Ознаке

, , , ,

(Њујорк тајмс, 25. 9. 2017)

Детекција гравитационих таласа је трасирала пут у нову еру астрономије. После неколико стотина година ослањања једино на електромагнетно зрачење, научници сад могу да, користећи гравитационе таласе, директно посматрају црне рупе.  Детекција гравитационих таласа је и још једна потврда теорије релативитета 

Године 1921. Алберт Ајнштајн је одржао низ предавања на Принстону, која су обележила његов последњи покушај да дâ опсежан преглед специјалне и опште теорије релативитета. Он је представио ове теорије 1905. и 1915, и до 1921. оне су на много начина побољшане захваљујући темељном изучавању његовог изворног рада, који су извели он и други физичари. У књизи THE FORMATIVE YEARS OF RELATIVITY: The History and Meaning of Einstein’s Princeton Lectures [Године стварања релативитета: Историја и значење Ајнштајнових предавања на Принстону] физичар Ханох Гутфројнд (Hanoch Gutfreund) и историчар Јирген Рен (Jürgen Renn) прогласили су ова предавања за „утемељујући текст“ из овог кључног периода у развоју теорије релативитета.

Међутим, они су запазили једну очигледну празнину. У Ајнштајновим предавањима нема трага онога што се данас сматра кључном темом у теорији релативитета: гравитационим таласима. Гравитациони таласи су слабе вибрације у простор-времену који настају услед катаклизмичних догађаја у Универзуму, као што је судар две црне рупе. Гравитациони таласи су први пут директно детектовани пре две године, 14. 9. 2015, и тај догађај се прославља као изузетно важан научно достигнуће. То што се Ајнштајн 1921. суздржао да помене гравитационе таласе, упркос томе што је размишљао о њиховом постојању још 1915, говори о томе колико су они незгодан проблем.

По теорији релативитета, гравитација није сабласна веза између објеката, већ искривљење простора између њих. Масивно тело, као што је планета, прави удубљење у простор-времену око себе, као када се кугла за куглање стави на трамболину. Привлачење које се јавља између ове планете, и рецимо Месеца, у ствари је последица тога што Месец следи закривљену путању у простор-времену, као што би кликер који се креће по трамболини кружио око удубљења насталог од кугле за куглање. Физичар Џон Арчибал Вилер је то објаснио да „материја условљава савијање простор-времена, а простор-време условљава кретање материје“.

Формуле које је Ајнштајн користио да би формулисао ову теорију подсећају на формуле електродинамике. Ако имамо наелектрисање и убрзавамо га, ми ћемо створити неку врсту електромагнетних таласа: радио таласе, микроталасе, видљиву светлост. А ако би узели масивни објекат и убрзали га добили би гравитационе таласе, таласе у простор-времену? Звучи убедљиво. Ово би били специјални таласи: не таласи који се кроз простор-време, налик таласима који се јављају у океану, већ таласи у самом простор-времену – сам свет (и све у њему) би се наизменично истезао и сабијао, док се области веће и мање густине крећу кроз њега, како када продрмамо чинију желеа.

Ајнштајн се двоумио око тога да ли су у његовој теорији неопходни гравитациони таласи. Гутфројнд и Рен дају исцрпан историјски приказ његове преписке са разним колегама о овој теми. Ајнштајн је почетком 1916. написао да „не постоје гравитациони таласи аналогни светлосним таласима“. Да би касније те године променио мишљење и објавио први рад о њима. Колега му је 1917. скренуо пажњу на извесне грешке у том раду и ситуација опет постаје неизвесна. Године 1917. Ајнштан објављује побољшан чланак под називом „О гравитационим таласима“, након кога није говорио о овој теми (укључујући и предавања на Принстону), све до 1936. када је почео да се поново премишља. Ни 1955. године, када је преминуо, није у потпуности био уверен у њихово постојање.

Како новинар Говерт Шилинг (Govert Schilling) објашњава у RIPPLES IN SPACETIME: Einstein, Gravitational Waves, and the Future of Astronomy [Таласи у простор-времену: Ајнштајн, Гравитациони таласи, и будућност астрономије, Harvard University Press, 2017] један од разлога занемаривања ове теме двадесетих и тридесетих јесте да чак и да ови таласи постоје „били би превише слаби да би се детектовали“. Он бележи да је простор-време „невероватно круто“ и да су потребне невероватне количине енергије да би се у њима произвело и најслабије подрхтавање. Чак и са данашњом напредном технологијом не можемо да детектујемо гравитационе таласе који се емитују током орбитирања звезда. Потребни су нам већи догађаји, као неутронска звезда (остаци супернових) или црне рупе. Који је значај расправе о томе да ли релативност имплицира постојање ових таласа ако се они не могу посматрати?

