NA FALACH CZASU I PRZESTRZENI
Niepewność jest istotą nauki. To właśnie dlatego nauka jest ekscytująca — ponieważ nie wiemy. W nauce chodzi o to, czego nie rozumiemy. Oczywiście, większość ludzi uważa, że jest ona zbiorem faktów, ale to nieprawda. Nauka to proces poznawania, który zawsze jest częściowy. Badamy świat i znajdujemy rzeczy, które potrafimy wyjaśnić. Odkrywamy również, że to, co wydawało się nam zrozumiałe, pojęliśmy błędnie. Właśnie w ten sposób dokonuje się postęp.
Freeman Dyson
Odkrywcy nowych światów
Ciekawość spotkania z nieznanym, chęć dotarcia tam, gdzie jeszcze nie było nikogo innego, bardziej kojarzą się z Krzysztofem Kolumbem i Jamesem Cookiem, niż z Galileuszem, Newtonem i Einsteinem. Czy rzeczywiście? Moim zdaniem istnieje coś, co łączy ich wszystkich, a nawet ośmielę się twierdzić, że to nauka jest największą przygodą ludzkości. W swoim eseju opowiem o astronomicznych rewolucjach. Pierwsza z nich miała miejsce w odległych już czasach, druga w połowie dwudziestego wieku, a trzecia, związana z detekcją fal grawitacyjnych, zaledwie pięć lat temu.
Teleskop Galileusza
Rok 1607. Na pokładzie statku Smok, należącego do Kompanii Wschodnio-indyjskiej, zacumowanego przy wybrzeżu Sierra Leone, odbyła się nieoficjalna premiera nowej sztuki Szekspira. Kapitan zapisał w dzienniku, iż przedstawienie uchroniło załogę od nudy, nielegalnych gier i snu. To właśnie wtedy po raz pierwszy przed publicznością, zostały wypowiedziane prorocze słowa: Więcej jest rzeczy na ziemi i w niebie, niż się ich śniło waszym filozofom.
Rok 1608, Niderlandy. Wytwórca okularów Hans Lipperhey składa podanie o patent urządzenia umożliwiającego oglądanie odległych rzeczy, tak jakby były blisko. Instrument zyskuje uznanie wojska, a wieść o jego odkryciu obiega Europę. Choć zalety dla floty są niezaprzeczalne, minie jeszcze wiele lat nim luneta stanie się nieodłącznym wyposażeniem każdego kapitana. Co interesujące, zanim za jej pomocą odkryte zostaną nieznane lądy, sprawdzi się gdzie indziej.
Rok 1609. Galileusz udoskonala lunetę i kieruje ją na nocne niebo. Istotnie, okazuje się, iż jest w niebie więcej rzeczy, niż się ich śniło filozofom. Galileusz obserwuje cztery księżyce Jowisza, dostrzega kratery na księżycu Ziemi, potwierdza, że gwiazdy są czymś odmiennym od planet, a także, że jest ich znacznie więcej niż widać gołym okiem.
Z naszej perspektywy, teleskop Galileusza wydaje się dziecinną zabawką, a jego odkrycia są pokrytą kurzem astronomiczną oczywistością. Dla ludzi żyjących w siedemnastym wieku, obserwacje Galileusza były niezwykłe, nieoczekiwane i trudne do zaakceptowania. Podważały one odwieczne wyobrażenia na temat świata, jego konstrukcji i celowości. Po co istnieją księżyce Jowisza, skoro człowiek nie może dostrzec ich gołym okiem? Komu świecą te niezliczone niewidoczne gołym okiem gwiazdy, skoro nie wyznaczają żeglarzom drogi do domu?
Wynalezienie teleskopu dokonało prawdziwej rewolucji w astronomii. To nie żaglowce Santa María, Niña i Pinta, lecz teleskop Galileusza jest tym narzędziem, które otworzyło drogę następcom Kolumba poza krańce znanej mapy Wszechświata. To dzięki coraz to bardziej doskonałym wersjom tego instrumentu, systematycznie przesuwamy granicę pomiędzy tym, co zrozumiałe, a tym, co nieznane.
Sięgnąć, gdzie wzrok nie sięga
Współczesne teleskopy astronomiczne czasami tylko z nazwy przypominają instrument używany przez Galileusza. Jest tak, ponieważ w dwudziestym wieku, ponad trzysta lat po pierwszych teleskopowych obserwacjach, nastąpiła druga astronomiczna rewolucja.
Ludzkie oko jest czułe na fale elektromagnetyczne o określonej długości, potocznie nazywane światłem widzialnym. Fale radiowe, promieniowanie mikrofalowe, podczerwone, ultrafioletowe, rentgenowskie i gamma to również fale elektromagnetyczne. W przeciwieństwie do światła widzialnego, fale te są w znacznym stopniu pochłaniane przez atmosferę lub są zbyt długie, by być w pełni użytecznymi dla większości organizmów żywych. To dlatego nasz wzrok nie jest do nich przystosowany. Z teorii względności Alberta Einsteina wynika, iż pomiędzy wszystkimi rodzajami promieniowania elektromagnetycznego nie ma istotnej różnicy: to, co dla jednego obserwatora jest promieniowaniem podczerwonym dla drugiego, poruszającego się z bardzo dużą prędkością względem pierwszego, może być światłem widzialnym. Niemniej, niektóre procesy zachodzące we Wszechświecie są znacznie łatwiejsze do dostrzeżenia, jeśli obserwacji dokonamy poza wąskim zakresem światła widzialnego.
