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.

 

Pomiar fal grawitacyjnych może wiele zmienić we współczesnej fizyce. Być może każdą grawitację – także tę, która trzyma nas na ziemi i ściąga ku niej samoloty – będzie można potraktować jak falę. Mogą powstać nowe koncepcje dotyczące powstawania i działania czarnych dziur.

Na razie nie zmieni to w widoczny sposób naszego codziennego życia. Jednak takie badania są niezbędne, jeśli chcemy kiedyś zapanować nad grawitacją.

Kiedy udowodniono istnienie fal grawitacyjnych?

Z teorii Einsteina wynika m.in., że fale grawitacyjne powinny nieść ze sobą energię. Szczegółowe obliczenia dotyczące tego zjawiska wykonał w latach 50. i 60. polski fizyk Andrzej Trautman. A pierwszy dowód znaleźli w 1974 r. dwaj radioastronomowie z Princeton University – Joseph Taylor i Russell Hulse. Obserwowali dwie krążące wokół siebie gwiazdy, tworzące układ podwójny o nazwie PSR1913+16. Uczeni stwierdzili, że orbita, po której się one poruszają, staje się coraz ciaśniejsza. Układ stopniowo tracił swą energię w taki sposób, jakby zamieniał ją właśnie na fale grawitacyjne. Było to pośrednie potwierdzenie ich istnienia, ale wystarczyło, by odkrywcy dostali w 1993 r. Nagrodę Nobla.

Od młota Thora do „Gwiezdnych wojen”

Ludzkość marzy o tym od stuleci. Już w XIX wieku w literaturze pojawiały się antygrawitacyjne wynalazki. Pisarze fantazjowali, że gdy nauczymy się wyłączać działanie tej siły, będziemy mogli swobodnie latać w powietrzu, podróżować na Księżyc i inne kosmiczne obiekty. Zapominali przy tym, że brak grawitacji może być bardzo niebezpieczny. Ostatecznie to ona utrzymuje wokół Ziemi atmosferę, a nasze ciała są przystosowane do ciągłego jej oddziaływania. Stąd m.in. biorą się kłopoty ze zdrowiem i samopoczuciem, jakich doświadczają astronauci na orbicie.

Precyzyjne sterowanie grawitacją mogłoby jednak dać nam możliwości znane z opowieści o bogach czy superbohaterach. Przykładem może być Mjölnir – młot należący do nordyckiego boga Thora, znanego miłośnikom fantastyki z komiksów i filmów wytwórni Marvel. Tej potężnej broni nie może unieść nikt poza jej właścicielem. Co więcej, ciśnięty przez Thora młot wraca do niego, wykonując w czasie lotu ciasne zakręty. Kiedy byłoby to możliwe? Zdaniem prof. Jima Kakaliosa, fizyka z University of Minnesota, wystarczyłoby, aby młot był wykonany z materiału, który potrafi zakrzywiać czasoprzestrzeń. Gdyby emitował fale grawitacyjne – znacznie słabsze niż te zarejestrowane przez LIGO – mógłby niemal dowolnie zmieniać swój ciężar i kierunek lotu. Jeśli spojrzymy na lewitujące samochody, takie jak w filmie „Piąty element”, skojarzenia nasuwają się same.

W podobny sposób można by wytłumaczyć zjawiska znane z sagi „Gwiezdne wojny”. Choćby statki kosmiczne, które poruszają się z dużą szybkością w próżni i potrafią wykonywać gwałtowne skręty bez użycia jakichkolwiek dodatkowych silników. Albo potężną stację bojową Starkiller, która uzyskuje energię, „wysysając” materię z pobliskiej gwiazdy. Coś takiego byłoby możliwe tylko dla cywilizacji, która potrafi kontrolować grawitację i wykorzystywać jej olbrzymią siłę do swoich celów.

