W tym wpisie na blogu przyjrzymy się znaczeniu naukowemu i nowym możliwościom, jakie przyniosło pierwsze bezpośrednie wykrycie fal grawitacyjnych przez człowieka, analizując, w jaki sposób zmieniło to współczesną fizykę i sposób, w jaki obserwujemy wszechświat.
Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2017 roku przyznano trzem amerykańskim fizykom – Kipowi Thorne’owi, Rainerowi Weissowi i Barry’emu Barishowi – którzy odegrali decydującą rolę w odkryciu fal grawitacyjnych. Zostali oni docenieni za udane, bezpośrednie wykrycie fal grawitacyjnych po raz pierwszy w lutym 2016 roku w LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Czym właściwie są fale grawitacyjne i dlaczego potwierdzenie ich istnienia jest na tyle istotne, że uzasadnia przyznanie Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki? Aby to zrozumieć, przyjrzyjmy się najpierw koncepcji fal grawitacyjnych.
Koncepcja „fal grawitacyjnych” istnieje od ponad wieku. Albert Einstein przewidział je po raz pierwszy w 1916 roku w swojej Ogólnej Teorii Względności. Zgodnie z tą teorią, obiekty o masie zakrzywiają czasoprzestrzeń, a grawitacja jest zjawiskiem wynikającym z tego zakrzywienia. Co więcej, przyspieszające obiekty powodują pomarszczenie tej zakrzywionej czasoprzestrzeni, a pomarszczenia te rozchodzą się na zewnątrz jako fale z prędkością światła. Są to fale grawitacyjne. Kiedy fala grawitacyjna przechodzi przez przestrzeń, sama przestrzeń ulega zniekształceniu, rozciągając się w jednym kierunku i kurcząc w drugim.
Jednakże zniekształcenie przestrzeni spowodowane przez fale grawitacyjne jest niezwykle małe, co czyni je niewykrywalnymi w normalnych okolicznościach. Powstają one na znaczących poziomach tylko podczas masywnych wydarzeń kosmicznych, takich jak zderzenie dwóch czarnych dziur lub wybuch supernowej, ale nawet wtedy sygnał jest niezwykle słaby. Obecne detektory fal grawitacyjnych mierzą zmianę rozciągnięcia przestrzeni. Zaburzenie wywołane przez falę grawitacyjną wykrytą tym razem przez LIGO rozciągnęło i skurczyło przestrzeń tylko o około 10⁻²¹ razy. Aby zmierzyć tę niewielką zmianę, długość musi zostać zmierzona z precyzją mniejszą niż jedna tysięczna promienia neutronu w detektorze o długości około 5 km. Było to praktycznie niemożliwe. Dlatego przed LIGO nie było możliwe bezpośrednie wykrycie fal grawitacyjnych; ich istnienie można było wnioskować jedynie pośrednio.
Jak więc LIGO udało się bezpośrednio wykryć te drobne zmiany długości fali? Innymi słowy, jak można było zaobserwować fale grawitacyjne? LIGO zasadniczo wykorzystuje zasadę działania interferometru. Interferometr to instrument, który wykorzystuje zjawisko interferencji światła do pomiaru zmian odległości z ultraprecyzyjną dokładnością. Aby to zrozumieć, przyjrzyjmy się najpierw interferencji fal.
Fale są podobne do zmarszczek. Gdy dwie fale o tym samym kształcie spotykają się, ich amplituda albo wzrasta (interferencja konstruktywna), albo maleje (interferencja destruktywna), w zależności od tego, jak bardzo się nakładają. Jeśli obie fale nadchodzą z tą samą fazą, występuje interferencja konstruktywna. Jeśli jednak jedna fala nadchodzi później, powodując przesunięcie fazy fal łączonych, występuje interferencja destruktywna. Zatem różnica czasu między dwiema falami powoduje zmianę amplitudy fali łączonej, co jest zjawiskiem interferencji.
Ponieważ światło jest również falą, interferencja występuje, gdy dwie fale świetlne się łączą. Dlatego analiza amplitudy połączonej fali pozwala nam obliczyć różnicę czasu między dwiema falami świetlnymi, co jest równoważne z obliczeniem różnicy odległości. Dzieje się tak, ponieważ jeśli dwie wiązki światła rozchodzą się jednocześnie, im większa odległość, tym większa różnica czasu między nimi.
