Kategorije
Broj 5 Razumjeti znanost

Nemjerljivo: O LIGO-u i značaju eksperimenta

🕒 7 min

Načelo znanosti, možda i njena definicija, jest sljedeće: provjera sveg znanja jest eksperiment. Eksperiment je jedina procjena znanstvene istine.

Richard Feynman, The Feynman Lectures on Physics
Izvor: LIGO.

Nova teorija gravitacije

U modernoj teorijskoj fizici glavne teme vrte se oko pronalaženja lijepog matematičkog modela svemira. Albert Einstein slavan je, između ostalog, zbog svojih doprinosa tom cilju – njegove su teorije od objavljivanja poznate kao predivne (iako zloglasno kompleksne) i robustne. Dapače, neki Einsteinovi suvremenici smatrali su ih prikladnijima za područje matematike nego fizike. Međutim, njegove su teorije čvrsto bazirane na fizikalnoj stvarnosti. Njegova opća teorija relativnosti, koju danas smatramo modernom teorijom gravitacije, proizašla je iz pokušaja razrješenja nedosljednosti astronomskih opažanja (konkretno orbite Merkura) s predviđanjima Newtonove teorije gravitacije.

Kao rezultat, Einsteinova teorija gravitacije toliko je rigorozna da je prirodno povlačila provjeru eksperimentom. Njena su predviđanja čvrsta – i provjerljiva. Sam Einstein predložio je tri provjerljive predikcije vlastite teorije čim ju je objavio. Prva potvrda predviđanja opće teorije relativnosti, toga da objekti velike mase zakrivljuju putanju svjetlosti, stigla je tek nekoliko godina nakon što je objavljena, već 1919. Međutim, time što su znali što trebaju ispitati, fizičari Einsteinova doba nisu nužno znali kako to učiniti. Težina tog zadatka ispostavila se dobrodošlim izazovom za znanstvenu zajednicu. Opća teorija relativnosti uskoro je postala jednom od najšire testiranih teorija u fizici, a njene su predikcije potvrđene jedna za drugom, svaka uz neko veliko tehnološko otkriće. Posljednje veliko predviđanje opće teorije relativnosti nepotvrđeno do 21. stoljeća bili su gravitacijski valovi – a ispostavilo se osobito zahtjevnim.

Ideja gravitacijskih valova pojavila se davno prije nego što ih je Einstein teorijski predvidio. Proizašla je prirodno iz paralela između klasičnih modela elektriciteta i gravitacije. Ako titrajući naboji prozivode elektromagnetske valove, zašto mase koje ubrzavaju ne bi, analogno, proizvodile gravitacijske valove? Uisitnu, gravitacijski valovi naposljetku su iskočili iz Einsteinovih jednadžbi. Ipak, ne postoji količina predivne matematike koja bi zadovoljila kao fizikalni dokaz – sljedeći korak bio je eksperiment.

Problem je što su gravitacijski valovi kakve predviđa opća teorija relativnosti jako, jako slabi. Za razliku od elektromagnetizma, čije efekte možete proučiti u vlastitom dvorištu, da bismo ulovili bar tračak gravitacijskih valova, trebali bismo promotriti kataklizmički događaj kozmičkih razmjera. Nadati se detekciji gravitacijskih valova bilo je apsurdno. Da ste pitali fizičara iz Einsteinova vremena, pa i kojeg mnogo mlađeg, vjerojatno bi mislio da je nemoguće.

Izmjeriti nemjerljivo

Još jedna ideja koja je proizašla iz opće teorije relativnosti bila je radijacija gravitacijskih valova iz binarnih pulsara. Pulsari su vrlo zbijeni ostatci eksplodiralih zvijezda koji rotiraju ekstremno brzo oko vlastite osi. Jednostavno su ludi objekti, a interakcije u sustavu dvaju pulsara izvrsna su prilika za proučavanje samih granica fizike. Dvadeset godina nakon Einsteinove smrti, tim znanstvenika pronašao je upravo jedan takav sustav te su ga nastavili promatrati sljedećih osam godina. Nikad nisu direktno detektirali gravitacijske valove – oni emitirani iz ovakvog sustava bili bi, u najboljem slučaju, tek pozadinski šum – ali primijetili su da se pulsari približavaju jedan drugome kako gube energiju u obliku gravitacijskih valova. Opća teorija relativnosti pruža modele koji su vrlo precizno predvidjeli ovakvo ponašanje – gravitacijski valovi dobili su eksperimentalnu osnovu. Međutim, mnogi su i dalje sumnjali da će ikada biti direktno promatrani; možemo vidjeti njihove efekte, ali ne i njih.

