Šajā emuāra ierakstā mēs izpētām zinātnisko nozīmi un jaunās iespējas, ko radījusi cilvēces pirmā tiešā gravitācijas viļņu noteikšana, pārbaudot, kā tā pārveidoja mūsdienu fiziku un veidu, kā mēs novērojam Visumu.
2017. gada Nobela prēmija fizikā tika piešķirta trim amerikāņu fiziķiem — Kipam Tornam, Raineram Veisam un Barijam Barišam —, kuriem bija izšķiroša loma gravitācijas viļņu atklāšanā. Viņi tika atzīti par sasniegumiem, pirmo reizi tieši veiksmīgi nosakot gravitācijas viļņus 2016. gada februārī LIGO (Lāzera interferometra gravitācijas viļņu observatorijā). Tātad, kas īsti ir gravitācijas viļņi un kāpēc to eksistences apstiprināšana ir pietiekami nozīmīga, lai par tiem piešķirtu Nobela prēmiju fizikā? Lai to saprastu, vispirms aplūkosim gravitācijas viļņu jēdzienu.
"Gravitācijas viļņu" jēdziens pastāv jau vairāk nekā gadsimtu. Alberts Einšteins tos pirmo reizi paredzēja 1916. gadā savā Vispārīgajā relativitātes teorijā. Saskaņā ar šo teoriju objekti ar masu deformē laiktelpu, un gravitācija ir parādība, kas rodas šīs deformācijas rezultātā. Turklāt paātrināti objekti izraisa šīs izliektās laiktelpas viļņošanos, un šīs viļņošanās izplatās uz āru kā viļņi ar gaismas ātrumu. Tie ir gravitācijas viļņi. Kad gravitācijas vilnis iet cauri, pati telpa tiek deformēta, stiepjoties vienā virzienā un saraujoties citā.
Tomēr gravitācijas viļņu radītā telpas deformācija ir ārkārtīgi maza, padarot tos nepamanāmus normālos apstākļos. Tie rodas ievērojamā līmenī tikai masīvu kosmisku notikumu, piemēram, divu melno caurumu sadursmes vai supernovas sprādziena, laikā, tomēr pat tad signāls ir ārkārtīgi vājš. Pašreizējie gravitācijas viļņu detektori mēra telpas izstiepšanās izmaiņas. Šoreiz LIGO noteiktā gravitācijas viļņa radītie traucējumi telpu izstiepa un sarāva tikai aptuveni 10⁻²¹ reizes. Lai izmērītu šīs niecīgās izmaiņas, garums jāmēra ar precizitāti, kas ir mazāka par vienu tūkstošdaļu no neitrona rādiusa, aptuveni 5 km garā detektorā. Tas bija praktiski neiespējami. Tāpēc pirms LIGO nebija iespējams tieši noteikt gravitācijas viļņus; to esamību varēja secināt tikai netieši.
Tātad, kā LIGO izdevās tieši noteikt šīs niecīgās garuma izmaiņas? Citiem vārdiem sakot, kā varēja novērot gravitācijas viļņus? LIGO pamatā izmanto interferometra principu. Interferometrs ir instruments, kas izmanto gaismas interferences fenomenu, lai īpaši precīzi izmērītu attāluma izmaiņas. Lai to saprastu, vispirms aplūkosim viļņu interferenci.
Viļņi ir līdzīgi viļņošanās efektam. Kad satiekas divi vienādas formas viļņi, to amplitūda vai nu palielinās (konstruktīvā interference), vai samazinās (destruktīvā interference) atkarībā no tā, kā tie pārklājas. Ja abi viļņi ierodas ar vienādu fāzi, rodas konstruktīvā interference. Tomēr, ja viens vilnis ierodas vēlāk, izraisot apvienoto viļņu fāzes nobīdi, rodas destruktīvā interference. Tādējādi laika starpība starp divu viļņu ierašanos izraisa izmaiņas apvienotā viļņa amplitūdā, un tā ir interferences parādība.
Tā kā gaisma arī ir vilnis, interference rodas, kad divi gaismas viļņi apvienojas. Tāpēc, analizējot apvienotā viļņa amplitūdu, mēs varam aprēķināt laika starpību starp abu gaismas viļņu pienākšanu, kas ir līdzvērtīga attāluma starpības aprēķināšanai. Tas ir tāpēc, ka, ja divi gaismas stari iziet vienlaicīgi, jo lielāks attālums, jo lielāka ir pienākšanas laika starpība.