Zła wiadomość jest taka, że nauka do dziś nie znalazła nawet śladu rozwiązań, które mogłyby pozwalać na coś takiego. Uczeni nie wiedzą, jak zmienić działanie siły grawitacji. Podejrzewają natomiast, że potrzebowalibyśmy do tego bardzo dużo energii, co stawia pod znakiem zapytania sens takich wynalazków jak antygrawitacyjne samochody czy młot Thora. Dobra wiadomość jest taka, że zdaniem fizyków w przyszłości moglibyśmy wykorzystać olbrzymią grawitację czarnych dziur do błyskawicznych podróży w odległe zakątki kosmosu.

Przez tunel do galaktyk

Problem z kosmosem polega na tym, że jest on w większości niemal zupełnie pusty. Od najbliższych gwiazd dzielą nas odległości, na których pokonanie światło potrzebuje wielu lat. Naszym najlepszym pojazdom kosmicznym zajęłoby to tysiąclecia. Z teorii Einsteina wynika, że nic nie może poruszać się szybciej niż światło, więc podróż np. do innej galaktyki wydaje się zupełnie niemożliwa – chyba że użyjemy drogi na skróty.

 

Już w latach 30. ubiegłego wieku Einstein odkrył, że czarne dziury mogą mieć dwa końce. Mogłyby więc tworzyć coś na kształt mostu między dwoma punktami czasoprzestrzeni. W latach 80. matematycy zaczęli na nowo grzebać w równaniach Einsteina i pokazali, że gdy odpowiednio zakrzywimy czasoprzestrzeń, jesteśmy w stanie podróżować z jednego punktu w drugi. Więcej, człowiek jest w stanie przeżyć taką podróż – a to istotna zaleta, gdy mówimy o obiektach o tak wielkiej grawitacji, że nawet światło nie jest w stanie uciec.

Tak narodziła się idea tzw. wormholes (w dosłownym tłumaczeniu „dziur wygryzionych przez robaki”), czyli mostów Einsteina-Rosena. To tunele, które można wykorzystać do szybkich podróży międzygwiezdnych. Przypomnijmy sobie porównanie czasoprzestrzeni do gumowej membrany. Gdy w takiej płachcie zrobimy zagłębienie o kształcie balonika i wygniemy ją, możemy „na skróty” dostać się do bardzo odległego miejsca. Na taki pomysł wpadł w 1985 roku prof. Kip Thorne, astrofizyk z California Institute of Technology. Co ciekawe, do odkrycia tego zainspirowała go prośba innego naukowca – Carla Sagana, który właśnie pracował nad powieścią science fiction „Kontakt” (później doczekała się filmowej adaptacji). Jej bohaterka przemieszcza się w czasie i przestrzeni przez szereg tuneli czasoprzestrzennych zbudowanych przez obcą cywilizację.

Podobnie wyglądają międzygalaktyczne podróże w filmie „Interstellar” (notabene, jego głównym konsultantem naukowym był prof. Thorne). Jego bohaterowie wlatują pojazdem kosmicznym do tunelu i w mgnieniu oka pokonują dziesiątki milionów lat świetlnych, szukając nowego miejsca, w które mogłaby się przenieść zagrożona wyginięciem ludzkość. Potem przekonują się, że ów tunel wykonali ludzie z odległej przyszłości, którzy zapanowali nad grawitacją.

Na czym polega eksperyment LIGO?

LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) to para obserwatoriów fal grawitacyjnych, znajdujących się w USA. Każda taka instalacja składa się z dwóch rur długości 4 km każda, stykających się ze sobą końcami pod kątem prostym. We wnętrzu każdej rury znajduje się kolejna rura ze stali nierdzewnej, która jest granicą pomiędzy światem zewnętrznym a bardzo wysoką próżnią. Z laboratorium na styku rur w tym samym momencie wysyłane są wiązki laserowe. Na końcach rur są zwierciadła, które odbijają światło. Wiązki laserowe są odbijane w rurach tam i z powrotem ok. 100 razy, a potem wpadają do centralnego laboratorium i są ze sobą starannie porównywane.

