Nobel za fale grawitacyjne – od Einsteina, przez Trautmana, do LIGO

Rok temu komisja noblowska zaskoczyła obserwatorów, przyznając najwyższy laur za niezbyt znane badania nad topologicznymi stanami materii. Jednak co ma wisieć, nie utonie, a murowani faworyci – łowcy fal grawitacyjnych – w końcu doczekali się swojej wielkiej chwili.

Jak dobrze wiecie, wszystko o czym będziemy dzisiaj mówić, pozostaje pokłosiem opublikowanej nieco ponad sto lat temu ogólnej teorii względności. 36-letni Albert Einstein, znany już ze swojej szczególnej teorii względności, spędził niemal dekadę na próbie jej rozszerzenia. Gra toczyła się o olbrzymią stawkę, gdyż nowy koncept wymuszał zmianę myślenia o czasie, przestrzeni, a zwłaszcza grawitacji. W miejscu newtonowskiego “sznura” trzymającego w ryzach wszystkie obiekty, pojawił się obraz plastycznej czasoprzestrzeni, pełnej zagłębień i deformacji wywoływanych obecnością masy. (Jeśli chciałbyś dowiedzieć się czegoś więcej na ten temat, odsyłam Cię do trzyczęściowego cyklu artykułów Architekt nowej fizyki).

Czy sukces ogólnej teorii względności oznaczał zamknięcie tematu? Czy fizycy zajmujący się oddziaływaniem grawitacyjnym zaczęli szukać nowych zainteresowań lub przerzucili się na sadzenie marchwi? Absolutnie nie. Fundamentalne odkrycia mają to do siebie, że stanowią dopiero furtkę dla całego zbioru świeżych rozważań. W związku z tym, po wstępnej weryfikacji OTW, na uczelniach całego świata, jak grzyby po deszczu wyrastały katedry fizyki relatywistycznej, których pracownicy zajmowali się wyłącznie próbą zrozumienia konsekwencji innowacyjnej teorii. Zaczęto pisać o tunelach czasoprzestrzennych, czarnych dziurach, soczewkach grawitacyjnych, ewolucji wszechświata i w końcu o, robiących obecnie furorę, falach grawitacyjnych.

Ogólna teoria względności Einsteina jest podstawą dla fal grawitacyjnych

Albert Einstein rozważał możliwość falowania sieci czasoprzestrzennej niemal od początku. Pamiętajmy, że jednym z głównych naukowych autorytetów geniusza, pozostawał James Clerk Maxwell. XIX-wieczny fizyk dokonał przełomu unifikując elektryczność i magnetyzm oraz traktując je jako rodzaj zaburzeń powstałych we wszechobecnym polu elektromagnetycznym. Światło i każdy inny przejaw promieniowania elektromagnetycznego Maxwell traktował jako rozchodzącą się w przestrzeni falę. Einstein wierzył, że grawitacja może zachowywać się analogicznie, a czasoprzestrzeń drga nie inaczej od pola elektromagnetycznego. Był on również pewny, że jeśli ta wizja jest poprawna, to fale grawitacyjne rozchodzą się po wszechświecie z prędkością równą lub mniejszą od prędkości światła. W końcu – inaczej niż  za czasów sir Izaaka Newtona – dla Einsteina żadna cząstka, żadna informacja, ani żadne oddziaływanie, nie były w stanie przenosić się natychmiastowo, z nieograniczoną szybkością. Grawitacja nie mogła tu stanowić wyjątku.

Pierwsze wzmianki na temat hipotetycznych fal, znalazły się w publikacjach Nathana Rosena i samego Alberta Einsteina z lat 30. ubiegłego stulecia. W jednym z artykułów, teoretycy doszli jednak do druzgocącego wniosku, iż próba znalezienia fal w równaniach OTW przynosi wyniki nieskończone, a zatem żadne zmarszczki czasoprzestrzenne nie mają racji bytu. Jakież było zdziwienie geniusza, gdy w recenzji swojego tekstu, opartego przecież o jego własną teorię, wytknięto mu rażące błędy. (Redaktor czasopisma zauważył, że jeżeli zamiast fal płaskich weźmiemy w rachubę fale cylindryczne, nieskończoności przestają stanowić problem).

Po wstępnym szoku, okraszonym potokiem niemieckich przekleństw, Einstein uznał krytykę, wracając do dalszej pracy. Rychło pojawiły się kolejne publikacje, w których fizycy z Princeton już nie negowali tak zawzięcie samej możliwości istnienia fal grawitacyjnych, ale dochodzili do innej smutnej konstatacji. Uznali mianowicie, iż nawet jeśli fale grawitacyjne istnieją, to ich detekcja leży daleko poza technicznymi możliwościami człowieka. Na całe szczęście Einstein i Rosen nie docenili potencjału swoich następców.