LIGO pamatā ir Mikelsona interferometrs, kas ir viens no šādiem interferometriem. Mikelsona interferometrs ir arī vēsturiski nozīmīga eksperimentāla ierīce, kas īpaši tika izmantota Mikelsona-Morlija eksperimentā. Šis eksperiments atklāja, ka gaismas ātrums nav atkarīgs no virziena un ka gaismas izplatībai nav nepieciešama atsevišķa vide.
Maikelsona interferometrs darbojas pēc šāda principa. Gaisma no viena avota tiek sadalīta divos staros ar centrāli novietotu staru sadalītāju (ierīci, kas laiž cauri pusi gaismas un atstaro otru pusi). Abi stari tiek atstaroti no spoguļiem, kas novietoti fiksētā attālumā, un pēc tam rekombinējas, veidojot interferences modeli. Ja gaismas ātrums mainītos atkarībā no virziena, laiks, kas nepieciešams abu sadalīto staru rekombinācijai, atšķirtos, kā rezultātā mainītos interferences modelis. Maikelsona-Morlija eksperiments paredzēja šādas izmaiņas interferences modelī, taču nekādas izmaiņas netika novērotas, kas noveda pie secinājuma, ka gaismas ātrums ir konstants. Šis fakts vēlāk sniedza izšķirošas norādes Einšteinam, lai formulētu savu relativitātes teoriju.
LIGO būtībā ir šī Maikelsona interferometra milzīga mēroga paplašinājums. Attālums starp LIGO staru sadalītāju un tā atstarojošo spoguli sasniedz aptuveni 4 km. Tomēr šis attālums vien nebija pietiekams, lai droši noteiktu gravitācijas viļņus, tāpēc LIGO iekļāva tā saukto Fabrī-Pero cauruli. Šī metode 4 kilometrus garā caurulē atstaro gaismu aptuveni 400 reizes, faktiski radot 1,600 kilometru garu ceļa garumu. Tas ļauj precīzāk izmērīt nelielas attāluma izmaiņas. Pateicoties šai sarežģītajai tehnoloģiskajai kombinācijai, LIGO 2015. gada 14. septembrī pirmo reizi izdevās tieši novērot gravitācijas viļņus, ko rada divu melno caurumu sadursme.
Kāpēc gravitācijas viļņu atklāšana ir tik monumentāls notikums? Pirmkārt, tās nozīme slēpjas Einšteina relativitātes teorijas tiešā apstiprināšanā. Gravitācijas viļņu eksistence, ko paredz relativitātes teorija, ir eksperimentāli apstiprināta. Taču tās lielākā vērtība slēpjas citur. Tas nozīmē, ka cilvēce ir ieguvusi pilnīgi jaunu instrumentu Visuma novērošanai. Šīs pārmaiņas ir salīdzināmas ar brīdi, kad cilvēce pirmo reizi radīja teleskopu. Līdz šim astronomija debess objektu novērošanā ir paļāvusies tikai uz gaismu, proti, elektromagnētiskajiem viļņiem. Taču, gravitācijas viļņiem kļūstot par jaunu novērošanas instrumentu, beidzot ir pavērusies sfēra, kas iepriekš nebija pieejama elektromagnētiskajiem viļņiem.
Piemēram, supernovu sprādzienu gadījumā mēs nekad neesam spējuši tieši novērot, kas notiek to kodolos. Tas ir tāpēc, ka milzīgais materiāla slānis, kas aptver supernovas kodolu, bloķē gaismas caurlaidību. Tomēr gravitācijas viļņi iziet cauri matērijai ar minimāliem traucējumiem, ļaujot mums uztvert parādības, kas risinās dziļi debess objektos.
Cilvēce šobrīd stāv uz jaunas ēras, ko sauc par "gravitācijas viļņu astronomiju", sliekšņa. Gravitācijas viļņi sniegs mums pilnīgi jaunu perspektīvu uz Visumu, ļaujot atklāt dažādu debess ķermeņu noslēpumus un spert soli tuvāk Visuma izcelsmes izpratnei. Mēs ar nepacietību gaidām, pie kādiem atklājumiem novedīs šie novērojumi, un ceram, ka gravitācijas viļņu pētījumi vēl vairāk paplašinās cilvēces izpratni par kosmosu.
