https://frosthead.com

Zaznavanje gravitacijskih valov je bilo znanstveni preboj, a kaj sledi?

Pred več kot milijardo let v galaksiji, daleč stran, dve črni luknji sta v hitrem pasu de deux izvedli zadnje korake, kar se je zaključilo s tako silovitim objemom, da je sprostilo več energije kot kombinirani izhod vsake zvezde v vsaka galaksija v opazovanem vesolju. Vendar je bila energija, za razliko od zvezdne svetlobe, temna, ki jo je nosila nevidna sila gravitacije. 14. septembra 2015, ob 5:51 po vzhodnem dnevnem času, je delček te energije v obliki "gravitacijskega vala" dosegel Zemljo, zmanjšan s svojim ogromnim tranzitom skozi vesolje in čas na zgolj šepet gromozanskega utripa začetek.

Povezane knjige

Preview thumbnail for video 'The Elegant Universe

Elegantno vesolje

Nakup

Kolikor vemo, se je Zemlja že prej kopala v tej vrsti gravitacijskih motenj. Pogosto. Razlika je to, da sta bila dva pripravljena natančno detektorja, eden v Livingstonu, Louisiani in drugi v Hanfordu v Washingtonu. Ko je gravitacijski val zasukal detektorje, je dal nedvomen podpis trkajočih črnih lukenj na drugi strani vesolja in označil začetek novega poglavja v človekovem raziskovanju vesolja.

Ko so januarja začele krožiti govorice o odkritju, sem zasukal oči, kaj očitno je bil lažni alarm ali zaplet, da bi malo razburil. Kot raziskovalni program že v petem desetletju je bil lov na gravitacijske valove že zdavnaj največje odkritje, ki je vedno lebdelo na obzorju. Fiziki so se opustili čakati na svoj gravitacijski Godot.

Toda človeška iznajdljivost in vztrajnost sta zmagali. To je ena tistih zmag, ki dajejo tudi tistim med nami, ki navijajo iz stranskih tresljajev.

Tu je zgodba, na kratko.

Lani novembra je svet praznoval stoletnico največjega Einsteinovega odkritja, splošne teorije relativnosti, ki je razkrila novo paradigmo razumevanja gravitacije. Pristop Isaaca Newtona pravilno napoveduje gravitacijsko privlačnost med dvema objektoma, vendar ne daje vpogleda v to, kako lahko nekaj tukaj doseže čez prazen prostor in nekaj potegne tam. Einstein je preživel desetletje, ko je želel ugotoviti, kako se gravitacija sporoča, in na koncu sklepal, da prostor in čas tvorita nevidno roko, ki dela težnost.

Preview thumbnail for video 'Subscribe to Smithsonian magazine now for just $12

Naročite se na revijo Smithsonian zdaj že za samo 12 dolarjev

Ta zgodba je izbor iz aprilske številke revije Smithsonian

Nakup

Metafora izbire, pretirano uporabljena, a evokativna, je, da o prostoru razmišljamo kot o trampolinu. Na sredino trampolina postavite žogo za balinanje, kar povzroči, da se bo ukrivila, marmor pa bo potegnjen, da bo potoval po ukrivljeni poti. Podobno je Einstein izjavil, da se v bližini astronomskega telesa, kot je Sonce, krili vesoljsko-časovni okoliš, kar pojasnjuje, zakaj Zemlja, podobno kot marmor, sledi ukrivljeni poti. Do leta 1919 so astronomska opazovanja potrdila to izjemno vizijo in naredila Einsteina Einsteina.

Einstein je svoje pomembno odkritje potisnil še naprej. Do tega trenutka se je osredotočil na statične situacije: določanje fiksne oblike območja vesoljskega časa, ki izhaja iz določene količine snovi. Toda Einstein se je nato obrnil na dinamične situacije: Kaj bi se zgodilo s tkanino v vesolju, če bi se zadeva premaknila in pretresla? Zavedel se je, da ko otroci, ki skačejo na trampolinu, ustvarjajo valove v površini, ki se valijo navzven, tudi snovi, ki se premikajo na ta način in ki bodo ustvarile valove v tkanini vesolja, ki se valijo tudi navzven. In ker je po splošni relativnosti ukrivljen vesoljski čas gravitacija, je val ukrivljenega vesoljskega časa gravitacijski val.

