Ostatnia przepowiednia Einsteina - ZMARSZCZKI CZASOPRZESTRZENI

Stanisław Mrówczyński

Ogólna teoria wzgędności przewiduje istnienie zaburzeń czasoprzestrzeni zwanych falami grawitacyjnymi. Dotychczas uzyskano jedynie pośrednie dowody występowania tego zjawiska; samych fal wykryć się nie udawało. Wkrótce rozpocznie działanie ogromny, zbudowany za blisko 400 mln dolarów układ detektorów, zdolny zarejestrować owe docierające z głębin Kosmosu zmarszczki czasoprzestrzeni.

W roku 1916 Einstein zauważył, analizując równania ledwie co sformułowanej ogólnej teorii względności, że pole grawitacyjne wykazuje własności falowe. Źródłem rozchodzących się z prędkością światła fal grawitacyjnych miały być szybko zmieniające się w czasie układy wielkich mas, np. wirujące gwiazdy. Na skutek pomyłki w obliczeniach, Einstein początkowo błędnie sądził, że również układ zachowujący doskonale kulisty kształt może emitować fale. Błąd ten poprawił w kolejnej swojej pracy, jednak i tym razem genialny fizyk nie ustrzegł się pomyłki – ostateczny wynik jego wyliczeń był dwa razy za mały.

Podobnego odkrycia „na papierze” dokonał pół wieku wcześniej James Clerk Maxwell, przewidując istnienie fal elektromagnetycznych. W latach w latach 1887 – 1891 Heinrich Rudolf Hertz wykonał całą serię finezyjnych eksperymentów, w których potwierdził przewidywania wielkiego Szkota. Hertz zbudował układ nadawczy i odbiorczy, pokazał jak generować fale elektromagnetyczne i jak je rejestrować. W wypadku fal grawitacyjnych doświadczenie Hertza jest nie do powtórzenia, ze względu na ich fantastyczną wprost nikłość. Fala grawitacyjna emitowane przez drgający elektron jest słabsza od fali elektromagnetycznej wysyłanej przez ten sam elektron o czynnik równy dziesiątce z 50 zerami. Jedynie fale grawitacyjne emitowane podczas kosmicznych kataklizmów takich jak zderzenia gwiazd są dostatecznie intensywne, aby je można było zarejestrować.

Na początku lat 60-tych podjęto próby wykrycia fal grawitacyjnych docierających do nas z Kosmosu. Joseph Weber zbudował ważące wiele ton aluminiowe cylindry, które fala grawitacyjna miała wprawiać w niewielkie podłużne drgania. Jednak częstość fali musiała być blisko częstości samoistnych drgań cylindra, aby dzięki zjawisku rezonansu uzyskać odpowiednio duży efekt. Wielokrotnie modyfikowane i udoskonalane detektory pomysłu Webera, które uruchomiono w kilku laboratoriach świata, żadnego wiarygodnego sygnału nie zarejestrowały. Jedną z przypuszczalnych przyczyn porażki był bardzo wąski zakres częstotliwości, w którym detektor Webera może odbierać fale. Jest on bowiem jak bardzo czułe radio nastrojone tylko na jedną stację. Jeśli takowa milczy, radio jest bezużyteczne.

Chociaż nie udawało się zaobserwować fal grawitacyjnych, astrofizycy uzyskali pośredni dowód ich istnienia. W roku 1974 Joseph Taylor i Russel Hulse odkryli niezwykły układ dwóch wzajemnie się okrążających gwiazd neutronowych, oznaczony mało efektownym symbolem PSR 1913+16. Jedna z tych gwiazd jest pulsarem, który z wielką regularnością wysyła niby latarnia morska radiowe impulsy w kosmiczną przestrzeń. W toku wieloletnich obserwacji stwierdzono, że układ w pełnej zgodności z ogólna teorią względności powoli traci energię, emitując fale grawitacyjne. Joseph Taylor i Russel Hulse otrzymali w 1993 roku nagrodę Nobla za swe odkrycie. Ich niezwykły zaś pulsar wciąż nadaje. Jednak gwiazdy gubiąc energię krążą po coraz ciaśniejszej orbicie, aż za jakieś 300 mln lat dojdzie do ich zderzenia. Wtedy pulsar zamilknie, lecz jego śmierci towarzyszyć będzie eksplozja fal grawitacyjnych. Taki właśnie kosmiczny kataklizm, który wedle ocen astrofizyków bynajmniej nie należy do rzadkości, stwarza okazję do zarejestrowania owych fal w ziemskich obserwatoriach.

