Koja je važnost otkrića gravitacijskih valova?

Dana 11. veljače 2016. znanstvenici eksperimenta LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) objavili su svijetu vijest o otkriću gravitacijskih valova. Vijest je izazvala veliku pozornost fizičara diljem svijeta, ali i šire javnosti. Sasvim je stoga prirodno upitati što uopće jesu gravitacijski valovi? I zašto je to otkriće važno?

Pa pokušajmo najprije dočarati odgovor na pitanje što su gravitacijski valovi. Proteklih tjedana sigurno ste u medijima uočili različita objašnjenja koja su glasila otprilike ovako: „Gravitacijski valovi su mreškanje zakrivljenosti prostor-vremena“. Ovo je kratak i u svojoj biti točan odgovor. Kaže puno, ali opet – sva je prilika da ne znate što je to uopće prostor-vrijeme, a kamoli zakrivljeno te zašto bi se sve to mreškalo, zar ne? Pojam mreškanja predstavlja valove i svima je dobro poznat iz svakodnevnog života. Valovi na vodi, valovi koje kao koreografiju izvode navijači na stadionu, valovi zvuka koji nam omogućavaju slušanje omiljene glazbe. U svim ovim primjerima lako je uočiti medij koji se mreška (kojim putuju valovi): voda, sami navijači formiraju valove naizmjence ustajući i sjedajući, zrak kojim se širi zvuk. Ali postoje i valovi prostor-vremena. Što je to prostor-vrijeme? To je već malo teže intuitivno predočiti. Vjerujte , čak i ako ste i sami teorijski fizičar. Za taj pojam i njegovo uvođenje u fiziku važan je znanstvenik čije se ime također ovih dana puno spominjalo, sasvim zasluženo. Riječ je, naravno, o Albertu Einsteinu.

Prije nego objasnimo Einsteinovu ulogu i prostor-vrijeme vratit ćemo se do još jednog genijalnog fizičara, Isaaca Newtona. Jedan od razloga je i taj što u svakodnevnom životu najizravnije osjećamo fizikalne zakone koje je on formulirao.

Na primjer, za svaku akciju postoji reakcija. Ili, ako na tijelo ne djeluju sile, ono će ili mirovati ili se gibati jednolikom brzinom. Ako na tijelo djeluju sile, ono će se gibati poštujući fizikalni zakon F=m*a (sila je ta koja masi daje ubrzanje). O Newtonovu zakonu gravitacije vjerojatno je suvišno trošiti riječi; posve je očigledan ljudskim osjetilima još od najranije dobi. Već kao jako mali borimo se s njom kako bismo prestali puzati i napokon uspravno prohodali. Od famozne jabuke iz anegdote o Newtonu pa do planeta, sve se ponaša (pada) prema tom zakonu.

Točan koncept prostora

U Newtonovu opisu fizike javlja se i točno određen koncept prostora koji nam je također blizak. Kako bismo opisali gibanje predmeta, moramo im znati položaj i njegove promjene u vremenu. Položaj predmeta u prostoru opisujemo koordinatama, i to u tri dimenzije: u smjerovima lijevo-desno, gore-dolje, naprijed-natrag. A kada zabilježimo udaljenost predmeta od nas u te tri koordinate, ujedno smo opisali i njegov položaj. Zahvaljujući tim trima koordinatama prostor je trodimenzionalan, a za promjenu položaja, odnosno gibanje, treba nam još i pojam vremena. Iako je možda teško, bilo kao filozof ili fizičar reći što vrijeme točno jest, svakom je čovjeku iskustveno sasvim blizak njegov neumitni protok. Imamo, dakle, prostor koji opisujemo koordinatama te vrijeme koje možemo mjeriti i u Newtonovoj fizici to je sasvim dovoljno. Važan je i pojam istovremenosti događaja. Naime, koordinate možete izabrati vi i ja koji mirujem u odnosu na vas, ili netko treći tko se u odnosu na nas giba jednolikom brzinom. One će biti različite jer ćemo udaljenosti predmeta mjeriti svatko u odnosu na sebe. Ali vrijeme ćemo svi mjeriti isto. Ako bilo tko od nas primijeti dva događaja koji se zbivaju istovremeno, s tim ćemo se složiti i svi ostali. Također, lako je odrediti i relativne brzine predmeta. Ako vi stojite i netko se u odnosu na vas vozi u automobilu brzinom od 60 km/h, a ja brzinom od 100 km/h, on će reći da se ja od njega udaljavam brzinom od 40 km/h.

Istovremeno ili ne?

