U ovom blog postu istražujemo znanstveni značaj i nove mogućnosti koje je donijelo prvo izravno otkrivanje gravitacijskih valova od strane čovječanstva, ispitujući kako je to transformiralo modernu fiziku i način na koji promatramo svemir.
Nobelova nagrada za fiziku za 2017. godinu dodijeljena je trojici američkih fizičara - Kipu Thorneu, Raineru Weissu i Barryju Barishu - koji su odigrali odlučujuću ulogu u otkrivanju gravitacijskih valova. Priznati su za svoja postignuća u uspješnom izravnom otkrivanju gravitacijskih valova po prvi put u veljači 2016. na LIGO-u (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Dakle, što su točno gravitacijski valovi i zašto je potvrda njihovog postojanja dovoljno značajna da opravda Nobelovu nagradu za fiziku? Da bismo to razumjeli, prvo ispitajmo koncept gravitacijskih valova.
Koncept 'gravitacijskih valova' postoji već više od stoljeća. Albert Einstein ih je prvi predvidio 1916. godine kroz svoju Opću teoriju relativnosti. Prema toj teoriji, objekti s masom iskrivljuju prostorvrijeme, a gravitacija je fenomen koji nastaje iz tog iskrivljavanja. Nadalje, ubrzavajući objekti uzrokuju valovanje ovog zakrivljenog prostorvrijeme, a to valovanje se širi prema van kao valovi brzinom svjetlosti. To su gravitacijski valovi. Kada gravitacijski val prolazi, sam prostor se iskrivljava, rasteže se u jednom smjeru i skuplja u drugom.
Međutim, izobličenje prostora uzrokovano gravitacijskim valovima izuzetno je malo, što ih čini neotkrivenim u normalnim okolnostima. Nastaju samo u značajnim razinama tijekom masivnih kozmičkih događaja poput sudara dviju crnih rupa ili eksplozije supernove, no čak i tada je signal izuzetno slab. Trenutni detektori gravitacijskih valova mjere promjenu u tome koliko se prostor rastegnuo. Poremećaj koji je stvorio gravitacijski val koji je LIGO ovaj put detektirao rastegnuo je i skupio prostor samo oko 10⁻²¹ puta. Da bi se izmjerila ova sitna promjena, duljina se mora mjeriti s preciznošću manjom od tisućinke radijusa neutrona unutar detektora dugog približno 5 km. To je bilo praktički nemoguće. Stoga, prije LIGO-a, bilo je nemoguće izravno detektirati gravitacijske valove; njihovo postojanje moglo se zaključiti samo neizravno.
Kako je LIGO uspio izravno detektirati te sitne promjene duljine? Drugim riječima, kako se gravitacijski valovi mogu promatrati? LIGO u osnovi koristi princip interferometra. Interferometar je instrument koji koristi fenomen interferencije svjetlosti za mjerenje promjena udaljenosti na ultrapreciznoj razini. Da bismo to razumjeli, prvo pogledajmo interferenciju valova.
Valovi su slični mreškanju. Kada se dva vala istog oblika susretnu, njihova amplituda se ili povećava (konstruktivna interferencija) ili smanjuje (destruktivna interferencija) ovisno o tome kako se preklapaju. Ako oba vala stignu s istom fazom, dolazi do konstruktivne interferencije. Međutim, ako jedan val stigne kasnije, uzrokujući da kombinirani valovi budu izvan faze, dolazi do destruktivne interferencije. Dakle, vremenska razlika u dolasku između dva vala uzrokuje promjenu amplitude kombiniranog vala, a to je fenomen interferencije.
Budući da je svjetlost također val, interferencija nastaje kada se dva svjetlosna vala kombiniraju. Stoga nam analiza amplitude kombiniranog vala omogućuje izračunavanje vremenske razlike u dolasku između dva svjetlosna vala, što je ekvivalentno izračunavanju razlike u udaljenosti. To je zato što ako dva svjetlosna snopa istovremeno polaze, što je veća udaljenost, veća je i razlika u vremenu dolaska.