Ovdje se LIGO uključio u priču. Izvorno Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO je započet upravo s ciljem detekcije Einsteinova sramežljivog konačnog predviđanja. Nakon nekoliko godina bez uspjeha, LIGO je zatvorio svoja vrata kako bi započela serija nadogradnji koje su ga naposljetku učinile jednim od najambicioznijih znanstvenih projekata stoljeća, a i jednim od najgenijalnijih.

Advanced LIGO projekt, napredni nasljednik LIGO-a, izgrađen je kao najprecizniji mjerni alat na svijetu – minimum potreban za zahtjeve detekcije gravitacijskih valova. Kako bi uspjeli uhvatiti nevjerojatno slab signal gravitacijskih valova, LIGO tim korstio je specijaliziran interferometar. Interferometri mjere interakcije jedne ili više zraka svjetlosti i uzorke koji nastaju kao rezultat. Dva izvora svjetlosti mogu se, ovisno o uvjetima postava, međusobno pojačati do zajedničkog maksimuma ili potpuno poništiti – sve ono između omogućuje nam da izmjerimo nezamislivo male promjene u njihovim pozicijama. Za bolju ideju o interferometrima i LIGO-u, pogledajte ovaj video.

Ukratko, LIGO je sastavljen od dviju okomitih cijevi duljine 4 km, unutar kojih je gotovo savršen vakuum. Laseri odašilju snažne zrake dugovalne svjetlosti duž cijevi, a one se na krajevima odbijaju o besprijekorno polirana zrcala i interferiraju natrag na sjecištu cijevi. Ako dođe do sitne promjene u poziciji zrcala, detektiran signal na kraju se mijenja. Međutim, kako bi izbjegli lažne detekcije (jer nitko ne želi zamijeniti kamion za sudar crnih rupa), LIGO je izgradio dva identična postava, jedan na svakoj obali Sjeverne Amerike. Jedino su detekcije na oba mjesta dolazile u obzir.

LIGO postav. Izvor: Johan Jarnestad, The Royal Swedish Academy of Sciences.

Nakon ovog tehničkog i znanstvenog pothvata, znanstvenici su od LIGO-a mogli očekivati detekcije sudara crnih rupa na udaljenosti do 5 milijardi svjetlosnih godina. Sve što je preostalo bilo je pričekati da se jedan dogodi –

– i jest. Gotovo odmah nakon ponovnog uključivanja, LIGO je vraćao obećavajuće detekcije. Uhvatio je i sada slavan signal ponora i sudara dviju crnih rupa 1.3 milijardi svjetlosnih godina od Zemlje. Ovaj katastrofalni sudar stvorio je crnu rupu mase 60 puta veće od Sunčeve, no za LIGO tim bio je sve samo ne katastrofalan. Napokon su uspjeli detektirati gravitacijski val – i uz to su potvrdili da se binarni sustavi crnih rupa s vremenom sudare i spoje.

Signali koje su detektirali LIGO opservatoriji u Hanfordu (Washington) i Livingstonu (Louisiana). Dva gornja grafa prikazuju detektirane signale i njihove teorijske oblike. Donji graf prikazuje signale jedan preko drugog, dokazujući da su obje lokacije detektirale isti događaj. Izvor: LIGO.

I tako su, više od stoljeća nakon što ih je Einstein teorijski predvidio, direktno dokazani gravitacijski valovi. To je postignuće tek dodatno učvrstilo povjerenje u opću teoriju relativnosti, koja je i dalje – uz kvantnu elektrodinamiku – jedna od najbolje ispitanih znanstvenih teorija. Ipak, LIGO je time tek krenuo sa svojim doprinosima – metoda koju su razvili otvorila je vrata cijeloj novoj grani astronomskih istraživanja.

