Dlaczego wszechświat nie jest z gumy. Odkrycie fal grawitacyjnych. - ebook

WSTĘP

WSTĘP

Jest to druga z książek napisanych przez nas wspólnie – „przez nas”, to znaczy przez grupę osób, które studiują bądź studiowały różne dziedziny wiedzy. Jedni słuchają wykładów, inni je wygłaszają, przygotowują doktorat, prowadzą prace badawcze lub próbują na innych polach wnosić wkład do produktu krajowego brutto, korzystając ze swojej znajomości fizyki. Nasza poprzednia książka Die Entdeckung des Higgs-Teilchens (Odkrycie cząstki Higgsa) koncentrowała się wokół jednego z najważniejszych odkryć w fizyce, a ponieważ spotkała się z uznaniem czytelników, drugą publikację pragnęliśmy poświęcić równie ważkiemu odkryciu. Tym razem jest to prawdziwie kosmiczny wstrząs, który 14 września 2015 roku wprost „zachwiał” Ziemią. Mamy na myśli wykryte tego dnia fale grawitacyjne, określone przez specjalistów mianem sygnału GW150914.

Teoretyczne podstawy tego odkrycia, znane pod nazwą ogólnej teorii względności, zostały opracowane przez Alberta Einsteina już przed stu laty. Jednak trzeba było aż stulecia oraz wielkiego grona techników i badaczy, by doświadczalnie potwierdzić hipotezy Einsteina. Wymagało to żmudnego tworzenia dopracowanych w najdrobniejszych szczegółach rozwiązań technicznych oraz skonstruowania ogromnych, skomplikowanych instrumentów pomiarowych. Podstawą tych poczynań był projekt LIGO (Laser Interferometer Gravitational – Wave Observatory) – przedsięwzięcie realizowane od 1992 roku przez Kipa Thorne’a i Ronalda Drewera z Caltech (California Institute of Technology) oraz Rainera Weissa z MIT (Massachusetts Institute of Technology), obserwatorium znajdującego się w dwóch miejscach.

Po pierwszych próbach z lat siedemdziesiątych od lat dziewięćdziesiątych poszukiwania przybrały wreszcie konkretną postać. Dyrektor LIGO Barry Barish zapoczątkował rozbudowę interferometru oraz międzynarodową współpracę nad prowadzonym przez siebie projektem. Dzięki temu systematycznie podnosiła się dokładność i czułość pomiarów oraz powiększał się zasięg poszukiwań. Poczynając od 2002 roku, ogromne detektory LIGO były nieustannie aktywne i we wrześniu 2015 roku łowcy fal grawitacyjnych odnieśli sukces!

Dziś projekt LIGO realizują uczeni z ponad 40 instytutów na całym świecie. Bierze w nim udział wielu badaczy, których zadaniem jest weryfikacja wyników pomiarów, doskonalenie techniki pomiarów, formułowanie nowych hipotez oraz strategii badań itd. (w Niemczech za prace nad detektorem GEO600 i sondą LISA Pathfinder odpowiadał Karsten Danzmann z Albert-Einstein-Institut). Nagrodę Nobla w roku 2017 słusznie przyznano trzem pionierom badań w dziedzinie fal grawitacyjnych, Rainerowi Weissowi, Kipowi Thorne’owi i Barry’emu Barishowi, w rzeczywistości jednak honoruje ona wszystkich naukowców zaangażowanych w to przedsięwzięcie.

Ale powróćmy do książki. Jej temat nie jest łatwy, dlatego staraliśmy się ją pisać w sposób możliwie przystępny i nieco beletrystyczny oraz z miejsca osaczyć Was, Szanowne Czytelniczki i Szanowni Czytelnicy, dwoma wstępami, tym, który teraz czytacie, oraz tekstem zatytułowanym In memoriam. Dalej chcemy przybliżyć teoretyczne podstawy dotyczące fal grawitacyjnych: ogólną teorię względności i grawitację. Kolejny rozdział dotyczy pojęcia czasoprzestrzeni – powodów, dla których w opinii fizyków przestrzeń i czas nie są od siebie niezależne. Ostatni czysto teoretyczny rozdział dotyczy samych fal grawitacyjnych.