Gravitacijski valovi predstavljajo najpomembnejši odstop splošne relativnosti od Newtonove gravitacije. Prilagodljiv vesoljski čas je zagotovo globok preoblikovanje gravitacije, vendar se v znanih okoliščinah, kot je gravitacijski poteg Sonca ali Zemlje, Einsteinove napovedi komaj razlikujejo od Newtonovih. Ker pa Newtonova gravitacija molči glede prenosa gravitacije, pojem potujočih gravitacijskih motenj nima mesta v Newtonovi teoriji.

Tudi sam Einstein je imel pomisleke glede napovedovanja gravitacijskih valov. Ko se prvič srečamo s subtilnimi enačbami splošne relativnosti, je težko izločiti abstraktno matematiko od merljive fizike. Einstein je bil prvi, ki se je ukvarjal s tem nagovorom, in pojavile so se lastnosti, ki jih tudi on, cinozura relativnosti, ni znal popolnoma razumeti. Toda do šestdesetih let prejšnjega stoletja so znanstveniki z bolj izpopolnjenimi matematičnimi metodami nedvomno ugotovili, da so gravitacijski valovi razlikovalna značilnost splošne teorije relativnosti.

Ilustracija gravitacijskih valov Ponazoritev gravitacijskih valov (John Hersey)

Kako bi torej lahko preizkusili to ikonično napoved? Leta 1974 sta Joseph Taylor in Russell Hulse z radijskim teleskopom Arecibo odkrila binarni pulsar: dva orbita nevtronskih zvezd, katerih orbitalno obdobje je bilo mogoče natančno spremljati. Glede na splošno relativnost zvezde v orbiti ustvarjajo enakomerno pohod gravitacijskih valov, ki odvajajo energijo, zaradi česar se zvezde hitreje spustijo in krožijo v orbito. Opazovanja so to napoved potrdila za T in zagotovila, čeprav posredno dokaz, da so gravitacijski valovi resnični. Hulse in Taylor sta leta 1993 prejela Nobelovo nagrado.

Zaradi tega dosežka je bilo neposredno zaznavanje gravitacijskih valov še bolj vabljivo. Toda naloga je bila zastrašujoča. Izračuni kažejo, da se kot gravitacijski val vali skozi vesolje, karkoli na svoji poti alternativno raztegne in stisne vzdolž osi, pravokotne na smer gibanja vala. Gravitacijski val, usmerjen naravnost proti ZDA, bi se izmenično raztezal in stisnil prostor med New Yorkom in Kalifornijo ter med Teksasom in Severno Dakoto. Z natančnim spremljanjem takšnih razdalj bi morali torej določiti prehod vala.

Izziv je, da ko se razprši, ko se razprostira, gravitacijska valovitost odmre, ko se potuje od izvira. Ker se največji kozmični trki običajno zgodijo zelo daleč od nas (na srečo), ko gravitacijski valovi dosežejo Zemljo, je količina raztezanja in stiskanja majhna - manjša od atomskega premera. Zaznavanje takšnih sprememb je na primer merjenje oddaljenosti od Zemlje do najbližje zvezde onkraj osončja z natančnostjo, boljšo od debeline lista papirja.

Prvi poskus, ki ga je v šestdesetih letih prejšnjega stoletja uvedel Joseph Weber z Marylandove univerze, je uporabil večtonske trdne aluminijaste jeklenke v upanju, da bodo nežno odmevale kot velikanske nastavitvene vilice kot odgovor na minljiv gravitacijski val. Do začetka sedemdesetih let je Weber zahteval uspeh, velik čas. Poročal je, da gravitacijski valovi zvonijo njegov detektor skoraj vsakodnevno. Ta pomemben dosežek je navdihnil druge, da potrdijo Weberjeve trditve, a po letih poskusov nihče ni mogel ujeti niti enega samega vala.