Druga astronomiczna rewolucja rozpoczęła się dzięki instrumentom, które umożliwiły obserwację Wszechświata w całym zakresie promieniowania elektromagnetycznego. Niektóre typy teleskopów musiały zostać umieszczone poza płaszczem ochronnym ziemskiej atmosfery. Wykorzystując nowe instrumenty, dostrzegliśmy Wszechświat, jakiego nie widzieliśmy wcześniej.
Owoce drugiej astronomicznej rewolucji są trudne do przecenienia. Wymienię tylko kilka. Współczesna astronomia przyczyniła się do powstania modelu całego Wszechświata. W zeszłym roku (2019), szczególnie zasłużony kosmolog, James Peebles, za swój wkład w rozwój tego modelu, został uhonorowany Nagrodą Nobla. Drugą część nagrody otrzymało dwóch astronomów: Michel Mayor i Didier Queloz. Ich praca zapoczątkowała lawinę odkryć prawdziwych nowych światów — planet okrążających gwiazdy podobne do Słońca. Obecnie znamy ponad cztery tysiące takich planet. Astronomowie rozwijają technikę umożliwiającą sprawdzenie, czy istnieje na nich życie podobne do naszego. Atmosfera planety jest prześwietlana przez promieniowanie macierzystej gwiazdy, więc można poznać jej skład! Najważniejsze odkrycia są tuż przed nami.
Rok temu (kwiecień 2019) astronomowie zaprezentowali światu pierwszy radiowy obraz czarnej dziury — miejsca przekraczającego tajemniczością najbardziej fantastyczne opowieści z żeglarskiego kubryku. To tam czas wymienia się z przestrzenią. Z czarnej dziury nie można się wydostać na zewnątrz, tak samo, jak nie można powrócić do dnia minionego. W jej wnętrzu załamują się znane nam prawa fizyki.
Choć przeminął już czas wielkich żaglowców i doniosłych odkryć geograficznych, to nie powinniśmy tego żałować. Świat nie został obdarty z wszelkich tajemnic. Tak naprawdę, udziałem dawnych żeglarzy była namiastka emocji, które los zaoferował nam.
Przez ponad czterysta lat, od roku 1609 do roku 2015, Wszechświat poznawaliśmy w głównej mierze za pomocą instrumentów, których zasada działania była podobna do teleskopu Galileusza. Gdyby Galileusz mógł zobaczyć Wielki Teleskop Kanaryjski (o średnicy ponad dziesięciu metrów), czy też znajdujący się na orbicie teleskop Hubble’a, rozpoznałbym następców swojego instrumentu. Jeśli pokazalibyśmy mu chiński radioteleskop FAST o średnicy pół kilometra, miałby trudności z domyśleniem się, do czego służy, taki gigantyczny talerz. Niewątpliwie widok współczesnych interferometrów wprawiłby go w zakłopotanie. Instrumenty te składają się z rozproszonych po powierzchni Ziemi stacji (lub zwykłych radioteleskopów), a ich efektywne rozmiary mogą sięgać rozmiarów naszej planety. Właśnie tak wielki interferometr, zwany Teleskopem Horyzontu Zdarzeń (EHT), posłużył niedawno do zobrazowania czarnej dziury. Wszystkie te wyrafinowane cuda współczesnej techniki opierają się na tej samej zasadzie, którą tak trafnie w swoim podaniu o patent czterysta lat temu zapisał Hans Lipperhey: umożliwiają oglądanie odległych rzeczy, tak jakby były blisko. Nośnikiem informacji o rzeczach odległych jest zawsze promieniowanie elektromagnetyczne, czyli światło, fale radiowe, etc. To samo światło, które na tysiące lat przed Galileuszem, pierwszym starożytnym uczonym spoglądającym w nocne niebo pozwalało dostrzec zarys konstrukcji Wszechświata.
Czy podglądając Wszechświat jesteśmy skazani wyłącznie na docierające do nas promieniowanie elektromagnetyczne? Niekoniecznie. Od dawna rejestruje się rozmaite cząstki nadlatujące z przestrzeni kosmicznej i ten kierunek badań jest bardzo obiecujący. Istnieje jednak całkowicie odmienny i znacznie bardziej niezwykły sposób na poznawanie Wszechświata.
Fale grawitacyjne
Nie tak dawno byliśmy świadkami odkrycia nie mniej doniosłego, niż obserwacje Galileusza. 14 września 2015 w obserwatorium LIGO, dokonano pierwszej detekcji fal grawitacyjnych. Fale te zasadniczo różnią się od fal elektromagnetycznych. To drgania czasu i przestrzeni. Luneta Lipperheya wyostrzyła i rozszerzyła możliwości naszych oczu. Detektory fal grawitacyjnych dodają nam nowy zmysł – całkowicie nowy sposób na poznawanie otaczającej nas rzeczywistości.