Współautor teorii fal grawitacyjnych – młody Andrzej Trautman

Śmierć twórcy teorii względności z 1955 roku, nie powstrzymała dalszych dyskusji i spekulacji. Co interesujące dla nas, jedno z centrów badań teoretycznych nad falami grawitacyjnymi pojawiło się nad Wisłą. Niekwestionowaną gwiazdą polskiej nauki, był w tym czasie Leopold Infeld, doświadczony fizyk teoretyczny, były pracownik uczelni w Princeton i Toronto, a przede wszystkim wieloletni druh i pomocnik Einsteina. Po powrocie do kraju, Infeld niezwłocznie przystąpił do organizowania Instytutu Fizyki Teoretycznej, zaszczepiając wśród swoich studentów zainteresowanie ogólną teorią względności. Wśród nich znalazł się jeden z najzdolniejszych polskich fizyków, Andrzej Trautman.

Sam Infeld, podobnie do swojego sławnego przyjaciela, podchodził mocno sceptycznie do zagadnienia fal grawitacyjnych. Trautman przeciwnie, podążył za własną intuicją poświęcając swój doktorat i pierwsze publikacje właśnie temu zagadnieniu. Młody fizyk znalazł kolejne analogie między falami pola grawitacyjnego i pola elektromagnetycznego, wykazał jak wygląda wypromieniowywanie energii z układu generującego fale grawitacyjne, a także jak można to obliczyć. W ten sposób, Andrzeja Trautmana należy traktować – na równi z Hermannem Bondim, Felixem Piranim oraz Ivorem Robinsonem (swoją drogą Trautman ściśle współpracował z tym ostatnim, czego owocem była m.in. metryka Trautmana-Robinsona) – jako jednego z pionierów opisu fal grawitacyjnych, którego publikacje wciąż nie straciły na aktualności.

Niestety nawet najpiękniejsza teoria pozostaje w fizyce niczym, dopóki nie znajdziemy sposobu na jej przetestowanie. Jak wiesz, każde ciało obdarzone masą, nawet Ty sam, naciska na czasoprzestrzeń, zakrzywiając jej strukturę. Jednak musisz mieć świadomość, że to wszechobecne płótno nie poddaje się łatwo, a efekty grawitacyjne wywoływane nawet przez duże obiekty, pozostają niezwykle subtelne. Dotyczy to również fal grawitacyjnych. Już dekady temu teoretycy wiedzieli, że aby cokolwiek dostrzec, należy polować na najdramatyczniejsze kosmiczne katastrofy, jak na przykład wybuchy supernowych lub zderzenia najgęstszych i najmasywniejszych obiektów. Ale nawet wówczas, z uwagi na olbrzymie odległości wynoszące setki, tysiące lub miliony lat świetlnych, ewentualne ślady docierające do naszej planety, będą ledwie widoczne.

Pierwszym śmiałkiem, który podjął się tego wyzwania był Joseph Weber. Amerykanin zaprojektował prototypowe detektory o kształcie dwumetrowych, aluminiowych walców, umieszczanych w specjalnych komorach. Przy przejściu fali grawitacyjnej, taki walec miał wpadać w leciutki rezonans. Weber wielokrotnie zarejestrował takie zjawisko, będąc przekonanym o sukcesie swojego eksperymentu. Tego entuzjazmu nie podzielał jednak nikt poza inżynierem. Na weberowskie walce spadła lawina krytyki, z uwagi na ich niedokładność, błędy w oprogramowaniu oraz trudności z weryfikacją wyników. Świat potrzebował nowego pomysłu, który – jak się miało okazać – w rzeczywistości oparto na użyciu starego i dobrze znanego urządzenia: interferometru.

Zasada działania nie należy do szczególnie skomplikowanych. Taki detektor składa się z dwóch ustawionych prostopadle względem siebie rur, wewnątrz których wędruje wte i we wte, rozdzielona wiązka lasera. W przypadku, gdy dochodzi do zmian w naprężeniu czasoprzestrzeni – to jest, kiedy przez Ziemię przechodzi fala grawitacyjna – długość ramion ulegnie chwilowemu zachwianiu.

Proste, prawda? Diabeł tkwi w szczegółach, ponieważ taka zmiana długości nie wynosi centymetra, milimetra, ani nawet nanometra. Mówimy o wielkościach rzędu trylionowych części metra, a więc mniejszych niż średnica pojedynczego protonu. Teraz rozumiecie dlaczego Einstein i Rosen podchodzili z przymrużeniem oka do idei detekcji? Jeśli nadal nie, to dodam, że drgania skorupy ziemskiej czy nawet pobliskie przejazdy pociągów lub ciężarówek, powodują o wiele większe szumy (więcej na temat kwestii technicznych dowiecie się z tego wywiadu).

