Każdy z nas mniej więcej wie, czym jest grawitacja. To ona sprawia, że stoimy na ziemi, Ziemia obiega Słońce, a coś rzuconego w górę najczęściej spada. To z jej powodu samoloty czy rakiety muszą mieć silniki, a osoby skaczące z dużej wysokości – spadochrony. I to ona do dziś jest jedną z największych zagadek fizyki. „Wszystkie opisy przyrody można sprowadzić do czterech podstawowych sił. Grawitacji, którą odkryliśmy najdawniej i którą – co dziwne – najmniej rozumiemy; siły elektromagnetycznej, z którą jesteśmy obyci dzięki elektryczności i temu, że widzimy działanie magnesów; odpowiada ona również za światło i fale radiowe. Są jeszcze dwie siły: oddziaływania słabe, odpowiedzialne za rozpad radioaktywny, i silne, odpowiedzialne za spoistość jąder atomowych. Dzięki fizyce kwantowej całkiem dobrze rozumiemy trzy z tych czterech sił: oddziaływania elektromagnetyczne, silne i słabe. Ale nie grawitację” – wyjaśnia prof. Abhay Ashtekar, fizyk teoretyczny z Pennsylvania State University.

Zrozumienie jest ważne nie tylko dlatego, że ludzie są ciekawscy i chcą wiedzieć, jak działa otaczający ich świat. Jeśli spojrzymy na historię nauki i technologii, z łatwością dostrzeżemy pewną zależność. Gdy naukowcy zrozumieli, jak działa elektromagnetyzm, powstały wszechobecne wynalazki umożliwiające wykorzystanie prądu elektrycznego, fal radiowych czy pola magnetycznego. Zrozumienie praw rządzących zachowaniem jąder atomowych pozwoliło na skonstruowanie elektrowni jądrowych i rozwój medycyny nuklearnej. Z grawitacją, której wciąż dobrze nie rozumiemy, nie umiemy dziś zrobić prawie nic.

To się jednak może zmienić. Niedawne odkrycie fal grawitacyjnych przez detektory LIGO jest pierwszym krokiem prowadzącym nas w przyszłość, która dziś wydaje się czystą fantastyką. No bo jak moglibyśmy kontrolować coś takiego jak grawitacja?

Czym są fale grawitacyjne?

Wyobraźmy sobie powierzchnię jeziora, na której unosi się kilka okrągłych plam oleju. Wrzucamy do wody kamień i patrzymy na rozchodzące się fale. Gdy docierają do plam, na chwilę zmienia się odległość między nimi oraz ich kształt. Fala na wodzie zniekształca obiekty, które znajdują się na dwuwymiarowej powierzchni. Podobnie zniekształca obiekty – od gwiazd po ludzi i atomy – fala grawitacyjna w przestrzeni czterowymiarowej. Gdy przechodzi, lekko je rozciąga albo skraca, a po chwili wszystko wraca do normy. Takie fale powstają wtedy, gdy we wszechświecie szybko porusza się obiekt o dużej masie. Im większa masa i im szybszy jej ruch, tym przestrzeń bardziej się marszczy – tak jak większa fala na wodzie powstanie, gdy wrzucimy do niej większy kamień.

Czarne dziury jednak istnieją

Zacznijmy od tego, czym ona w ogóle jest. Z punktu widzenia fizyki grawitacja to kształt czasoprzestrzeni, czyli wszystkiego, co nas otacza. Łatwiej będzie to zrozumieć, gdy użyjemy porównania. Zamiast mówić o czterowymiarowej czasoprzestrzeni (trzy wymiary przestrzenne plus czas) wyobraźmy sobie dwuwymiarową płaszczyznę, np. naciągniętą gumową membranę. Jeśli położymy na niej ciężką kulę, powierzchnia się ugnie i mniejsze kulki znajdujące się w pobliżu zostaną „przyciągnięte” do większej. To samo dzieje się we wszechświecie – tyle że w czterech wymiarach, a membraną jest właśnie czasoprzestrzeń.

Sto lat temu Albert Einstein opracował ogólną teorię względności. To najprecyzyjniejszy do dziś opis czasoprzestrzeni i działania grawitacji. Jego przewidywania zostały potwierdzone z ogromną dokładnością przez wiele eksperymentów. Einstein przewidział m.in., że w czasoprzestrzeni mogą się pojawić „zmarszczki”, czyli fale grawitacyjne. Bezpośredni dowód na ich istnienie znaleźli niedawno uczeni (w tym także Polacy) pracujący przy eksperymencie zwanym LIGO. Zarejestrowali oni fale, które powstały po połączeniu się dwóch czarnych dziur – obiektów wytwarzających bardzo silną grawitację, powstałych wskutek zapadnięcia się bardzo masywnych gwiazd pod własnym ciężarem.

W ten sposób dowiedli nie tylko, że Einstein miał rację. Wykazali także, że czarne dziury istnieją naprawdę. Tych tajemniczych obiektów nie da się zaobserwować przez teleskop, ponieważ ich grawitacja jest w stanie „wessać” nawet światło czy fale radiowe. Astronomowie mogli co najwyżej zobaczyć, że w jakimś rejonie kosmosu materia w tajemniczy sposób znika. „Takie dane nie stanowiły mocnego dowodu na istnienie czarnych dziur. Wciąż można było twierdzić, że one w ogóle nie istnieją. Eksperyment LIGO w końcu rozstrzygnął tę kwestię” – wyjaśnia Bruce Allen, fizyk z niemieckiego Max Planck Institute for Gravitational Physics.