LIGO opiera się na „interferometrze Michelsona” spośród wszystkich tego typu interferometrów. Interferometr Michelsona jest również historycznie ważnym urządzeniem eksperymentalnym, szczególnie wykorzystanym w eksperymencie Michelsona-Morleya. Eksperyment ten wykazał, że prędkość światła jest niezależna od kierunku i że światło nie potrzebuje oddzielnego ośrodka do propagacji.
Interferometr Michelsona działa na następującej zasadzie. Światło z jednego źródła jest rozdzielane na dwie wiązki za pomocą centralnie umieszczonego rozdzielacza wiązki (urządzenia, które przepuszcza połowę światła i odbija drugą połowę). Dwie wiązki odbijają się od luster umieszczonych w stałych odległościach, a następnie łączą się, tworząc wzór interferencyjny. Gdyby prędkość światła zmieniała się w zależności od kierunku, czas potrzebny na połączenie dwóch rozdzielonych wiązek również byłby różny, co skutkowałoby zmianą wzoru interferencyjnego. Eksperyment Michelsona-Morleya przewidział taką zmianę wzoru interferencyjnego, ale nie zaobserwowano żadnej zmiany, co doprowadziło do wniosku, że prędkość światła jest stała. Fakt ten dostarczył później Einsteinowi kluczowych wskazówek do sformułowania teorii względności.
LIGO jest zasadniczo masową kontynuacją interferometru Michelsona. Odległość między rozdzielaczem wiązki LIGO a jego zwierciadłem odbijającym sięga około 4 km. Jednak sama ta odległość była niewystarczająca do wiarygodnego wykrywania fal grawitacyjnych, dlatego LIGO zastosowało „rurę Fabry’ego-Pérota”. Technika ta odbija światło około 400 razy w 4-kilometrowej rurze, tworząc w efekcie ścieżkę o długości 1,600 kilometrów. Pozwala to na dokładniejszy pomiar drobnych zmian odległości. Dzięki temu zaawansowanemu połączeniu technologicznemu, LIGO po raz pierwszy udało się bezpośrednio zaobserwować fale grawitacyjne wygenerowane przez zderzenie dwóch czarnych dziur 14 września 2015 roku.
Dlaczego więc odkrycie fal grawitacyjnych jest tak monumentalnym wydarzeniem? Po pierwsze, jego znaczenie polega na bezpośrednim, ponownym potwierdzeniu teorii względności Einsteina. Istnienie fal grawitacyjnych, przewidywane przez teorię względności, zostało potwierdzone eksperymentalnie. Ale ich większa wartość leży gdzie indziej. Oznacza to, że ludzkość zyskała zupełnie nowe narzędzie do obserwacji wszechświata. Ta zmiana jest porównywalna z momentem, w którym ludzkość po raz pierwszy stworzyła teleskop. Do tej pory astronomia opierała się wyłącznie na świetle – czyli falach elektromagnetycznych – do obserwacji obiektów niebieskich. Jednak wraz z ugruntowaniem się fal grawitacyjnych jako nowego narzędzia obserwacyjnego, otworzyła się w końcu dziedzina, wcześniej niedostępna dla fal elektromagnetycznych.
Na przykład, w przypadku eksplozji supernowych, nigdy nie byliśmy w stanie bezpośrednio zaobserwować tego, co dzieje się w ich jądrach. Dzieje się tak, ponieważ ogromna warstwa materii otaczająca jądro supernowej blokuje światło przed przedostaniem się do środka. Fale grawitacyjne przechodzą jednak przez materię z minimalną interferencją, co pozwala nam uchwycić zjawiska zachodzące głęboko w ciałach niebieskich.
Ludzkość stoi obecnie u progu nowej ery zwanej „astronomią fal grawitacyjnych”. Fale grawitacyjne dostarczą nam zupełnie nowej perspektywy na wszechświat, umożliwiając odkrycie tajemnic różnych ciał niebieskich i przybliżając nas do zrozumienia pochodzenia wszechświata. Z niecierpliwością oczekujemy odkryć, do jakich doprowadzą te obserwacje, i mamy nadzieję, że badania fal grawitacyjnych poszerzą wiedzę ludzkości o kosmosie.
