Před více než miliardou let, v galaxii daleko, daleko, dvě černé díry provedly závěrečné kroky v rychle nohou pas de deux, na závěr s takovým objetím tak prudkým, že uvolnily více energie než kombinovaný výkon každé hvězdy v každá galaxie v pozorovatelném vesmíru. Na rozdíl od hvězdného světla však byla energie temná, nesená neviditelnou gravitační silou. 14. září 2015, v 5:51 hodin východního letního času, část této energie ve formě „gravitační vlny“ dosáhla Země a její obrovský průchod vesmírem a časem se snížil na pouhý šepot jejího bouřlivého začátek.
Související čtení
Elegantní vesmír
KoupitPokud víme, Země byla předtím v tomto typu gravitačního rušení vykoupána. Často. Tentokrát je rozdíl, že dva úžasně přesné detektory, jeden v Livingstonu v Louisianě a druhý v Hanfordu ve Washingtonu, byly připraveny. Když se gravitační vlna valila kolem, lechtala detektory, poskytovala nezaměnitelný podpis srážejících se černých děr na druhé straně vesmíru a znamenala začátek nové kapitoly v průzkumu vesmíru lidstvem.
Když se v lednu začaly šířit zvěsti o objevu, obrátil jsem oči nad očividně falešným poplachem nebo trikem, který vzbudil trochu bzučení. Jako výzkumný program až do pátého desetiletí se hon na gravitační vlny stal hlavním objevem, který se vždy vznášel na obzoru. Fyzici rezignovali na čekání na svého gravitačního Godota.
Ale lidská vynalézavost a vytrvalost triumfovaly. Je to jedno z těch vítězství, které dává i těm z nás, kteří jásají z vedlejších chvění páteře.
Tady je ten příběh, v kostce.
Letos v listopadu oslavil svět sté výročí Einsteinova největšího objevu, obecnou teorii relativity, která odhalila nové paradigma pro pochopení gravitace. Isaac Newtonův přístup správně předpovídá gravitační přitažlivost mezi jakýmikoli dvěma objekty, ale nedává žádný náhled na to, jak se něco tady může natáhnout přes prázdný prostor a něco tam přitáhnout . Einstein strávil deset let zkoumáním, jak se sděluje gravitace, a konečně dospěl k závěru, že prostor a čas tvoří neviditelnou ruku, která dává gravitaci nabízení.
Přihlaste se k odběru časopisu Smithsonian za pouhých 12 USD
Tento příběh je výběrem z dubnového čísla časopisu Smithsonian
KoupitMetafora volby, nadužívaná, ale evokující, je myslet na prostor jako na trampolínu. Umístěte bowlingovou kouli doprostřed trampolíny, která způsobí její zakřivení, a mramor bude vyrazen, aby putoval po zakřivené trajektorii. Podobně Einstein tvrdil, že v blízkosti astronomického těla, jako je Slunce, jsou křivky časoprostoru prostředí, což vysvětluje, proč Země, podobně jako mramor, sleduje zakřivenou trajektorii. 1919, astronomická pozorování potvrdila tuto pozoruhodnou vizi, a dělal Einstein Einstein.
Einstein posunul svůj okamžitý objev dále. Až do této chvíle se zaměřil na statické situace: stanovení pevného tvaru oblasti spacetime vznikající z daného množství hmoty. Ale Einstein se pak obrátil k dynamickým situacím: Co by se stalo s látkou časoprostoru, kdyby se hmota pohybovala a chvěla? Uvědomil si, že stejně jako děti skákající na trampolíně vytvářejí vlny na povrchu, který se vlní směrem ven, hmota, která se pohybuje tímto směrem, a která bude generovat vlny v struktuře časoprostoru, který se vlní také směrem ven. A protože, podle obecné relativity, zakřivená spacetime je gravitace, vlna zakřivené spacetime je vlna gravitace.
Gravitační vlny jsou nejvýznamnějším odklonem od newtonovské gravitace. Flexibilní časoprostor je jistě hlubokým přepracováním gravitace, ale ve známých kontextech, jako je gravitační tah Slunce nebo Země, se Einsteinovy předpovědi stěží liší od předpovědí Newtona. Protože však newtonovská gravitace mlčí ohledně způsobu přenosu gravitace, nemá pojem Newtonovy teorie místo pojetí gravitačních poruch.
Sám Einstein měl obavy ohledně své predikce gravitačních vln. Když se poprvé setkáváme s jemnými rovnicemi obecné relativity, je náročné oddělit abstraktní matematiku od měřitelné fyziky. Einstein se jako první zapojil do tohoto rozruchu a existovaly rysy, které ani on, cynosure relativity, nedokázal plně pochopit. Ale v 60. letech 20. století vědci používající propracovanější matematické metody prokázali, že gravitační vlny jsou charakteristickým rysem obecné teorie relativity.