Uczeni mogą obliczyć z wielką dokładnością, czy obydwie wiązki przebyły te same drogi. Jeśli w czasie pomiaru przez Ziemię przejdzie fala grawitacyjna, wtedy jedno z ramion LIGO będzie nieco dłuższe. O ile? Różnica to nie więcej niż jedna tysięczna średnicy protonu! W książce „Zmarszczki na kosmicznym morzu” David Blair porównuje poszukiwanie fal grawitacyjnych do nasłuchiwania wibracji wywołanych przez pukanie do drzwi z odległości 10 tys. km. Detektory zdolne wykryć fale grawitacyjne powinny zarejestrować efekt porównywalny z upadkiem szpilki po drugiej stronie naszej planety.

Aby nic z otoczenia – drgania gruntu, huk spowodowany przez lecący odrzutowiec itp. – nie zakłóciło pomiaru, uczeni zbudowali dwie bliźniacze instalacje LIGO oddalone od siebie o ponad 3 tys. km. Jedna jest w Hanford w stanie Waszyngton, a druga w Livingston w stanie Luizjana.

Tylko fala grawitacyjna powstała wskutek bardzo gwałtownego zdarzenia jest w stanie spowodować powstanie sygnału w dwóch instalacjach niemal w tym samym momencie. Taka fala dotarła do Ziemi jesienią ubiegłego roku. Jej źródłem była gigantyczna kosmiczna katastrofa – połączenie się dwóch czarnych dziur, do którego doszło 1,3 mld lat temu. Wywołało to „zmarszczkę” czasoprzestrzeni, która podróżowała przez kosmos z prędkością światła i została zarejestrowana przez LIGO.

 

Rewolucja za sto lat?

Taka technologia to nadal pieśń odległej przyszłości. Wielkie rewolucje w nauce mają to do siebie, że potrzebują dużo czasu, by przynieść realne efekty widoczne w naszym codziennym życiu. Wystarczy przyjrzeć się historii badań nad oddziaływaniem elektromagnetycznym, żeby to zrozumieć.

W 1781 r. włoski biolog Luigi Galvani przygotowywał na obiad żabie udka. Zaobserwował, że mięśnie zwierzęcia kurczą się, gdy dotknie je metalowym nożem. Był to efekt reakcji elektro-chemiczych, zachodzących w komórkach żywego organizmu. Prace Galvaniego zainspirowały innego Włocha, Alessandro Voltę. Zrozumiał on, że reakcje takie mogą doprowadzić do powstania prądu elektrycznego. Dzięki temu zbudował pierwsze baterie, ale stało się to dopiero 20 lat po obserwacjach Galvaniego.

Na początku XIX wieku naukowcy mieli do dyspozycji baterie Volty, ale nadal nie rozumieli, czym jest prąd elektryczny i jakie prawa rządzą tym zjawiskiem. Musieli na to poczekać dobrze ponad pół wieku.

W 1861 r. James Clerk Maxwell stworzył matematyczny opis fali elektromagnetycznej. I dopiero dzięki temu mogły powstać późniejsze wynalazki. Pierwsze układy scalone, dzięki którym działa cała współczesna elektronika – od zegarków po superkomputery – powstały w 1958 r. Czyli prawie sto lat po Maxwellu i 177 lat po Galvanim.

Dziś, w XXI wieku, wydaje nam się, że nauka może rozwijać się szybciej niż w poprzednich stuleciach. I do pewnego stopnia jest to prawda, ale też rośnie skala wyzwań, z jakimi muszą zmierzyć się badacze. Istnienie fal grawitacyjnych było bardzo trudno potwierdzić. Einstein przewidział je sto lat temu. Prace teoretyczne prowadzące do skonstruowania detektorów LIGO trwały cztery dekady, a ich zbudowanie kosztowało ponad 600 mln dolarów. I nadal w pewnym sensie jesteśmy w tym miejscu, w jakim był Galvani obserwujący podrygujące żabie udka. Brak nam teorii, by w pełni pojąć grawitację i to, jak możemy ją wykorzystać.