Weberjevo trdovratno prepričanje v njegove rezultate je dolgo po tem, ko so zbrani dokazi predlagali drugače, prispevalo k perspektivi, ki je obarvala polje desetletja. Skozi leta so mnogi znanstveniki verjeli, tako kot Einstein, da bi bili tudi gravitacijski valovi resnični, da bi bili kdaj prešibki. Tisti, ki so se nameravali najti, so se norčevali in tisti, ki verjamejo, da so trditve o odkritju preslepile.

Do 70. let prejšnjega stoletja se je nekaj, ki je še vedno imel napake zaradi gravitacijskega vala, obrnil na obetavnejšo shemo zaznavanja, v kateri bodo laserji uporabili za primerjavo dolžin dveh dolgih enakih tunelov, usmerjenih med seboj na 90 stopinj. Pretežni gravitacijski val bi raztegnil en predor, medtem ko bi stisnil drugega, kar bi rahlo spremenilo razdalje, ki jih prevozijo laserski žarki, sproženi vzdolž vsakega. Ko se dva laserska žarka naknadno rekombinirata, je dobljeni vzorec, ki ga tvori svetloba, občutljiv na minutne razlike v tem, kako daleč je prehodil vsak žarek. Če gravitacijski val zavije mimo, bi tudi najmanjša motnja, ki jo ustvarja, pustila spremenjen laserski vzorec.

Lepa ideja. Toda bližnji kladivi, ropotajoči tovornjaki, sunki vetra ali padajoča drevesa bi lahko motili tak poskus. Pri iskanju razlik v dolžini, ki je manjši od milijarde milijardnih metrov metra, postane sposobnost zaščititi napravo pred vsakim možnim vznemirjanjem okolja, čeprav rahlo, zelo pomembno. S to na videz nepremostljivo zahtevo so najsayerji dobili še več streliva. Z lovljenjem gravitacijskega vala bi Horton povzročil, da bi slišal "Kdo", celo čez ropotajoči se podzemni železnici New Yorka, zgolj otroška igra.

Kljub temu sta ameriška fizika Kip Thorne in Rainer Weiss, ki sta se jim kasneje pridružila škotski fizik Ronald Drever, sanjala o gradnji laserskega detektorja gravitacijskega vala in so sprožila kolesa, da bi to sanje uresničila.

Leta 2002, po nekaj desetletjih raziskav in razvoja ter več kot 250 milijonov dolarjev naložb Nacionalne znanstvene fundacije, sta bila v Livingstonu v Louisiani nameščena dva znanstvena in tehnološka čuda, ki sestavljata LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Hanford, Washington. V evakuiranih tunelih dolgih štiri kilometre v obliki velikanske črke "L" bi bil nameščen laserski žarek, približno 50.000-krat močnejši od standardnega laserskega kazalca. Laserska svetloba bi se odbijala naprej in nazaj med najmehkejša ogledala na svetu, postavljena na nasprotne konce vsake roke, in iskala majhno neskladje v času, ki je potreben vsakemu za dokončanje poti.

Raziskovalci so čakali. In čakala. Toda po osmih letih nič. Brez dvoma, seveda, a kot so trdile raziskovalne skupine, ni presenetljivo. Izračuni so pokazali, da je LIGO komaj na pragu občutljivosti, ki je potreben za zaznavanje gravitacijskih valov. Tako so leta 2010 ustavili LIGO zaradi različnih nadgradenj v višini več kot 200 milijonov dolarjev, jeseni 2015 pa je bil vklopljen izboljšani LIGO, mnogokrat bolj občutljiv. Šokantno je, da je manj kot dva dni pozneje nenadoma drhtelo detektor v Louisiani, sedem milisekund pozneje pa je detektor v Washingtonu trkal na skoraj povsem enak način. Vzorec občutljivih vibracij se je ujemal z računalniškimi simulacijami, ki so jih napovedovale gravitacijske valove, ki bi jih ustvarili končni utripi orbite črnih lukenj, ki se zrušijo skupaj.

