Nagroda za falę – nagroda na fali**

Z tegoroczną (2017) nagrodą Nobla niespodzianki raczej nie było – od lutego zeszłego roku było jasne, że doświadczalne odkrycie fali grawitacyjnej (14/09/2015) jest jednym z największych odkryć w historii fizyki. Powodów jest kilka. Oto one:

Rys. 1. Fala grawitacyjna - wizualizacja [7].

1. Po pierwsze, fale grawitacyjne są kolejnym składnikiem kosmologicznej układanki Alberta Einsteina, zwanej „ogólną teorią względności” [1]. Według profesora Michała Hellera, proste równanie (a w rzeczywistości układ 10 sprzężonych równań tensorowych) zawierające stałą grawitacji, prędkość światła i liczbę pi, składa się z jakiś 10 tysięcy elementów, z których znamy 4-5 (II prawo Newtona, grawitacja Newtona, zakrzywienie czasoprzestrzeni wokół masy, pociąganie przestrzeni przez wirującą masę – efekt Lense'a-Thirringa [2])

2. Fale grawitacyjne są jeszcze dziwniejsze niż fale Maxwella, które propagują w pustej próżni (a np. głos propaguje w cieczach, gazach, ciałach stałych, ale nie w próżni). To sama pusta przestrzeń kurczy się i rozciąga. Poprzecznie, na zmianę w lewo/ prawo, góra/dół, i bardzo niewiele (jak ubierana na nogę skarpeta).

3. Z punktu widzenia mechaniki kwantowej fala grawitacyjna też jest ciekawa – kręt (spin) elektronu i protonu wynosi ½, fotonu 1, bozonu Higgsa – 0, a grawitonu, czyli kwantu fali grawitacyjnej – 2. Pierwsza obserwacja fali, ogłoszona w lutym 2016, wykazała, że masa tego kwantu wynosi, w granicach błędu pomiaru, zero i propaguje on, w granicach błędu, z prędkością światła.

4. Obserwacje fal grawitacyjnych są niezwykle precyzyjnymi pomiarami – zmierzono skurczenie się rury o długości 4 km o odległość 1/1000 średnicy protonu! Dwa stąd wnioski – po pierwsze, są to pomiary (przypuszczalnie) najdokładniejsze z przeprowadzonych dotychczas w fizyce. Po drugie – fale grawitacyjne, powstające w wyniku zderzeń czarnych dziur (na szczęście, daleko od nas) są ledwie, ledwie zauważalnymi deformacjami czasoprzestrzeni. Einstein mawiał: „jak delikatny jest nasz Pan” [3].

5. Często przewija się, że fale grawitacyjne otwierają dla nas zupełnie nowe okno dla badań Wszechświata. Bez wątpienia tak jest. Obserwujemy zdarzenia w odległości miliardów lat świetlnych od nas, nie obserwowalne (jak do tej pory) w żaden inny sposób. A przede wszystkim mamy realne potwierdzenie istnienie czarnych dziur, Schwarzchildowego rozwiązania równania Einsteina.

6. Jak przy każdej nagrodzie, ojców sukcesu jest wielu. Ale tegoroczna nagroda nie została przyznana za teorię – możliwość istnienia fal, ale za ich doświadczalne potwierdzenie. Nagroda dla Rainera Weissa, Barryego C. Barisha i Kipa S. Thorna [4] należała się przede wszystkim za niezwykłą przenikliwość, z jaką laureaci wiele lat temu wyznaczyli cel i konsekwencję, z jaką ten cel realizowali. W artykule z 1999 roku [5] Barish i Weiss szczegółowo przewidzieli, że najwyższą czułość, rzędu 10-23 (a właściwie nieczułość na szumy, jak przejazd tramwaju w Chicago) LIGO będzie miało w zakresie częstotliwości około 100 Hz, zob. rysunek. I taką falę dokładnie zaobserwowano, tyle że zlepienie czarnych dziur („BH merge”) było dalej, niż się wówczas spodziewano. Na nasze szczęście!

 

Rys. 2. STRAIN SENSITIVITY LIMITS as a function of signal frequency [5].

7. „Wyłuskanie” z niezwykle słabego sygnału, trwającego 0,12 s, fotografii zderzenia dwóch czarnych dziur o masach 20-30 mas Słońca, określenie prędkości, odległości i kierunku rotacji tych dziur to przeogromny sukces teoretyków, zarówno tych piszących równania jak i programy komputerowe. Zgodność analizy i zmierzonego sygnału jest wręcz niewiarygodna (zob. oryginalny artykuł z lutego 2016 roku lub jego cytowania [6]).

