Nie tylko dla einsteinów: fale grawitacyjne

Piotr Zabłocki
Dzięki falom grawitacyjnym możemy się dowiedzieć więcej o początkach wszechświata. Co nam to da? Głupie pytanie. Z ciekawości. Przysłowie mówi, że ciekawość to pierwszy stopień do piekła, ale tak naprawdę, gdyby nie ciekawość naszych przodków, nie mógłbym na komputerze napisać tego tekstu, nie byłoby drukarni, która wydrukowałaby "Logo", a ty nie miałbyś czasu na pytanie, bo zbierałbyś jagody na obiad.
Infografika: Wawrzyniec Święcicki Infografika: Wawrzyniec Święcicki

Przełom!

Naukowcy znaleźli się w świetle reflektorów 11 lutego. - Zaobserwowaliśmy fale grawitacyjne - powiedział na specjalnej konferencji prasowej David Reitze, fizyk z Uniwersytetu Florydy, rzecznik eksperymentu LIGO. "Przełom", "historyczny moment" - pisali dziennikarze, a my mieliśmy dodatkowy powód do dumy, bo w międzynarodowym zespole ważną rolę odegrali polscy fizycy. Po kilku dniach o falach grawitacyjnych zrobiło się ciszej. Być może dlatego, że to dość skomplikowany temat. Umówmy się: temat, w którym występuje Albert Einstein, czasoprzestrzeń oraz interferometr po prostu jest dość skomplikowany. W jego ogarnianiu pomagał nam Jacek Błoniarz-Łuczak, fizyk z Centrum Nauki Kopernik. Jeśli ktokolwiek jest w stanie wytłumaczyć, czemu te fale grawitacyjne są takie ważne, to właśnie ludzie z Centrum Nauki Kopernik.

1
Rys. NASA Rys. NASA

Ach, ten Einstein!

Weźmy byka za rogi i zacznijmy właśnie od tego podstawowego pytania: czemu to, że zaobserwowaliśmy fale grawitacyjne, jest takie ważne? Czemu to taki przełomowy moment? Oddajmy głos Jackowi Błoniarzowi-Łuczakowi:

1. To wielkie odkrycie, bo kolejny raz pokazuje triumf ludzkiego umysłu,
2. Otwieramy nową księgę sposobów obserwacji wszechświata.

A teraz szczegółowo:

1. Istnienie fal grawitacyjnych przewidział sam Albert Einstein. W 1915 r. opublikował swoją przełomową ogólną teorię względności, która opisuje grawitację jako efekt zmian w geometrii czasoprzestrzeni generowanych przez duże masy (generalnie przez skupiska energii). Rok później zwrócił uwagę, że rozwiązaniem jego równań jest coś, co przypomina fale. Można by pomyśleć, że to nic nadzwyczajnego, gdyby nie fakt, że faluje... czasoprzestrzeń! Przy czym warto zaznaczyć, że sam Einstein nie bardzo wierzył, że takie fale istnieją. Sądził, że to ciekawa matematyczna własność jego równań. Trzeba było czekać sto lat, żeby potwierdzić doświadczalnie istnienie fal grawitacyjnych.

Czy to nie wspaniałe, co może wymyślić człowiek?

Zresztą ogólna teoria względności Einsteina jest jedną z najsłabiej przetestowanych teorii. Służy nam świetnie (np. do działania globalnego systemu pozycjonowania GPS), opisuje rzeczywistość w makroskali (astronomia i astrofizyka), ale tak wyprzedziła epokę, że nie mieliśmy narzędzi, żeby ją doświadczalnie sprawdzić! - Z takich eksperymentów mieliśmy zmierzenie odchylenia wiązki światła w czasie zaćmienia Słońca, zrobił to sir Arthur Eddington w 1919 r. - wylicza Błoniarz-Łuczak. - Po drugie, teoria wytłumaczyła precesję peryhelium Merkurego - dodaje. Teorię Einsteina potwierdził też efekt efekt soczewkowania grawitacyjnego. - Oraz eksperyment, który sprawdził, czy dochodzi do wleczenia układu inercjalnego. Jak widać, tych testów nie było wiele, prawda? - dodał Błoniarz-Łuczak.