Većinu stvari koje svakodnevno doživljavamo moguće je objasniti Newtonovim zakonima fizike. Međutim, još je krajem devetnaestog stoljeća postalo jasno kako postoje i pojave za koje oni nisu dovoljni. Naime, Maxwellove jednadžbe koje su opisivale ponašanje električnih i magnetskih polja predviđale su postojanje elektromagnetskih valova koji se šire brzinom svjetlosti (sva svjetlost koju vidimo nije ništa drugo nego elektromagnetski val, makar je ta činjenica i nebitna ako niste fizičar). Problem nastaje kad se prisjetimo logičnog načina zbrajanja brzina u Newtonovoj fizici. Ako stojite i svjetlost se u odnosu na vas kreće brzinom od 300.000 km/s, a ja se vozim u raketi i putujem u odnosu na vas brzinom od 100 km/s, logično je (razmišljajući newtonovski) da se svjetlost u odnosu na mene kreće brzinom od 299.900 km/s. Eksperiment je rekao drukčije. Michelson-Morleyev eksperiment pokazao je da se svjetlost u odnosu na mene i vas i sve ostale koji se možda kreću različitim brzinama u odnosu na nas giba jednakom brzinom od 300.000 km/s. Drugim riječima, nešto ne štima u Newtonovoj slici. Naprosto nije u skladu s mjerenom činjenicom da je brzina svjetlosti za sve promatrače ista, neovisno o tome kakvim se oni brzinama gibaju jedan u odnosu na drugog. Einstein je pronicljivo shvatio kako je potrebno promijeniti koncept vremena i istovremenosti, što je najjednostavnije ilustrirati jednim primjerom. Zamislite da se u raketi gibam jako brzo u odnosu na vas. Sa mnom je u raketi još dvoje ljudi. Jedan se nalazi u nosu rakete, a jedan u repu. Ja sam na pola puta između njih. Oboje pošalju svjetlost prema meni (recimo, upale baterijsku svjetiljku), i to u istom trenutku prema mom satu (poimanju vremena). Ja ću je nakon nekog vremena i primiti istovremeno jer sam jednako udaljen od obje osobe. Zasad nema problema i sve zvuči vrlo logično. Iz vaše perspektive signali su poslani i putuju prema meni brzinom svjetlosti. Ali nakon što su poslani, svjesni ste da se ja krećem zajedno s raketom. Približavam se jednoj od zraka koja mi je poslana (onoj iz nosa rakete) i time joj skraćujem put. Onoj drugoj ga produljujem (sustići će me, ali dotad sam već odmakao od točke iz koje je krenula). U vašem oku zainteresiranog promatrača zraka kojoj idem ususret stiže do mene prije od one od koje se udaljavam. Problem je očit: za mene signali stižu istovremeno.

Međutim, isti taj događaj vama nije istovremen jer jedna zraka stiže do mene prije druge. Ne razlikuju se samo naše koordinate prostora kojima opisujemo položaje predmeta ili događaja, nego i opis vremena, odnosno trenutka u kojem se oni događaju. Možemo stoga proglasiti vrijeme jednom od koordinata, koristeći prostorvrijeme za opis svijeta, pri čemu su prostor i vrijeme nerazdvojivi pojmovi. Ja događaje opisujem tako što ću im pridijeliti položaj u prostoru i vrijeme kada su se dogodili kao jedinstvene podatke. I vi ćete to napraviti. Ali sada će se sva četiri broja (prostor-vrijeme je četverodimenzionalno) koja vi koristite razlikovati od onih koje ja koristim. U Newtonovoj fizici razlikovale su se tri prostorne koordinate, ali koristili smo isti pojam vremena i istovremenosti, a pojmovi prostora i vremena bili su odvojene stvari. Posljedica svega ovoga je i činjenica da je brzina svjetlosti ujedno i najveća brzina kojom se bilo koji signal može širiti. Vjerujte mi na riječ. Time smo se približili odgovoru na pitanje s početka priče. Uspjeli smo doći do pojma prostor-vremena. Što znači da je ono zakrivljeno? Nakon što je razriješio misterij brzine svjetlosti, Maxwellovih jednadžbi i uveo u fiziku koncept prostor-vremena, Einstein je uočio još nešto nelogično u Newtonovoj fizici, a imalo je veze s gravitacijom. Gravitacija je u Newtonovoj fizici sila. I to sila koja se trenutačno realizira. Sunce svojom masom privlači Zemlju. U Newtonovoj fizici, kada bi Sunce iznenada prestalo postojati, istoga bi trenutka nestao i utjecaj njegove gravitacije na Zemlju. Budući da se nijedan signal ne može širiti brže od svjetlosti, kada bi Sunce iznenada nestalo, mi bismo trebali osjetiti nestanak njegove gravitacijske sile tek kada bi signal o tome brzinom svjetlosti (koja jest velika, ali nije beskonačna) došao do nas. Točnije, saznali bismo to tek osam minuta nakon što se dogodilo. Zbog toga je trebalo ponovo izmijeniti Newtonove ideje, ovaj put o gravitaciji, tako da se uvaži činjenica da nijedan signal ne može putovati brže od svjetlosti. Kako? Genijalnom Einsteinovom idejom koja je još jednom promijenila naše poimanje svijeta.