Zmierzyć, obliczyć, zrozumieć

Część naukowców uważa, że wkrótce to się zmieni. „Do 2040 roku uzyskamy odpowiedzi na wiele głębokich pytań dotyczących grawitacji. Czy istnieją inne wszechświaty? Jeśli tak, to czy są w jakiś sposób związane lub połączone z naszym? Czy prawa fizyki pozwalają, by rozwinięta cywilizacja stworzyła stabilne tunele nadające się do podróży kosmicznych i wehikuły czasu do podróży w przeszłość?” – przewiduje wspomniany wcześniej prof. Kip Thorne. Jednak w tym celu będziemy potrzebowali dwóch rzeczy. Pierwsza to kolejne obserwacje fal grawitacyjnych, pozwalające nam lepiej zrozumieć to zjawisko. Naziemne detektory, takie jak LIGO, można udoskonalać i na pewno dostarczą one naukowcom jeszcze wielu danych. Ale ich ambicje sięgają dalej – w kosmos. Tam ma znaleźć się detektor eLISA, znacznie bardziej czuły niż dotychczasowe. W kosmosie łatwiej wyeliminować też różne zakłócenia wpływające na pomiar. Ale jest to bardzo kosztowne. Projekt eLISA pochłonie setki milionów euro i zacznie działać – jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem – najwcześniej w 2034 r.

Co zobaczymy dzięki falom grawitacyjnym?

Mają one cenną właściwość – przechodzą bez zakłóceń przez wszystko. „Światło widzialne pozwoliło Galileuszowi na zbadanie Układu Słonecznego. Dzięki falom radiowym mogliśmy zbadać centra galaktyk i odkryć w nich czarne dziury. Detektory fal grawitacyjnych mogą odkryć najskrytsze tajemnice stworzenia” – przewiduje znany fizyk prof. Michio Kaku w książce „Fizyka rzeczy niemożliwych”. Uczeni mają nadzieję na wykrycie tzw. pierwotnych fal grawitacyjnych, które powstały tuż po Wielkim Wybuchu. Dzięki nim będzie można lepiej zrozumieć, jak kształtował się młody Wszechświat. Poza tym fale grawitacyjne dostarczą danych na temat budowy czarnych dziur, galaktyk, gwiazd podwójnych i innych masywnych obiektów.

 

Dane z obserwacji to jedno, ale najważniejsze są wnioski, jakie z nich wyciągniemy. Do tego potrzebujemy teorii, które opisują działanie grawitacji, zwłaszcza w sytuacjach ekstremalnych – takich, jakie panują w pobliżu czarnych dziur czy w tunelach czasoprzestrzennych. Nauka do dziś sobie z tym nie radzi. Obecnie największe znaczenie mają dwie konkurencyjne teorie – tzw. teoria strun i teoria pętlowej grawitacji. Obie operują bardzo skomplikowaną matematyką. Nad obydwoma od kilkudziesięciu lat pracują zastępy wybitnych fizyków z całego świata. Być może nawet uda się je połączyć w jedną, spójną teorię. Ale nikt nie wie, czy i kiedy mogłoby się to stać. „Tak naprawdę obie teorie są wciąż bardzo niekompletne i trudno mówić, że któraś jest lepsza bądź gorsza” – uważa Jorge Pullin, specjalista od grawitacji z Louisiana State University.

Dlatego może minąć jeszcze wiele dziesięcioleci, zanim zrozumiemy grawitację na tyle, by próbować nią sterować. Ale badania trzeba prowadzić już dziś, inwestując w nie ogromne fundusze. W najgorszym razie „jedynie” poszerzą one naszą wiedzę o Wszechświecie. W najlepszym – pozwolą naszym wnukom czy prawnukom na prawdziwy podbój kosmosu. 


• DLA GŁODNYCH WIEDZY:

» Ciekawa książka o dalszych perspektywach rozwoju fizyki – „Fizyka przyszłości. Nauka do 2100 roku”, Michio Kaku (Prószyński Media 2011)

» Strony projektów mających na celu wykrycie fal grawitacyjnych – www.ligo.org, www.virgogw.eu, www.geo600.org, www.elisascience.org

» Trzy nasze wywiady z fizykami o mechanice kwantowej, grawitacji, czasie i Wielkim Wybuchu – http://bit.ly/3wywiady