Wobec porażki detektorów Webera, łowcy fal grawitacyjnych związali swe nadzieje z zupełnie innym typem urządzenia - tzw. detektorem interferometrycznym. Tworzą go dwa ramiona w kształcie litery L, na końcach których swobodnie zwisają ciężarki. Przejście fali grawitacyjnej lekko nimi zakołysze, a wiązki lasera skierowane wzdłuż ramion pozwolą wykryć te maleńkie wychylenia. Urządzenie może rejestrować fale w szerokim zakresie częstotliwości; wydłużanie zaś ramion detektora pozwala zwiększać jego czułość. Po dwudziestu latach prac badawczych, konstruowania coraz to większych prototypów, powstał LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) - układ dwóch ogromnych detektorów. Jeden z nich umiejscowiono w Hanford w stanie Washington, drugi zaś w Livingston w Luizjanie. Jednoczesne pojawianie się sygnału w obu, oddalonych o tysiące kilometrów detektorach pozwoli na jednoznaczną identyfikację fali grawitacyjnej. Długość ramion każdego detektora wynosi aż 4 kilometry, a wewnątrz tuneli, gdzie biegnie laserowa promień, panuje niemal doskonała próżnia. Pierwszy próbny nasłuch kosmosu planowany jest na połowę 2002 roku. Teraz trwa strojenie tego niezwykłego instrumentu, który ma osiągnąć pełną sprawność dopiero po roku 2007. Wówczas, wedle oczekiwań wieloosobowego zespołu fizyków i inżynierów, będzie on potrafił zarejestrować wychylenia ciężarków tak małe jak jedna miliardowa część średnicy atomu. Wykrycie fal grawitacyjnych wydaje się więc niemal przesądzone, chociaż Einstein do końca życia - zmarł w 1955 roku - uważał to zadanie za praktycznie niewykonalne. Jednak plany związane z projektem LIGO bynajmniej się nie kończą na samej rejestracji owych zmarszczek czasoprzestrzeni. Panuje przekonanie, że obserwacja fal grawitacyjnych będzie tylko początkiem nowego działu astronomii.

Przez wieki światło widzialne, a więc fale elektromagnetyczne o określonej długości, było jedynym źródłem astronomicznej wiedzy. Gdy w XX wieku zaczęto rejestrować docierające z kosmosu fale radiowe, promienie Roentegena, podczerwień, obraz Wszechświata niezwykle się wzbogacił. Poznaliśmy wcześniej nieznane obiekty jak choćby kwazary czy pulsary. Mogliśmy obserwować kształtowanie się układów planetarnych i wiele innych zjawisk. Opanowanie techniki rejestracji fal grawitacyjnych otwiera zupełnie nowe możliwości. Fale te bowiem niosą informację o najgwałtowniejszych kosmicznych kataklizmach, takich jak sam wielki wybuch, w którym narodził się Wszechświat. A czy fale grawitacyjne nie pomogą nam rozwiązać jakiś ziemskich spraw? Zapewne nie, chociaż Heinrich Hertz, który pierwszy wykazał, że fale elektromagnetyczne można wysyłać i odbierać, też nie widział żadnego praktycznego zastosowania dla swojego odkrycia.

(POLITYKA 2, 2002)