zależ­no­ści od sytuacji potrafi zacho­wy­wać się jak punktowa drobina lub wyka­zy­wać wła­ści­wo­ści fali. Grawiton nie będzie tu wyjąt­kiem. Z kolei fale gra­wi­ta­cyjne to zupełnie inna para kaloszy. Ich ist­nie­nie prze­wi­dzieli teo­re­tycy, wycho­dząc od nie­ska­żo­nych mecha­niką kwantową, kla­sycz­nych równań Alberta Ein­ste­ina doty­czą­cych zakrzy­wie­nia cza­so­prze­strzeni przez obecność masy. Kom­pleksy LIGO pod koniec 2015 roku zare­je­stro­wały ślad odle­głego zda­rze­nia, będącego wynikiem zde­rze­nia dwóch czarnych dziur. Bardzo masywne obiekty wirujące z ogromną pręd­ko­ścią, w momencie zde­rze­nia wywołały eks­tre­malne efekty gra­wi­ta­cyjne. Powstałe w tym miejscu znie­kształ­ce­nie cza­so­prze­strzeni przy­brało formę cha­rak­te­ry­stycz­nych fal, które przebyły miliardy lat świetl­nych powo­du­jąc skró­ce­nie ramion ziem­skich inter­fe­ro­me­trów. 
Fale grawitacyjne a grawitonSkle­ja­jąc oba tematy – gra­wi­to­nów i fal gra­wi­ta­cyj­nych – zacho­wu­jemy się trochę tak, jak gdybyśmy pró­bo­wali wnio­sko­wać o ist­nie­niu atomów i cząstek budu­ją­cych wodę, z obser­wa­cji fal widocz­nych na tafli jeziora. Protony, neutrony i elek­trony bez wąt­pie­nia wykazują cechy fali, ale nie łączy się to w żaden sposób z fizycz­nymi wła­ści­wo­ściami cieczy. Reje­stru­jąc falę gra­wi­ta­cyjną, mierzymy swoiste zmarszczki na płótnie cza­so­prze­strzeni wywołane gwał­tow­nymi pro­ce­sami w kosmicz­nej skali. Doko­na­li­śmy już kilku detekcji, w tym jednej połą­czo­nej z optyczną obser­wa­cją zde­rza­ją­cych się gwiazd neu­tro­no­wych. Ich ist­nie­nie zostało w pełni udo­ku­men­to­wane i doce­nione. Grawiton nato­miast to postu­lo­wana cząstka o spinie równym 2, bez­ma­sowa i pozba­wiona ładunku, która byłaby kwan­to­wym prze­kaź­ni­kiem pola gra­wi­ta­cyj­nego. Jeśli istnieje, to w jednym cen­ty­me­trze sze­ścien­nym prze­strzeni znajduje się praw­do­po­dob­nie ponad biliard gra­wi­to­nów. Energia potrzebna do wytrą­ce­nia poje­dyn­czego okazu, pozo­staje jednak zbyt wielka dla współ­cze­snych akce­le­ra­to­rów i póki to się nie zmieni, jesteśmy skazani na spe­ku­la­cje. Z drugiej strony, bez względu na to czy grawiton rze­czy­wi­ście gdzieś tam jest i jakie ma wła­ści­wo­ści – nijak ma się to do fal zła­pa­nych przez LIGO. 

Żeby nie kończyć tak pesy­mi­stycz­nym tonem wspomnę jednak, iż istnieją ostrożne hipotezy na temat pośred­nich poszu­ki­wań gra­wi­tonu. Mogłoby to polegać na odejściu od kla­sycz­nych równań i potrak­to­wa­niu zależ­no­ści między gra­wi­to­nem i falą gra­wi­ta­cyjną ana­lo­gicz­nie do związku fotonu z falą elek­tro­ma­gne­tyczną. Niemniej, na chwilę obecną nie zbli­ży­li­śmy się w żaden sposób do wyod­ręb­nie­nia kwantu pola gra­wi­ta­cyj­nego ani zgłę­bie­nia jego natury. Zaręczam jednak, że gdy tylko fizycy wpadną na trop gra­wi­tonu, taki news na pewno nie przej­dzie bez echa.

  • Wojciech Jóźwiak z Mila­nówka

    Czy w kwan­to­wej pętlowej gra­wi­ta­cji w ogóle jest miejsce na gra­wi­tony?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0