Ilustrace gravitačních vln (John Hersey) Jak lze tedy tuto kultovní predikci otestovat? V roce 1974 objevili Joseph Taylor a Russell Hulse pomocí radioteleskopu Arecibo binární pulsar: dvě obíhající neutronové hvězdy, jejichž orbitální období bylo možné sledovat s velkou přesností. Podle obecné relativity vytvářejí obíhající hvězdy stabilní pochod gravitačních vln, které odvádějí energii, což způsobuje, že hvězdy padají blíže k sobě a rychleji obíhají. Pozorování potvrdila tuto předpověď T a poskytla důkaz, byť nepřímý, že gravitační vlny jsou skutečné. Hulse a Taylor obdrželi Nobelovu cenu za rok 1993.
Díky úspěchu byla přímá detekce gravitačních vln o to přitažlivější. Ale úkol byl skličující. Výpočty ukazují, že jak se gravitační vlna vlní prostorem, bude cokoli v jeho cestě alternativně roztaženo a stlačeno podél os kolmých na směr pohybu vlny. Gravitační vlna směřující přímo do Spojených států by střídavě roztahovala a tlačila prostor mezi New Yorkem a Kalifornií a mezi Texasem a Severní Dakotou. Přesným sledováním takových vzdáleností bychom tedy měli být schopni určit vlnový průběh.
Výzva spočívá v tom, že stejně jako vlnění v jezírku klesá, jak se šíří, gravitační vlnění se při cestování ze svého zdroje zředí. Protože k velkým kosmickým srážkám obvykle dochází velmi daleko od nás (naštěstí), v době, kdy gravitační vlny vznikly na Zemi, je množství protahování a stlačování, které způsobují, malé, menší než atomový průměr. Zjištění takových změn je srovnatelné s měřením vzdálenosti od Země k nejbližší hvězdě za sluneční soustavou s přesností lepší než je tloušťka listu papíru.
První pokus, propagovaný Josephem Weberem z University of Maryland v šedesátých letech, použil vícetunové pevné hliníkové válce v naději, že budou jemně rezonovat jako obří ladicí vidlice v reakci na procházející gravitační vlnu. Začátkem 70. let minulého století Weber tvrdil úspěch, velký čas. Sdělil, že gravitační vlny zvonily jeho detektorem téměř denně. Tento významný úspěch inspiroval ostatní k potvrzení Weberových tvrzení, ale po letech pokusů nikdo nemohl chytit ani jednu vlnu.
Weberova houževnatá víra v jeho výsledky, dlouho poté, co shromážděné důkazy naznačovaly jinak, přispěla k perspektivě, která zbarvila pole po celá desetiletí. V průběhu let mnoho vědců věřilo, stejně jako Einstein, že i kdyby byly gravitační vlny skutečné, byly by prostě příliš slabé na to, aby byly odhaleny. Ti, kteří se rozhodli je najít, byli bláznovi a ti, kdo věřili požadavkům na odhalení, byli oklamáni.
Sedmdesátá léta, nemnoho kdo ještě měl gravitační vlnovou chybu, se obrátil k více slibnému detekčnímu schématu ve kterém lasery by byly použity k porovnání délek dvou dlouhých identických tunelů orientovaných pod úhlem 90 stupňů k sobě. Procházející gravitační vlna by protáhla jeden tunel, zatímco stiskla další, a mírně změnila vzdálenosti ujeté laserovými paprsky vypálenými podél každého z nich. Když jsou oba laserové paprsky následně rekombinovány, výsledný obrazec, který světlo vytváří, je citlivý na nepatrné rozdíly v tom, jak daleko každý paprsek prošel. Pokud by se gravitační vlna valila, dokonce i nepatrné rušení, které vytvoří, by zanechalo za sebou modifikovaný laserový vzor.
Je to krásný nápad. Takový experiment však mohl rušit okolní sbíječky, rachotící kamiony, poryvy větru nebo padající stromy. Při hledání rozdílů v délce menších než miliardtina miliardtina metru se stává prvořadá schopnost chránit přístroj před jakýmkoli možným nepříznivým okolním prostředím. S tímto zdánlivě nepřekonatelným požadavkem dostali naysayers další munici. Chytání gravitační vlny by způsobilo, že by Horton slyšel, kdo, dokonce i přes řvoucí chodbu metra v New Yorku, je pouhou dětskou hrou.
Nicméně američtí fyzici Kip Thorne a Rainer Weiss, později připojeni skotským fyzikem Ronaldem Dreverem, snili o stavbě laserového gravitačního vlnového detektoru a uvedli kola do pohybu, aby se tento sen stal skutečností.