Značaj crnih rupa

LIGO je omogućio promatranje događaja toliko nepojmljivo velikih proporcija da je čudno razmišljati o tome da smo prije tek nekoliko godina bili potpuno nesvjesni njihova postojanja. Astronomija gravitacijskih valova pomaže oblikovati novo razumijevanje najbizarnijih fenomena u svemiru.

Proteklih tjedana crne su se rupe zamjetno istaknule na znanstvenoj pozornici. Ovogodišnja Nobelova nagrada iz fizike dodijeljena je Rogeru Penroseu te Reinhardu Genzelu i Andrei Ghez upravo za njihova nevjerojatna otkrića na području fizike crnih rupa. LIGO je doprinio uzbuđenju oko crnih rupe nešto ranije – početkom rujna objavljena je detekcija najvećeg sudara crnih rupa u povijesti. Bile su to najdalje crne rupe koji smo ikad detektirali – njihovom je signalu trebalo čak 7 milijardi godina da stigne do Zemlje, dulje nego što je Sunčev sustav postojao. Bile su i najmasivnije ikad – toliko masivne da su poljuljale naše znanje o crnim rupama nastalim iz zvijezda. To je ovaj sudar učinilo možda i najzanimljivijim, iako zbunjujućim, takvim otkrićem dosad.

Može se postaviti pitanje zašto bismo trošili toliko energije i vremena na nemoguće daleke, nevidljive stvari. Uz jednostavno obrazloženje da su neodoljivo zanimljive, crne rupe igraju bitnu ulogu u modernoj fizici. Utjelovljenje su granica našeg razumijevanja. Kao što su Stephen Hawking i Roger Penrose pokazali, glatko se uklapaju u opću teoriju relativnosti, ali brzo pokleknemo pokušamo li ih dublje istražiti. Fizičar ne bi bio nimalo manje iznenađen da sazna da iza ruba crne rupe postoji kvantni vatrozid nego da sazna da je ondje zapravo beskonačan broj crnih mačaka. Pokušavajući razumjeti ekstremne pojave dobivamo uvid u ponašanje onih uobičajenih.

Kao što smo već ustanovili, dostatan udio moderne fizike ne opterećuje se primjenom svojih otkrića niti njihovom praktičnom vrijednošću, već nastoji pronaći neprobojan, rigorozan model stvarnosti, čak i na račun matematičke ljepote. Cilj je moći postaviti promatrača negdje, bilo gdje u svemiru – od unutrašnjosti atoma, do hladnog svemirskog vakuuma, so jezgre neutronske zvijezde – i znati točno što će iskusiti. Crne rupe neki su od najčudnijih objekata u svemiru i, kao takvi, omogućuju nam da učvrstimo svoje razumijevanje fundamentalnih svojstava svemira – sve uz potporu ljudske briljantnosti zvane eksperiment.

Jeste li već iskušali sreću s općom teorijom relativnosti? Jeste li otprije upoznati s aktualnim eksperimentima u LIGO-u ili s kojim drugim projektom iz astronomije gravitacijskih valova? Recite nam u komentarima!

Izvori i dodatne informacije

  1. A century of correct predictions
  2. LIGO, Caltech
  3. A “bang” in LIGO and Virgo detectors signals most massive gravitational-wave source yet
  4. Astronomers detect most powerful black-hole collision yet
  5. On the Anniversary of Two Scientific Revolutions
  6. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger
  7. Interferometer Response to Gravitational Wave

Autor Laura Busak

Laura je studentica fizike s velikom ljubavi za sve povezano sa svemirom. Voli svirati i slušati glazbu, čitati, promišljati i općenito raditi što god joj padne na pamet, nerijetko do bar 2 ujutro.

Odgovori

Vaša adresa e-pošte neće biti objavljena. Obavezna polja su označena sa *

Ova web-stranica koristi Akismet za zaštitu protiv spama. Saznajte kako se obrađuju podaci komentara.