Pretpostavio je da gravitacija u svojoj biti nije sila, već se njeni učinci mogu objasniti tako da se umjesto prostorvremena koje smo prije opisali, a koje je u određenom matematičkom smislu ravno, uvede zakrivljeno prostor-vrijeme. Zbunjujuće, zar ne? Recimo da je prostor-vrijeme ribarska mreža te svaka linija u toj mreži predstavlja koordinate položaja i vremena za koje smo rekli da su nerazdvojivi. Ako rastegnemo tu mrežu tako da bude sasvim ravna, to je onda ravno prostor-vrijeme. Što uzrokuje gravitaciju? Masa. Zamislite sada da na tu rastegnutu ribarsku mrežu stavimo predmet male mase. Recimo, tenisku lopticu. Mreža bi se na tom mjestu malo udubila tj. iskrivila. Zamislite sada da netko stavi košarkašku loptu čija je masa (gravitacija) veća. Mreža bi se na tom mjestu još više udubila. Analogno tome, stavimo li atletsku kuglu (još veće mase odnosno gravitacije) zakrivljenost mreže (udubljenje) bila bi još izraženija. Što bi se dogodilo da zakotrljate malu kuglicu poput loptice za stolni tenis duž mreže? Pa vjerojatno bi se skotrljala u neku od udubina koju su napravile veće, masivnije kugle. U tome je ležalo Einsteinovo rješenje problema s Newtonovom gravitacijom. Nema potrebe tretirati gravitaciju kao silu između dva tijela, poput Sunca i Zemlje. Bolje je i fizikalno točnije i ispravnije razmišljati da Sunce (kao atletska kugla) zakrivljuje ili, ako vam je draže, udubljuje prostor-vrijeme (u našem primjeru ribarsku mrežu). Krećući se prostor-vremenom, Zemlja ima težnju upasti u to udubljenje ili se njime vrtjeti na sličan način na koji loptica za stolni tenis, ako je zakotrljate po mreži, ima težnju skotrljati se ili se vrtjeti u udubljenju koje stvara teška kugla. To je ispravan opis onoga što običavamo zvati (poučeni Newtonom) gravitacijskom silom između Sunca i Zemlje. Sada se već polako približavamo rješenju enigme; uveli smo prostor-vrijeme, shvatili kako i zašto možemo reći da je zakrivljeno te nam još samo nedostaju valovi.

Udubine koje stvara masa

To pak iziskuje još jedan primjer. Zamislite na našoj imaginarnoj ribarskoj mreži dvije jako teške kugle. Svaka će stvoriti svoju udubinu na mjestu gdje se nalazi. Mreža (prostor-vrijeme) zakrivljena je, ali uvijek ista. Situacija je, rekli bismo, statična. Ali zamislite sada da se te dvije kugle počnu okretati jedna oko druge. Svojim kretanjem na mreži prouzročile bi valove jer se ulegnuća koja zajedno stvaraju neprestano kreću i mijenjaju. Drugim riječima, mreškaju se. Što bi ti valovi koje stvaraju teške kugle radili malim laganim stolnoteniskim lopticama koje su udaljene od njih? Kada bi valovi došli do njih, i one bi se malo prodrmale naokolo i udaljenost među njima bi se, zbog toga, pri prolasku vala malo promijenila u skladu s titrajima vala. Dakle, naša mreža (prostor-vrijeme) zakrivljena je zbog prisutnosti teških kugli. Ako se kugle kreću, mrežom idu valovi. I eto nam napokon naših gravitacijskih valova koji su mreškanje zakrivljenog prostor-vremena. A nešto slično onome što bi valovi na mreži napravili stolnoteniskim lopticama daleko od teških kugli iskorišteno je u LIGO eksperimentu da bi se ti valovi detektirali.