W roku 2017, za konstrukcje detektora i obserwacje fal grawitacyjnych Rainer Weiss, Bary Barish i Kip Thorne otrzymali Nagrodę Nobla. Obecnie, po początkowych latach niedowierzania przemieszanego z euforią, astronomia fal grawitacyjnych zniknęła z pierwszych stron gazet i wkroczyła w mniej spektakularną fazę rutynowych obserwacji.
Istnieje różnica pomiędzy rewolucją zapoczątkowaną przez Galileusza a tą, której świadkami jesteśmy obecnie. Nasze oczy są bardzo dobrym detektorem światła widzialnego. Z teorii kwantowej wynika, iż o falach elektromagnetycznych możemy również myśleć, jak o obiektach złożonych z drobnych cząstek zwanych fotonami. Oko ludzkie jest w stanie zaobserwować pojedynczy foton (potrzeba co najmniej pięciu fotonów nadlatujących w krótkim odstępie czasu, aby sygnał o detekcji dotarł do naszego mózgu). Prosty, wykonany w warunkach domowych instrument, może znacznie poszerzyć możliwości obserwacyjne naszego wzroku. Nie posiadamy jednak zmysłu umożliwiającego nam bezpośrednią detekcje fal grawitacyjnych. Budowa detektora LIGO trwała prawie dwadzieścia lat, kosztowała ponad miliard dolarów, a zespół naukowy LIGO liczy więcej niż tysiąc osób. Astronomia fal grawitacyjnych nie jest ani łatwa, ani tania. To nie jest wyzwanie dla jednostek, ale dla całej cywilizacji.
W roku 2017, do dwóch pierwszych detektorów LIGO dołączył, znajdujący się we Włoszech, detektor VIRGO. W lutym bieżącego roku uruchomiono japoński detektor KAGRA. Jego czułość nie umożliwia jeszcze detekcji sygnałów na poziomie oferowanym przez LIGO i VIRGO. Obecnie świat dysponuje tylko czterema detektorami. Niedługo do tej listy powinien dołączyć detektor LIGO-India. Kilkanaście lat oddziela nas od detektora LISA, który zostanie umieszczony w przestrzeni kosmicznej.
Fale elektromagnetyczne można łatwo wytworzyć i łatwo dokonać ich detekcji. Nawet otaczające nas urządzenia codziennego użytku komunikują się ze sobą w ten sposób (telefon, zegarek, tablet, …). Podobnie jest we Wszechświecie. Wiele procesów, które w nim zachodzi (ale nie wszystkie!) wysyła fale elektromagnetyczne. Fale grawitacyjne trudno zaobserwować (choć wytwarzane są one jeszcze bardziej powszechnie!). Ich generacja na poziomie umożliwiającym detekcje, wymaga iście astronomicznych energii. Obecnie nie znamy stałych źródeł generujących fale grawitacyjne, które moglibyśmy obserwować na Ziemi za pomocą współczesnych detektorów. Musimy liczyć na to, że gdzieś we Wszechświecie zajdą dramatyczne wydarzenia, takie jak zderzenie czarnych dziur, czy też bardzo gęstych gwiazd, zwanych gwiazdami neutronowymi. Zderzenia te uwalniają niesamowite ilości energii w postaci fal grawitacyjnych. Choć zachodzą rzadko to mamy szanse je zaobserwować, bo monitorujemy Wszechświat na odległościach miliardów lat świetlnych. Dzięki temu, do chwili obecnej zaobserwowaliśmy już kilkadziesiąt zderzeń czarnych dziur, oraz dwa zderzenia gwiazd neutronowych.
Czego dowiedzieliśmy się o Wszechświecie nasłuchiwanym w tak niezwykły sposób? Najważniejszym odkryciem jest potwierdzenie przewidywań teorii grawitacji Einsteina. Zyskaliśmy przekonywujące argumenty za istnieniem czarnych dziur. Dowiedzieliśmy się, iż fale grawitacyjne rozchodzą się z prędkością równą lub bardzo bliską prędkości światła. Podglądając zderzenie gwiazd neutronowych uzupełniliśmy naszą wiedzę na temat powstawania ciężkich pierwiastków we Wszechświecie – nareszcie wiemy skąd pochodzi złoto.
Sebastian J. Szybka
Uniwersytet Jagielloński
——————————-
Dr hab. Sebastian Szybka (fizyk relatywista, kosmolog) pracuje na Uniwersytecie Jagiellońskim w Zakładzie Astrofizyki Relatywistycznej i Kosmologii (Obserwatorium Astronomiczne). Jego zainteresowania naukowe dotyczą matematycznych aspektów teorii grawitacji Einsteina, a w szczególności czarnych dziur, niejednorodnych modeli kosmologicznych oraz fal grawitacyjnych.
