Zmarszczki czasoprzestrzeni

Rolnikowi, inżynierowi i fizykowi kazano zbudować kurnik na 150 kur. Rolnik stwierdził, że skoro na sto kur starczył kurnik o konkretnych wymiarach, to zrobi odrobinę większy i będzie dobrze. Inżynier najpierw ułożył równanie pozwalające optymalnie zbalansować potrzeby drobiu z kosztem materiałowym na jednego kurczaka, a potem napisał program optymalizujący bryłę kurnika, by zminimalizować zużycie energii. Fizyk rozpoczął rozwiązywanie problemu od założenia: „Rozważmy sferycznego, elastycznego, nieważkiego kurczaka w próżni”...

Ten dowcip tłumaczy, dlaczego ostatnie – dodajmy: przełomowe – odkrycie astrofizyków z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics jest trudne do zrozumienia. W poniedziałek 17 marca opublikowali na stronach swojego instytutu artykuł zgłoszony do publikacji w czasopiśmie naukowym, o odkryciu śladów fal grawitacyjnych w promieniowaniu reliktowym. Artykuł, zanim zostanie opublikowany, musi jeszcze przejść przez sito recenzji. Ale już teraz wiadomo, że jeśli badacze wykonali swoją pracę wystarczająco starannie, to jest to odkrycie na miarę bozonu Higgsa. A może nawet większe – istnienie bozonu zaproponowano w 1964 r., zaś fale grawitacyjne przewidział sam Einstein w ogólnej teorii względności na początku XX w. W każdym razie nie brakuje komentarzy, że oto mamy kandydatów do Nagrody Nobla.

SZUM WSZECHŚWIATA

Fizycy już tak mają, że najpierw wymyślają, jak coś działa, a potem muszą przeprowadzić eksperyment by sprawdzić, czy mają rację. Dopiero po udanym eksperymencie czują, że wszystko jest w porządku. Rozważania zaczynają od sferycznych kurczaków w próżni, wychodząc z założenia, że z czasem sprawdzą, na ile teoria pasuje do prawdziwych kurczaków. Zresztą brudną robotę – czyli eksperymenty z prawdziwymi kurczakami – fizycy teoretyczni zostawiają eksperymentatorom, czy – jak to mówią nasi polscy profesorowie – „doświadczalnikom”.

Przełomowy wynik osiągnęli amerykańscy astrofizycy, którzy przez wiele lat cierpliwie badali dane zebrane w latach 2010-12 przez ­BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2) – teleskop umieszczony na biegunie południowym, zaprojektowany specjalnie do mierzenia polaryzacji reliktowego promieniowania mikrofalowego. W tym momencie zasadne staje się pytanie w stylu Kubusia Puchatka: mierzenie czego w czym?

Promieniowanie reliktowe to dziwny, radiowy szum dochodzący z każdego zakątka Wszechświata. Samo odkrycie tego promieniowania uhonorowane zostało w 1978 r. Nagrodą Nobla z fizyki, którą zdobyli Arno Allan Penzias i Robert Woodrow Wilson. Odkryli oni za pomocą radioteleskopu, że zewsząd dociera do nas promieniowanie cieplne odpowiadające temperaturze ok. 3 kelwinów (czyli takie, jakie emituje ciało o temperaturze -270 st. C). Jego istnienie przewidziane zostało w latach 40. jako konsekwencja Wielkiego Wybuchu. Miało powstać jako „ostatnie tchnienie” pierwotnej plazmy, czyli materii przemieszanej ze światłem, kiedy protony połączyły się ostatecznie z elektronami, tworząc atomy wodoru. Wówczas światło przestało się mieszać z materią, a uciekające promieniowanie stało się jakby fotografią młodziusieńkiego Wszechświata, który w tym momencie liczył sobie niecałe 400 tys. lat. Badanie tej „fotografii” jest jednym z ulubionych zajęć astrofizyków i tym też zajmowali się naukowcy pracujący przy projekcie BICEP2.

Zespół z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics badał polaryzację promieniowania mikrofalowego – czyli, ogólnie rzecz biorąc, płaszczyznę, w której drgają te fale – w nadziei, że będą w stanie dowiedzieć się czegoś więcej o czasach, gdy Wszechświat był noworodkiem.