Kip Thorne, jeden z pomysłodawców LIGO

Mimo to, nie zabrakło naukowców o odpowiedniej wyobraźni z domieszką szaleństwa. Kimś takim był świeżo upieczony profesor z Kalifornii, zaledwie 28-letni Kip Thorne (tak, to jeden z tych pięknych umysłów, które robią doktorat i profesurę, kiedy inni odbierają dyplom magistra). Niewykluczone, że to nazwisko obiło się wielu z was o uszy. Thorne to jeden z najsławniejszych astrofizyków swojego pokolenia, występował w wielu programach dokumentalnych, pomagał scenarzystom filmu Interstellar, napisał kilka świetlnych książek popularnonaukowych, a w swoich pracach, odważnie rozważał niestandardowe zagadnienia, jak tunele czasoprzestrzenne i oczywiście fale grawitacyjne.

W ten sposób, w 1968 roku, uważany za nadzieję amerykańskiej fizyki Thorne, zaczął energicznie agitować za przeprowadzeniem poważnego eksperymentu, który wreszcie rozstrzygnie spór o zmarszczki czasoprzestrzeni. Debata trwała wiele lat, ale ostatecznie przedstawiciele amerykańskich uczelni, na czele z Caltechem i MIT, powzięli decyzję o wzniesieniu dwóch bliźniaczych, olbrzymich i ultraczułych interferometrów, oddalonych od siebie o trzy tysiące kilometrów. Projekt zyskał nazwę Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, czyli LIGO. W skład komitetu naukowego mającego dopilnować jego budowy, stanęli Rainer Weiss (znany również z prac nad satelitą COBE), Ronald Drever oraz Kip Thorne. Jak może zauważyliście, wśród nagrodzonych przez komisję noblowską znaleźli się Weiss i Thorne, ale nie Drever. Niestety ten ostatni zmarł zaledwie kilka miesięcy temu, na czym skorzystał późniejszy szef LIGO, Barry Barish.

Niełatwa budowa, utrudniana dodatkowo przez braki finansowe, trwała właściwie aż do końca stulecia, a kolejne poprawki aż do 2010 roku. Resztę historii już znacie. 14 września 2015 roku, czujniki w obu kompleksach LIGO wykazały silne zaburzenie, zdecydowanie wyróżniające się na tle szumów. Było to grawitacyjne echo odległej o 1,3 miliarda lat świetlnych kosmicznej kraksy, zderzenia dwóch czarnych dziur, o łącznej masie 65 Słońc. Zgodnie z teorią, wpadające na siebie obiekty utworzyły jeden, o masie 62 razy większej od Słońca, podczas gdy trzy masy Słońca (ponad milion mas Ziemi), uległy konwersji w energię, wyemitowaną pod postacią zaburzeń czasoprzestrzeni.

Nobel z fizyki 2017 powędrował do odkrywców fal grawitacyjnych

Tyle było trzeba, aby gdzieś w obcej galaktyce, na odległej planecie, skrócić jedno z ramion interferometru o długość znacznie mniejszą od jądra atomu.

Nagroda Nobla dla Thorne’a, Weissa i Barisha, jest tak naprawdę symbolicznym wyróżnieniem dla olbrzymiej grupy ponad tysiąca pracowników obsługujących potężne urządzenia i interpretujących ich wskazania. Jest również hołdem dla dziesiątków teoretyków, którzy poświęcili swe kariery dla ustalenia właściwości fal grawitacyjnych. Jako ciekawostkę warto dodać, że dosłownym “odkrywcą” fal nie był żaden z noblistów, lecz Marco Drago, doktor Uniwersytetu w Padwie. To on miał szczęście jako pierwszy ujrzeć sygnał GW150914 i powiadomić o nim świat. 

W ten sposób rozpoczęła się nowe era dla fizyki, astrofizyki i kosmologii. Do chwili obecnej obserwatorzy wychwycili już trzy kolejne ślady fal grawitacyjnych. Następne odkrycia oraz planowane projekty pozostają już tylko kwestią czasu. Ludzkość zyskała okulary, pozwalające spojrzeć na wszechświat w zupełnie inny sposób.

Literatura uzupełniająca:
Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, “Physical Review Letters”, nr 116, 12 II 2016;
K. Thorne, Czarne dziury i krzywizny czasu. Zdumiewające dziedzictwo Einsteina, przeł. D. Czyżewska, Warszawa 2004;
J. Lasota, Czy wielki wybuch był głośny?, Warszawa 2017;
Fizycy wspominają, pod red. A. Kobosa, Kraków 2014;
C. Scharf, Silniki grawitacji. Jak czarne dziury rządzą galaktykami i gwiazdami, przeł. U. Seweryńska, Warszawa 2014.
Wszechświat pozbawiony czasu Akcelerator cząstek: duża zabawka dla fizyków 5 rzeczy, które powinieneś wiedzieć o liczbach pierwszych (i hipotezie Riemanna)