Czytaj dalej

Rok temu komisja noblowska zaskoczyła media i 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.

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.

Zderzenia czarnych dziur mogą generować fale grawitacyjne

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.
Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.