LIGO se temelji na 'Michelsonovom interferometru' među takvim interferometrima. Michelsonov interferometar je također povijesno značajan eksperimentalni aparat, posebno istaknut u Michelson-Morleyjevom eksperimentu. Ovaj je eksperiment otkrio da je brzina svjetlosti neovisna o smjeru i da svjetlost ne zahtijeva zaseban medij za širenje.
Michelsonov interferometar radi na sljedećem principu. Svjetlost iz jednog izvora dijeli se na dvije zrake pomoću centralno smještenog razdjelnika snopa (uređaj koji propušta polovicu svjetlosti, a drugu polovicu reflektira). Dvije zrake reflektiraju se zrcalima postavljenim na fiksnim udaljenostima, a zatim se rekombiniraju i tvore interferencijski uzorak. Ako bi se brzina svjetlosti mijenjala sa smjerom, vrijeme potrebno da se dvije razdvojene zrake rekombiniraju razlikovalo bi se, što bi rezultiralo promjenom interferencijskog uzorka. Michelson-Morleyjev eksperiment predvidio je takvu promjenu interferencijskog uzorka, ali nije uočena nikakva promjena, što je dovelo do zaključka da je brzina svjetlosti konstantna. Ta je činjenica kasnije pružila ključne tragove Einsteinu za formuliranje njegove teorije relativnosti.
LIGO je u biti masivno proširenje ovog Michelsonovog interferometra. Udaljenost između LIGO-ovog razdjelnika snopa i njegovog reflektirajućeg zrcala doseže približno 4 km. Međutim, sama ta udaljenost nije bila dovoljna za pouzdano otkrivanje gravitacijskih valova, pa je LIGO ugradio 'Fabry-Pérotovu cijev'. Ova tehnika reflektira svjetlost približno 400 puta unutar cijevi duge 4 kilometra, učinkovito stvarajući duljinu puta od 1,600 kilometara. To omogućuje preciznije mjerenje malih promjena udaljenosti. Zahvaljujući ovoj sofisticiranoj tehnološkoj kombinaciji, LIGO je 14. rujna 2015. prvi put uspio izravno promatrati gravitacijske valove nastale sudarom dviju crnih rupa.
Zašto je onda otkriće gravitacijskih valova tako monumentalan događaj? Prvo, njegov značaj leži u izravnoj potvrdi Einsteinove teorije relativnosti još jednom. Postojanje gravitacijskih valova, predviđenih relativnošću, eksperimentalno je potvrđeno. Ali njegova veća vrijednost leži negdje drugdje. To znači da je čovječanstvo dobilo potpuno novi alat za promatranje svemira. Ova promjena usporediva je s trenutkom kada je čovječanstvo prvi put stvorilo teleskop. Do sada se astronomija oslanjala isključivo na svjetlost - odnosno elektromagnetske valove - za promatranje nebeskih objekata. No, s gravitacijskim valovima koji su se uspostavili kao novi alat za promatranje, konačno se otvorilo područje koje je prethodno bilo nedostupno elektromagnetskim valovima.
Na primjer, u slučaju eksplozija supernova, nikada nismo mogli izravno promatrati što se događa unutar njihovih jezgri. To je zato što ogroman sloj materijala koji obavija jezgru supernove sprječava prolazak svjetlosti. Gravitacijski valovi, međutim, prolaze kroz materiju s minimalnim smetnjama, što nam omogućuje da uhvatimo fenomene koji se odvijaju duboko unutar nebeskih objekata.
Čovječanstvo sada stoji na pragu novog doba zvanog 'astronomija gravitacijskih valova'. Gravitacijski valovi pružit će nam potpuno novu perspektivu na svemir, omogućujući nam da otkrijemo tajne raznih nebeskih tijela i napravimo korak bliže razumijevanju podrijetla svemira. S nestrpljenjem očekujemo do kakvih će otkrića dovesti ova opažanja i nadamo se da će istraživanje gravitacijskih valova dodatno proširiti ljudsko razumijevanje svemira.
