Czy odkryliśmy już grawitony?

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.

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 grawiton

Sklejając 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.

Kiedy będzie następne zaćmienie Słońca w Polsce? Reakcja syntezy: dobierzmy się do energii gwiazd! Kiedy czeka nas kolejna interesująca koniunkcja Jowisza i Saturna?