2. Dotychczas obserwowaliśmy wszechświat za pomocą promieniowania elektromagnetycznego (światła, fal radiowych, promieniowania rentgenowskiego, itd.). W ten sposób "zaglądaliśmy" w historię wszechświata. Bo jeśli oglądaliśmy np. galaktykę, oddaloną o miliard lat świetlnych, to oznaczało, że światło potrzebowało miliarda lat, żeby do nas dotrzeć. Czyli obserwowaliśmy tę galaktykę taką, jaką była miliard lat temu. Im doskonalsze, im czulsze urządzenia tworzyliśmy, tym dalej (w przestrzeń i w przeszłość) zaglądaliśmy. Ale jest bariera, której nie byliśmy w stanie przekroczyć. Przez pierwsze 380 tys. lat istnienia wszechświata materia, która go wypełniała, była nieprzezroczysta dla promieniowania elektromagnetycznego. Dopiero gdy światło oddzieliło się od materii mogło swobodnie rozchodzić się w przestrzeni i stało się możliwe do zaobserwowania.

Natomiast falami grawitacyjnymi moglibyśmy sięgnąć wcześniej, prawie do samego Wielkiego Wybuchu. Skoro potrafimy wykryć te fale, to być może otwiera to nową dziedzinę obserwacji, bo to zupełnie inny nośnik informacji.

2
Rys. NASA Rys. NASA

No i co z tego?

Przede wszystkim dobrze jest wiedzieć więcej. - Dziennikarze pytali, czy fale grawitacyjne doprowadzą nas do podróży międzygwiezdnych. A ja odpowiadam: czemu nie? Taki scenariusz przedstawiono w filmie "Interstellar", w którym fale grawitacyjne wydostały się z tunelu czasoprzestrzennego, czyli takiego portalu do odległego miejsca we Wszechświecie - mówi Błoniarz-Łuczak. - Kiedy fizycy robią badania podstawowe, zawsze ktoś w końcu zapyta, po co to robi. A tak naprawdę podtekst jest taki: jakie to będzie miało zastosowanie? Z historii ludzkości wynika, że jeśli wiemy więcej o tym, jak działa świat, to skutkiem ubocznym zawsze jest technologia - przekonuje. I podaje przykład "Gwiezdnych wojen" i "Star Treka", w których możliwe są podróże w nadprzestrzeni i teleportacja. - A ja zapytam czy wiedza podstawowa tych cywilizacji, wiedza o tym, jak działa Wszechświat, jest taka jak nasza, czy na dużo wyższym poziomie. Każdy odpowie, że oni mają lepszą wiedzę podstawową i dlatego wymyślili teleporter czy podróże międzygwiezdne. My tego nie potrafimy - mówi fizyk.

Po drugie obserwacje z wykorzystaniem fal grawitacyjnych być może pozwolą nam testować różne wersje kwantowej grawitacji oraz teorie unifikujące oddziaływania elementarne. Kiedyś mieliśmy osobne teorie dotyczące światła, elektryczności czy fal radiowych. Stopniowo udało je się połączyć w teorię elektromagnetyzmu. Później, gdy zaczęliśmy zastanawiać się, jak zbudowane jest jądro atomowe, odkryliśmy oddziaływania silne i słabe. Współcześnie rozróżniamy cztery oddziaływania elementarne: oddziaływanie elektromagnetyczne, oddziaływanie słabe, oddziaływanie silne i grawitację. Udało się połączyć w jedną, spójną teorię oddziaływanie elektromagnetyczne i słabe. Mówimy o oddziaływaniach elektrosłabych. Teraz wierzymy, że jesteśmy blisko teorii łączącej oddziaływania elektrosłabe z silnymi w ramach kwantowej teorii pola. Ale grawitacja nam umyka - opisał ją Einstein w ogólnej teorii względności, ale z innymi teoriami nie daje jej się połączyć. Nie potrafimy tego, choć przeczuwamy (oraz mamy pewne przesłanki teoretyczne), że grawitacja oraz pozostałe oddziaływania elementarne są szczególnymi przypadkami jeszcze większej teorii, której jeszcze nie znamy (kandydatką na taką teorię unifikującą jest m.in. teoria superstrun). Fale grawitacyjne mogą być narzędziem, które pozwoli nam weryfikować prawdziwość różnych hipotez. Po co? W skrócie: jeśli chcemy wymyślić teleportację, musimy wiedzieć o świecie tyle, ile bohaterowie "Star Treka".

3
Fot. Nature News Fot. Nature News

Co to są fale grawitacyjne?

No właśnie, piszę o falach grawitacyjnych, jakie to one ważne, ale co to właściwie jest? Zaraz spróbujemy to wytłumaczyć.

Wyobraź sobie, czytelniku, że naciskasz przycisk "stop", który zatrzymuje wszystko, calutki wszechświat. Od małej mrówki na Ziemi po galaktyki. I to wszystko możesz policzyć, zważyć i zmierzyć. Technicznie trudne, ale możesz chyba sobie taką "stopklatkę" wyobrazić.