Шелинговој књизи, детаљном приказу трагања за гравитационим таласима, треба придружити сличну књигу научног писца Марсије Бартусијак (Marcia Bartusiak): EINSTEIN’S UNFINISHED SYMPHONY: The Story of a Gamble, Two Black Holes, and a New Age of Astronomy [Ајнштајнова недовршена симфонија, прича о ризику, Две црне рупе, и ново доба астрономије, Yale University Press, 2017]. Док је Шилингов приступ узбудљив и „штреберски“, Бартусијак је више сањалачкi расположена и мирнијег тона. Обе имају вишедимензионалну научну причу о којој говоре – делом теоријска физика, делом астрономија, делом експериментална физика, делом инжењерство. Шилинг бележи како је он очекивао да ће завршити своју књигу пре детектовања гравитационих таласа, али је – као и већина људи – био изненађен њиховим открићем 2015, тако да је на крају већину свог истраживања/писања обавио након самог открића. Књига Марсије Бартусијак је првобитно објављена 2000, након чега је значајно допуњена.

У обема књигама озбиљна потрага почиње 1957. – те године, теоријски физичари постају уверени да гравитациони таласи морају бити стваран физички феномен а не неугодност математике теорије релативности. Изненада, изградња детектора за гравитационе таласе више није деловала као губљење времена. До раних 1960-их изграђена је и постављена прва верзија детектора, али без успеха. Године 1978. физичари су индиректно потврдили постојање гравитационих таласа: открили су двојни пулсар (две ротирајуће неутронске звезде које ротирају једна око друге невероватним брзинама) чије се орбите смењују због губитка енергије. Износ тог губитка одговара оној енергији која би се по предвиђањима теорије релативитета ослободила при емитовању гравитационих таласа. Али чак и такву жестоку пометњу у простор-времену није било могуће детектовати на Земљи.

До 2001. научници су конструисали и отпочели са радом у Опсерваторији за гравитационе таласе са ласерским интерферометром или ЛИГО, који се састоји од пара изузетно осетљивих детектора, једног у држави Вашингтон и другог у Луизијани. Зашто су потребна два детектора на растојању од скоро 2000 миља? Да би се избегле лажно позитивне детекције: ЛИГО трага за толико малим вибрацијама у простор времену да би неки други извори, као на пример удар грома на великом растојању, могли да проузрокују проблем. Али ако се иста вибрација детектује на оба детектора истовремено (или боље речено у приближно исто време, пошто је гравитационом таласу потребно време да пређе одређено растојање) онда можемо бити сигурнији да је гравитациони талас прошао кроз Земљу.

ЛИГО је био активан скоро деценију и није успео да детектује гравитационе таласе. Затворен је како би десетоструко била повећана његова осетљивост. До септембра 2015. био је спреман да поново почне са потрагом.

Пошто је поново почео са радом, 14. септембра 2015. ЛИГО је детектовао кључан сигнал, прво у Луизијани а 7 милисекунди касније у Вашингтону. Оба детектора су измерила једнако истезање и сабијање у простор-времену. Научници су прегледали базу података у којој је било стотине хиљада раније израчунатих таласних сигнала да би установили којој појави у космосу одговара овај талас. Одговор је био: две црне рупе, маса 29 и 36 маса Сунца које су се судариле (сигнал је био по речима Шилинга била њихова „лабудова песма“) 1,3 светлосне године далеко.

Колико су били слаби таласи који су дошли до нас? Врло слаби, за једну петину секунде, ЛИГО је измерио талас у простор-времену који је имао амплитуду 0, 0000000000001 цм, што је неколико милиона пута мање од атома. Али за стандарде гравитационих таласа овај је био велики. Шилинг пише да је судар црних рупа најмоћнији догађај икада посматран у универзуму.

Детекција гравитационих таласа је обезбедила нову еру у астрономији. После неколико стотина година ослањања једино на електромагнетно зрачење (као што је светлост који видимо кроз телескоп), научници сад могу да, користећи гравитационе таласе, директно посматрају црне рупе (што је иначе немогуће, пошто не емитују светлост у било каквом облику), или можемо – како Бартусијак одушевљено бележи – „да завиримо у само срце звезде док експлодира“ (гравитациони таласи се, за разлику од електромагнетних, не расипају и не апсорбују у материју док путују кроз Универзум).

Додајмо, детекција гравитационих таласа је још једна потврда теорије релативитета, не само зато што их теорија предвиђа већ зато што, како Бартусијак наводи, „њихово постојање демонстрира, на непоколебљив и јасан начин, да је простор-време заиста физички ентитет“. Након свега, можда Ајнштајн није требао да буде толико суздржан 1921.

Џејмс Рајерсон (Извор: Јутјуб)

Џејмс Рајерсон је старији уредник рубрике коментара Њујорк тајмса (Op-Ed page). Његова колумна објављује на сваких осам недеља у овом листу

Са енглеског посрбила: Милица Милојевић

Advertisements