Moj prijatelj na notranji strani, zaprisežen na skrivnost, vendar pripravljen podati ne tako subtilen namig, mi je rekel: "Zamislite si samo, da so se naše najbolj sanje uresničile." Toda to je bilo to zadiranje gravitacijskega vala-jackpota kar je raziskovalcem postavilo premor. Bilo je skoraj preveč popolno.

LIGO aparati Naprava LIGO je odvisna od natančno izdelanih in popolnoma čistih ogledal. (Matt Heintze / Caltech / MIT / LIGO Lab)

Z nekajmesečnim intenzivnim in prizadevnim prizadevanjem natančnega preiskovanja vseh drugih razlag, ki so bile kljub temu neverovatne, je ostal samo en sklep. Signal je bil pravi. Stoletje po tem, ko je Einstein napovedal njihov obstoj, je prvo neposredno odkrivanje gravitacijskih valov slavilo več kot 1000 znanstvenikov, ki so delali na eksperimentu LIGO. Natančni šmor gravitacijskega cunamija, ki je bil sproščen pred več kot milijardo let, je zasledil sled temne združitve nekje na globokem južnem nebu.

Uradno sporočilo za javnost 11. februarja v Washingtonu, DC, je bilo električno. Na moji instituciji, univerzi Columbia, smo morali prestaviti tok v živo na eno največjih prizorišč v kampusu in podobne zgodbe so se odigrale na univerzah po vsem svetu. Za kratek trenutek so gravitacijski valovi poskočili predsedniško napoved.

Navdušenje je bilo upravičeno. Zgodovina bo na odkritje gledala kot na eno redkih prelomnih točk, ki spreminjajo potek znanosti. Odkar je prvi človek pogledal v nebo, smo vesolje raziskovali z valovi svetlobe. Teleskop je to sposobnost bistveno izboljšal in z njim smo naleteli na sijaj novih kozmičnih pokrajin. V 20. stoletju smo razširili vrste svetlobnih signalov, ki jih zaznamo - infrardeče, radijske, ultravijolične, gama in rentgenske žarke - vse oblike svetlobe, vendar z valovno dolžino zunaj dosega, ki ga vidimo s prostim očesom. In s temi novimi sondami je kozmična pokrajina še vedno rasla.

Gravitacijski valovi so popolnoma drugačna vrsta kozmične sonde, ki lahko prinese še bolj dramatične posledice. Svetloba se lahko blokira. Neprozoren material, na primer okensko senčilo, lahko blokira vidno svetlobo. Kovinska kletka lahko blokira radijske valove. Nasprotno pa gravitacija prehaja skozi vse, praktično nespremenjeno.

In tako bomo z gravitacijskimi valovi kot našo sondo lahko preučili področja, ki so svetlobi zunaj meja, kot je kaotično vesolje v vesolju, ko se trčijo dve črni luknji ali morda divji ropot samega velikega brega pred 13, 8 milijarde let. Že opazovanje je potrdilo idejo, da lahko črne luknje tvorijo binarne pare. Še bolj se mučite, morda bomo našli temno pokrajino, poseljeno s stvarmi, ki si jih še nismo zamislili.

Ker mreža detektorjev po vsem svetu - v Italiji, Nemčiji, kmalu na Japonskem in verjetno v Indiji - zbira svoje podatke, upajmo, da se jih bo v prihodnosti pridružil ogromen detektor, ki deluje v vesolju, bo naša sposobnost sonde kozmosa naredila še en velikanski skok naprej. Kar je nadvse navdušujoče. Nič ni bolj navdihujočega kot naša zmogljivost, sredi naših vedno prisotnih zemeljskih bojev, pogledati, se spraševati in iznajdljivosti ter predanosti videti malo dlje.

**********

Avtor gledanja Brian Greene razlaga gravitacijske valove :

Zaznavanje gravitacijskih valov je bilo znanstveni preboj, a kaj sledi?