V roce 2002, po několika desetiletích výzkumu a vývoje a více než 250 milionech investic od National Science Foundation, byly v Livingstonu v Louisianě rozmístěny dvě vědecké a technologické zázraky, které tvoří LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Hanford, Washington. Čtyři kilometry dlouhé evakuované tunely ve tvaru obřího písmene „L“ by umístily laserový paprsek asi 50 000krát účinnější než standardní laserové ukazovátko. Laserové světlo by se odrazilo tam a zpět mezi nejhladšími zrcátky na světě, umístěnými na opačných koncích každé paže, hledajícím nepatrný nesoulad v čase, který je zapotřebí k dokončení každé cesty.
Vědci čekali. A čekal. Ale po osmi letech nic. Je to zklamání, ale jak výzkumné týmy tvrdily, není to překvapivé. Výpočty ukázaly, že LIGO byl sotva na prahu citlivosti nezbytném pro detekci gravitačních vln. V roce 2010 byla společnost LIGO vypnuta kvůli různým upgradům na více než 200 milionů USD a na podzim roku 2015 byla zapnuta vylepšená verze LIGO, která byla mnohokrát citlivější. Šokující, o necelé dva dny později, detektor v Louisianě zaskočil náhlý otřes a o sedm milisekund později detektor ve Washingtonu škubal téměř úplně stejným způsobem. Vzor jemných vibrací odpovídal tomu, co počítačové simulace předpovídaly pro gravitační vlny, které by vznikly při posledním hození obíhajících černých děr, které spolu narážely.
Můj kamarád zevnitř, přísahající utajení, ale ochotný poskytnout nenápadný náznak, mi řekl: „Jen si představte, že náš nejdivočejší sen se splnil.“ Ale to bylo toto zasažení gravitačního vlnového jackpotu to vedlo k zastavení vědců. Bylo to téměř příliš dokonalé.
Přístroj LIGO závisí na přesně navržených - a dokonale čistých - zrcadlech. (Matt Heintze / Caltech / MIT / LIGO Lab) Po několika měsících intenzivního a pečlivého úsilí pečlivě prozkoumat všechna ostatní vysvětlení, byť nepravděpodobná, zůstal stát jen jeden závěr. Signál byl skutečný. O sto let poté, co Einstein předpověděl jejich existenci, oslavilo první přímé odhalení gravitačních vln více než 1 000 vědců pracujících na experimentu LIGO. Chytili momentální mumlání gravitační tsunami, které se rozpoutalo před více než miliardou let, pozůstatek temné fúze někde na hluboké jižní obloze.
Oficiální tiskové oznámení, 11. února, ve Washingtonu, DC, bylo elektrické. V mé vlastní instituci, Columbia University, jsme museli přesunout živý proud sborů na jedno z největších míst v kampusu a podobné příběhy odehrávané na univerzitách po celém světě. Na krátkou chvíli gravitační vlny trumfly prezidentskou prognózou.
Vzrušení bylo zaručeno. Historie se ohlédne zpět na objev jako jeden z těch mála inflexních bodů, které mění běh vědy. Od té doby, co se první člověk díval k nebi, jsme zkoumali vesmír pomocí vln světla. Dalekohled tuto schopnost podstatně posílil a s tím jsme se setkali s nádherou nových kosmických krajin. Během 20. století jsme rozšířili druhy detekovaných světelných signálů - infračervené, rádiové, ultrafialové, gama a rentgenové - všechny formy světla, ale s vlnovými délkami mimo dosah viditelným pouhým okem. A s těmito novými sondami kosmická krajina stále rostla.
Gravitační vlny jsou zcela jiným druhem kosmické sondy, s potenciálem přinést ještě dramatičtější důsledky. Světlo lze blokovat. Neprůhledný materiál, jako je okenní stín, může blokovat viditelné světlo. Kovová klec může blokovat rádiové vlny. Naproti tomu gravitace prochází vším, prakticky beze změny.
A tak s gravitačními vlnami jako sondou budeme moci zkoumat říše, které jsou mimo hranice světla, jako je chaotický vesmírný boj, když se srazí dvě černé díry nebo možná divoký rachot samotného velkého třesku, před 13, 8 miliardami let. Pozorování již potvrdilo myšlenku, že černé díry mohou tvořit binární páry. Ještě více vzrušující, můžeme najít temnou krajinu osídlenou věcmi, které jsme si ještě nedokázali představit.
Když síť detektorů po celém světě - v Itálii, Německu, brzy v Japonsku a pravděpodobně v Indii - spojí svá data, doufejme, že se k nim v budoucnu připojí obrovský detektor působící ve vesmíru, naše schopnost prozkoumat vesmír bude další obrovský skok vpřed. Což je naprosto vzrušující. Neexistuje nic více inspirujícího než naše kapacita, uprostřed našich všudypřítomných pozemských bojů, dívat se nahoru, přemýšlet a mít vynalézavost a odhodlání vidět o něco dále.
**********