To teraz wyobraź sobie, że robisz takie stopklatki co chwilkę. I że ktoś je robił przed tobą, od Wielkiego Wybuchu. I ktoś to będzie robił aż do końca wszechświata.

I teraz zbierzmy te wszystkie stopklatki razem - to jest czasoprzestrzeń. Jeden obiekt, w którym nie ma przeszłości i przyszłości, tylko jest wszystko, łącznie z całym czasem.

Ponieważ częściami składowymi czasoprzestrzeni są zarówno czas jak i przestrzeń, to musimy przestać mówić o punktach w przestrzeni, a musimy zacząć mówić o zdarzeniach. Bo każde zjawisko (czyli zdarzenie) opiszemy współrzędnymi przestrzennymi i czasowymi. Wyobraź sobie linijkę o długości metra, na której umieszczono zegarki. Wszystkie wskazują tę samą godzinę. Ale jeśli będzie na nią patrzył ktoś, kto porusza się z wielką prędkością, to zobaczy, że linijka ma na przykład 80 cm długości, ale za to zegarki pokazują inny czas. Sam fakt, że z czyjegoś punktu widzenia linijka zmienia długość nie powinien cię dziwić. Można odpowiednio obrócić linijkę, tak że jeden jej koniec będzie bliżej, a drugi dalej od nas. Linijka wydaje się krótsza, choć doskonale wiemy, że wcale się nie skróciła. Po prostu jeden z jej wymiarów "zanurzył się" w głąb przestrzeni. Podobnie jest z czasoprzestrzenią. Jeśli poruszamy się względem linijki, to tak jakbyśmy obracali nią, ale jeden jej koniec pokazuje wcześniejszy czas, a drugi późniejszy. Tak jakbyśmy ją obrócili, ale w głąb czasu. - Linijkę postrzegamy jako krótszą, ale podobnie jak ze zwykłymi obrotami w przestrzeni, jest wielkość która przy obrotach czasoprzestrzennych pozostaje niezmienna. Tę wielkość fizycy nazywają interwałem czasoprzestrzennym - tłumaczy Jacek Błoniarz-Łuczak.

W dużym uproszczeniu mówiąc: dwóch obserwatorów może mieć inne pomiary czasu i przestrzeni danego zdarzenia, ale specyficzna "suma" odległości przestrzennej i odległości czasowej między dwoma zdarzeniami będzie stała, niezależnie od obserwatora. A teraz wyobraź sobie dwa zdarzenia (o odległości jednego metra i jednej sekundy). Jeśli przysuniemy między nie wielką masę (taką jak czarna dziura), to metr i sekunda zmienią się, bo wielkie masy odkształcają czasoprzetrzeń (modyfikują jej geometrię i "przepis" na mierzenie odległości przestrzennych i czasowych). W tym miejscu wyobraź sobie nienapompowany balonik. Możesz go rozciągać, gnieść, robić palcem wybrzuszenia, przez co zmieniają się na jego powierzchni odległości, prawda? W wielkim uproszczeniu tak działają wielkie masy na czasoprzestrzeń.

A teraz usuńmy czarną dziurę. Czasoprzestrzeń wróci do poprzedniego stanu, metr stanie się znów metrem. Ale nie stanie się to ot tak, tylko powoli. Najpierw zmieni się czasoprzestrzeń blisko czarnej dziury, która zniknęła, potem dalej. Informacja o jej zniknięciu będzie się "rozchodziła", a nośnikiem tej fali jest sama czasoprzestrzeń. I to jest właśnie fala grawitacyjna.

4
Fot. Paramount/Warner Bros/Legendary Pictures Fot. Paramount/Warner Bros/Legendary Pictures

Słowniczek

Wleczenie układu inercjalnego - wyobraź sobie miskę wypełnioną wodą. Jeśli włożysz do niej kulkę i zaczniesz kręcić, to woda też zacznie krążyć, jakby kulka ją "wlekła". Teraz wyobraź sobie, że woda to analogia czasoprzestrzeni. Czasoprzestrzeń może być wleczona! Teoria Einsteina opisuje, jak to się dzieje. Doświadczenie potwierdzają- ce to zjawisko udało się przeprowadzić dopiero w XXI w.

Precesja peryhelium Merkurego - chodzi o to, że planety krążą wokół Słońca po orbitach eliptycznych. A te orbity zmieniają swoje położenie, o tak, jak na rysunku. Tego zjawiska nie jest w stanie wytłumaczyć wcześniejsza teoria Newtona.

5
Więcej na ten temat: nauka