8. Ale co najważniejsze - odkrycie w LIGO uczy nas, naukowców, odpowiedzialności i realizmu doświadczalnego. Niejaki Weber w latach 60-tych ogłosił, że zaobserwował drgania o częstotliwości 1000 Hz (tak! dokładnie 1000 Hz) cylindra aluminiowego o długości 1 m (tak! dokładnie 1 metra). Zastępy fizyków sprawdzało przez dziesięciolecia ten wynik, trwoniąc czas, siły (i życiorysy młodych ludzi). Inna, alternatywna dla LIGO grupa, nadal szuka fal o długości paru milionów kilometrów (i częstotliwości pojedynczych Hz) za pomocą satelitów na orbicie wokół Ziemi (bo nie ma funduszy na ich wysłanie). LIGO okazało się drogą najrealniejszą, prostą, ale wymagającą niezwykłego uporu i skrupulatności. A przy okazji, jest przykładem fizyki wielo-dyscyplinarnej.  

Tegoroczna nagroda Nobla nie jest więc, jak się to czasem zdarza, „zapchajdziurą” pod nieobecność innych znacznych odkryć, ale otwarciem okna na kolejne stulecia naszych (tj. ludzkości) badań Wszechświata. 

Grzegorz Karwasz, 07.10.2017

PS. Studenci wtorkowego wykładu na Wydziale Teologii są mi winni kawę

A w dzień po ogłoszeniu nagrody, 6/10/2017 w Phys. Rev. Lett. została ogłoszona kolejna detekcja, z 14/08/2017. Tym razem działała również antena VIRGO koło Pizy, co pozwoliło określić, z którego punktu na niebie pochodził sygnał zderzenia dwóch czarnych dziur [8].

Czytaj:

1. G. Karwasz, Zadrżała czasoprzestrzeń, Urania, nr 2/ 2016, str. 8 [użytkownik "as", hasło "as"]

2. G. Karwasz, Fala z grawitacyjnej odchłani, Fizyka w Szkole, nr 2/ 2016, str. 36


19/10/2017:

W tej samej "serii pomiarowej" w sierpniu 2017 roku (17.08.2017) zaobserwowano jeszcze jedno, fantastyczne zjawisko: zderzenie, a właściwie zlanie się dwóch gwiazd neutronowych, o masach jakieś 1-2 masy Słońca. Zderzenie miało miejsce w galaktyce NGC4993, odległej od nas zaledwie o 130 mln lat świetlnych.

A przede wszystkim, 1.7 sekundy po rejestracji fali, zaobserowano gigantycznej mocy rozbłysk gamma a kilka godzin później również rozbłysk optyczny ("supernową"). W ciągu paru dni kolor supernowej zmienił się z niebieskiego na czerwony. 

Po raz pierwszy fala grawitacyjna zostałą przypisana konkretnej gwieździe (neutronowej) w jakiejś galaktyce.

http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa91c9/meta   

Zob. też animacje na https://physics.aps.org/articles/v10/114


Szczegółowy opis (autorstwa mgr K. Służewskiego) odkrycia z 14.09.2015, rysunki i odnośniki literaturowe znajdziesz na naszej stronie we wpisie "Rozciąganie czasoprzestrzeni".

Falom grawitacyjnym jest też poświęcony dodatek DVD do najnowszego (4/2017) numeru Uranii. Polecamy!

 

Literatura:

[1] http://www.fizyka.umk.pl/~karwasz/materialy/Modern_2015/Modern2_Einstein1.ppt 

[2] GK, Plakat  „E pur si muove” z cyklu „On the track of Modern Physics"

[3] Pan Bóg jest wyrafinowany... Nauka i życie Alberta Einsteina; Abraham Pais; Wyd. Prószyński i S-ka; Warwasza, 2001.

[4] https://www.theguardian.com/science/2017/oct/03/nobel-prize-physics-discovery-gravitational-waves-ligo

[5] Barry C. Barish, Rainer Weiss; LIGO AND THE DETECTION OF GRAVITATIONAL WAVES; Physics Today 52, 10, 44 (1999)

[6] B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016).

[7] http://astronomy2009.hk/fale-grawitacyjne/

[8] https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.119.141101

© ZDF IF UMK

   Fizyka na dotyk