Naravno, priča je puno sofisticiranija. Umjesto teških kugli, stvarni su izvori dvije crne rupe koje se vrte jedna oko druge, približavaju se jedna drugoj i u konačnici se stope u jednu, veću crnu rupu. Gravitacijski valovi koji pri tome nastaju šire se tkivom prostor-vremena (kao što se valovi koje proizvedu teške kugle šire mrežom). Ti isti valovi prevale velike udaljenosti prostora i vremena i na kraju (kao što bi valovi na mreži protresli stolnoteniske loptice) uzrokuju male pomake zrcala koja se koriste za detekciju u LIGO eksperimentu. Ta su zrcala nevjerojatno glatka, „ispeglana“ na točnost od milijuntog dijela milimetra (i bolje!). Nalaze se na krajevima tunela dužine 4 km u dva kraka u obliku slova L, i to na dva mjesta u SAD-u udaljena 3000 km. U tunelima je proizveden drugi najveći vakuum na Zemlji (isisan je zrak koji bi napunio dva milijuna nogometnih lopti). Zrcala su zaštićena i ovješena na jako kompliciranom sustavu čija je zadaća eliminirati sve moguće smetnje iz okoline (prolazak vozila, minijaturnih potresa koji se neprestano događaju, pa čak i zvonjavu telefona, jer sve to može pomaknuti zrcala i pokvariti mjerenje ili proizvesti lažni signal). Ali, zašto uopće zrcala? Zato što su pomaci toliko mali (otprilike kao da pokušavate otkriti je li se promjer Zemlje koji je veći od 12 tisuća kilometara promijenio za veličinu jednog protona) da se umjesto izravnog mjerenja njihova pomaka promatraju svjetlosni efekti. Točnije, interferencija svjetlosti koju proizvode laseri. Ta se svjetlost onda i do 400 puta reflektira u svakom od dva kraka eksperimentalnog uređaja u obliku slova L. Kada se zrake iz dva kraka susretnu, ako nema gravitacijskih valova, dogodi se poništavanje njihovih signala i nema svjetlosti na detektoru.

Važnost otkrića

Ali ako prođe gravitacijski val i neznatno pomakne zrcala svjetlosni signali iz dva kraka ne ponište se potpuno i na detektoru se pojavi svjetlosni signal. Kako se zrcala mogu malo pomaknuti i nekim slučajnim događajima koje sam već spominjao, važno je znati i karakteristike očekivanog signala. One se određuju složenim simulacijama, korištenjem teorijskih modela i uz pomoć superračunala. Na neki način moguće je odrediti „potpis“ gravitacijskog vala koji će ga razlikovati od slučajnih pomaka zrcala. U svrhu eliminacije pogrešne detekcije eksperiment se i izvodi na dva mjesta u Americi (a uskoro će biti i novih uređaja u Njemačkoj, Italiji, Japanu i Indiji). Jer, ako opazite karakteristični „potpis“ gravitacijskog vala na dva različita udaljena mjesta, mala je vjerojatnost da se radi o slučajnosti.

Koja je važnost otkrića gravitacijskih valova? Za početak novi način promatranja svemira nudi veće mogućnosti novih spoznaja, jednako kao u slučaju upotrebe moćnih teleskopa, najprije u vidljivoj svjetlosti, a potom i u infracrvenoj, ultraljubičastoj svjetlosti i slično. Tako ćemo (ili se barem tako nada brojna zajednica fizičara) puno saznati i promatrajući zračenje u obliku gravitacijskih valova. Posebice kada je riječ o crnim rupama koje ne zrače svjetlost (otud im i ime), ali svejedno mogu proizvoditi gravitacijske valove ako kruže jedna oko druge. Jednostavno, otvara nam se novi prozor koji će proširiti naše vidike i spoznaje o svemiru. Opažanje gravitacijskih valova još je jedna potvrda Einsteinove teorije relativnosti iako treba reći da je ta teorija provjerena i brojnim drugim eksperimentima od kojih su se neki dogodili samo nekoliko godina nakon što je ona formulirana (1915.), poput zakretanja svjetlosti oko Sunca ili objašnjenja nepravilne putanje planeta Merkura koju nije bilo moguće objasniti Newtonovom teorijom.

Možete na kraju svega reći: „Lijepo, ali kakav je zapravo značaj svega opisanoga u našem svakodnevnom životu?“ Istini za volju, neposredni utjecaj gravitacijskih valova nećete osjetiti. No zato bi bez Einsteinovih ideja o prostor- vremenu GPS (Global Positioning System) sustav bio potpuno beskoristan. Štoviše, GPS sustav bi već nakon dva sata rada griješio cijeli kilometar. A u tom slučaju, složit ćete se, teško bismo ga mogli nazvati (korisnim) navigacijskim sustavom.

Ako vam je cijela ova priča ipak malo previše, a netko vas ipak priupita što su to gravitacijski valovi, slobodno mu recite kako su „gravitacijski valovi mreškanje zakrivljenosti prostor-vremena“. Nećete pogriješiti.

Ovaj tekst izašao je u posljednjem broju časopisa iQ koji možete kupiti na kioscima