TRZY PIECZENIE

Teoria powstania Wszechświata, Wielki Wybuch, zakłada, że na samym początku doszło do tzw. wielkiej inflacji: młodziutki kosmos rozszerzał się szybciej, niż wynosi prędkość światła. W ciągu sekundy powiększał się kwadrylion razy. Dzięki temu fizycy poradzili sobie z problemem jednorodności naszego uniwersum (gdzie byśmy nie patrzyli, widzimy mniej więcej to samo), bowiem dane obserwacyjne nie pasowały do danych teoretycznych. Kiedy już mieli sferycznego kurczaka, trzeba było sprawdzić, czy pasuje on do kurczaków prawdziwych. Jeśli inflacja rzeczywiście miała miejsce, musiała produkować potężne fale grawitacyjne, które można interpretować jako zmarszczki rozchodzące się przez czasoprzestrzeń. Zakrzywienia czasoprzestrzeni musiały zmieniać polaryzację światła, a promieniowanie mikrofalowe jest właśnie pierwszym światłem, jakim dysponujemy.

Obliczenia nie były precyzyjne i fizycy nie wiedzieli, czy zaburzenia w polaryzacji nie są zbyt małe, żeby je dojrzeć. Postanowili więc wziąć byka za rogi i po prostu sprawdzić, jak to z tą polaryzacją jest. W tym celu zbudowali najpierw teleskop BICEP, późnej BICEP2 (o lepszej rozdzielczości) i przez dwa lata zbierali dane z kosmosu, później uruchamiając jeszcze lepsze urządzenie. Następnie przyszło im się przekopać przez archiwa danych zbieranych przez teleskop i ostatecznie uzyskali pewność, że mają sensowne wyniki. Co więcej, przy tym ogniu udało im się upiec trzy pieczenie. Dostali najlepszy obecnie dowód na istnienie fal grawitacyjnych, pokazali, że można używać ich jako narzędzia do badania Wszechświata, i udowodnili teorię inflacji.

ZAJRZEĆ W PRZESZŁOŚĆ

Fale grawitacyjne są znakomitym narzędziem do badania Wszechświata, bowiem przenikają przez te rejony, przez które światło nie było się w stanie przebić. Problem w tym, że bardzo trudno wykryć je bezpośrednio. Wprawdzie są to zmarszczki czasoprzestrzeni – a więc i przestrzeni – ale odkształcają wszystko, łącznie z instrumentami pomiarowymi. Po drugie, odkształcenia są minimalne – rzędu jednej tysięcznej średnicy protonu.

Eksperymenty prowadzone w celu bezpośredniego wykrycia fal grawitacyjnych polegają na porównaniu drogi, którą przebywa wiązka światła rozdzielona na dwa prostopadłe do siebie strumienie. Fala grawitacyjna odkształcająca Ziemię powinna sprawić, że jedna wiązka przebędzie minimalnie dłuższą drogę (właśnie o tę tysięczną część średnicy protonu). Konieczność wykrycia tak delikatnych odkształceń sprawia, że detektor fal grawitacyjnych jest fascynującym wyzwaniem inżynieryjnym. Trzeba go odizolować i wyeliminować zakłócenia wynikające ze zwykłych drgań spowodowanych przez przejeżdżające nieopodal samochody, samoloty przelatujące nad detektorem, czy wręcz kichnięcia myszy polnych – bo samo przejście myszy jest jak tsunami.

Trzeba podziwiać fizyków, że chcą i potrafią porwać się z motyką na słońce. Nie dość, że budują detektory fal grawitacyjnych i urządzenia pozwalające na wykrywanie polaryzacji promieniowania mikrofalowego – a taki teleskop musi być chłodzony ciekłym helem, żeby w ogóle był w stanie coś zobaczyć – to jeszcze zastanawiają się, jak wykorzystać fale grawitacyjne do obserwacji Wszechświata, tworząc, teoretyczną na razie, astronomię fal grawitacyjnych. Jednym z zastosowań jest sprawdzanie, co się działo w pierwszych 400 tys. lat po narodzinach uniwersum. Nie da się zaobserwować żadnego promieniowania świetlnego – dla fizyka mikrofale to to samo, co światło – bo światło nie było się w stanie przebić przez pierwotną plazmę. Ale pierwotna plazma była penetrowana przez fale grawitacyjne i być może za ich pomocą można spojrzeć w historię Wszechświata jeszcze głębiej.

Dlatego naukowcy zastanawiają się, jak wydobyć z fal grawitacyjnych informacje o Wszechświecie, choć jeszcze nie złapali żadnej z nich – a jedynie zobaczyli ich „odcisk” w promieniowaniu grawitacyjnym.

Słowem, astrofizycy mają już nowego sferycznego kurczaka.