Omówiwszy te podstawy, zajmiemy się kwestią pochodzenia fal grawitacyjnych. Właściwa i oczywista odpowiedź brzmi: ich źródłem są gwiazdy oraz ich nieunikniona, widowiskowa śmierć. Szczątki gwiezdnych trupów zachowują wystarczająco wielką siłę, by po długim czasie pozornego spokoju wstrząsać Wszechświatem. W swej podróży przez kosmos fale grawitacyjne przejawiają pewną osobliwość, tak że gdy w końcu docierają do Ziemi, większość jej mieszkańców w ogóle ich nie zauważa. Dlatego na koniec zdradzimy, jakie narzędzia są potrzebne, żeby zarejestrować te drgawki Wszechświata. A jeśli po tej pełnej przygód podróży zechcecie doznać jeszcze jednej rozkosznej niespodzianki… przygotowaliśmy dla Was coś na deser.

Życzymy wiele frajdy!

Harald Lesch, Martin Dittgen, Timothy Hall, Till Heckelbacher, Matthias Helsen, Florian Selig, Judith Selig, Florian Zeller, Roman ZitlauGRAWITACJA I OGÓLNA TEORIA WZGLĘDNOŚCI Martin Dittgen

Martin Dittgen

Grawitacja i ogólna teoria względności

„Odkryto fale grawitacyjne Einsteina!” – krzyczał jeden z wielu nagłówków w tym pamiętnym dniu, gdy ogłoszono wiadomość o pierwszym bezpośrednim zarejestrowaniu fal grawitacyjnych. Już Albert Einstein w swej rozprawie z 1915 roku o przestrzeni i czasie oraz ich oddziaływaniu z „zanurzonymi” w nich masami przewidział istnienie tego rodzaju wibracji. Swoją konstrukcję myślową nazwał ogólną teorią względności. Ale zacznijmy od samego początku.

Historia swobodnego spadania

Co się stanie, gdy z tej samej wysokości upuścimy dwie jednakowe kule wykonane z różnych materiałów, a zatem mające różne masy? Dla Arystotelesa odpowiedź była jasna: pierze spada wolniej niż kamień. Z tego założenia w 1590 roku wyszedł także Galileusz, który początkowo był absolutnie przekonany, że zrzucona z wysokiej wieży kula ołowiana uderzy w powierzchnię Ziemi szybciej niż kula drewniana. Ale o ile Arystoteles i jego zwolennicy polegali jedynie na rozważaniach teoretycznych i obserwacji zawodników miotających kule czy dyski, Galileusz postanowił poddać zjawisko dokładniejszym badaniom: przygotował kule z różnych materiałów i o różnych wagach i pozwolił im staczać się po równi pochyłej, a następnie sprawdzał, która z nich pierwsza znajdzie się u podnóża pochyłości. Dzięki użyciu równi pochyłej spowolnił swobodny spadek na tyle, by można było śledzić ów wyścig gołym okiem. Zdołał ustalić nawet prędkości kul mimo stosowania ówczesnej niedokładnej metody pomiaru czasu¹.

Legenda głosi, że w 1589 roku zrzucił dwie kule z Krzywej Wieży w Pizie, by w ten sposób dopełnić swoje eksperymenty. Z owych doświadczeń wyprowadził rewolucyjny wniosek, ujęty przezeń w wyważony sposób: „W związku z tym uważam, że gdy całkowicie wyeliminuje się opór powietrza, wszystkie ciała spadają jednakowo szybko”.

Co zatem dzieje się, gdy ciało spada? Spotykają się dwie przeciwstawne sobie właściwości: bezwładność i ciężar ciała. Bezwładność opiera się każdej zmianie stanu ruchu. Co oczywiste, zależy ona od masy. Łatwiej jest popchnąć plastikowy samochodzik zabawkę niż prawdziwy samochód osobowy. Mówiąc językiem fizyki, bezwładność zabawki jest mniejsza od bezwładności samochodu.

Masa grawitacyjna określa ciężar ciała, który można zmierzyć za pomocą wagi. Samochodzik może ważyć, powiedzmy, 260 gramów. Samochód osobowy – około 1,3 tony. Zatem samochód osobowy jest 5000 razy cięższy od zabawki. Żeby zabawka i samochód spadały z tą samą prędkością, również masa bezwładna samochodu musi być 5000 razy większa od masy bezwładnej zabawki. Innymi słowy, masa bezwładna ciała musi być równa jego masie grawitacyjnej.

Co łączy ze sobą tak różne zjawiska jak bezwładność i ciężar? Według opinii Galileusza – którą, nawiasem mówiąc, podzielały takie autorytety jak Newton – to, że obie masy są dokładnie jednakowe, było tylko zbiegiem okoliczności, przypadkowym wybrykiem natury. Ani Galileusz, ani Newton nie podejrzewali tu żadnej większej zależności.

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki