Einšteino Bendroji reliatyvumo teorija (BRT), be abejonės, yra genialus darbas.
Tačiau ir po 100 metų ji tebekelia daug klausimų – ir fizikai toliau tebeieško ko nors geresnio

turinys

1. Juodųjų bedugnių paradoksas

   Su­per­ma­sy­vios juo­do­sios be­dug­nės tū­no vi­sų ga­lak­ti­kų cen­tre – ta­čiau iki šiol nie­kam ne­pa­vy­ko iš­si­aiš­kin­ti, kas nu­tin­ka, kai juo­do­ji be­dug­nė pra­ryja ma­te­ri­ją

   Skaitykite plačiau
2. Vis dar nėra visko teorijos

   Ben­dra­sis re­lia­ty­vu­mas ir kvan­tų teo­ri­ja yra fun­da­me­nta­liai ne­su­de­ri­na­mos rea­ly­bės teo­ri­jos. Kaip taip ga­li bū­ti ir ką ga­li­me pa­da­ry­ti?

   Skaitykite plačiau
3. Einšteino liudijimai danguje

   Kos­mi­nio mik­ro­ban­gų fo­no (KMF) ty­ri­mai pa­tei­kė ne­pri­lygs­ta­mai tiks­lų kos­mo­so pa­veiks­lą – bet ja­me yra tam­sių spek­trų

   Skaitykite plačiau
4. Trūks­ta­mos dė­lio­nės de­ta­lės

   Gra­vi­ta­ci­nės ban­gos yra pas­ku­ti­nio­ji ne­pa­tvir­tin­ta* ne­įti­kė­ti­nai sėk­min­gos Einš­tei­no teo­ri­jos prog­no­zė – o kas, jei­gu jų taip ir ne­ra­si­me?

   Skaitykite plačiau

Juodųjų bedugnių paradoksas

Supermasyvios juodosios bedugnė tūno visų galaktikų centre – tačiau iki šiol niekam nepavyko išsiaiškinti, kas nutinka, kai juodoji bedugnė praryja materiją

1915 – 1916 metų žiemą, tarnaudamas Vokietijos armijoje Rusijos fronte, fizikas Karlas Schwarzschildas atsiuntė Albertui Einšteinui straipsnį. Jis pirmą kartą išsprendė Einšteino bendrojo reliatyvumo lygtis, ir parodė, kas nutinka erdvėlaiviui masyvaus objekto viduje ir išorėje – šiuo atveju, idealiai sferinėje, nesisukančioje žvaigždėje. Einšteinas buvo sujaudintas.

Tačiau iš Schwarzschildo darbo kylančios implikacijos jo nedžiugino. Jei žvaigždė taptų pakankamai kompaktiška, jos gravitacinė trauka galėtų tapti tokia stipri, ir erdvėlaikį iškreiptų taip stipriai, kad netgi šviesa negalėtų pasprukti.

Vos po kelių mėnesių po apsikeitimo korespondencija su Einšteinu, Schwarzschildas mirė. Šių įdomių kompaktiškų objektų, kurių paviršius vadinamas Schwarzschildo singuliarumu, detales teko išsiaiškinti kietiems.

Tarp jų svarbiausias buvo jaunas Indijos fizikas Subrahmanyanas Chandrasekharas. 1930 metais jis garlaiviu atplaukė iš Indijos į JK, kur gavo Cambridge'o universiteto stipendiją. Per savo 18 dienų kelionę, jis aiškinosi itin kompaktiškų žvaigždžių – baltųjų nykštukių – savybes. Jis atrado, kad jeigu jų masė viršija Saulės daugiau nei 1,4 kartus, veikiamos savo pačių traukos jos sugniužtų į save, formuodamos Schwarzschildo singuliarumą.

Tokia žinia nebuvo gerai sutikta. Karališkosios Astronomijos Draugijos susitikime 1935 m., žymus astrofizikas Arthuras Eddingtonas paskelbė, kad „turi būti gamtos dėsnis, neleidžiantis žvaigždei taip absurdiškai elgtis“. 1939 metais, pats Einšteinas publikavo straipsnį, aiškinantį, kodėl Schwarzschildo singuliarumai negali egzistuoti niekur kitur, tik teoretikų protuose.

Tokia nuomonė vyravo iki septintojo dešimtmečio, kai tokie fizikai, kaip Rogeris Penrose'as įrodė, kad juodosios bedugnės (JB) – terminas, kurį panašiu laiku sugalvojo tikriausiai astrofizikas Johnas Archibaldas Wheeleris – yra neišvengiama masyvių žvaigždžių kolapso pasekmė. JB tokie fiziniai dydžiai, kaip erdvėlaikio kreivumas, tampa begaliniai ir bendrosios reliatyvumo lygtys praranda prasmę.

Ne tik tai, bet ir JB vidus būtų visam laikui paslėptas už įvykių horizonto, ribos iš už kurios negrįžtų net šviesa. Savo ruožtu tai reiškė, kad joks viduje vykstantis procesas negalėtų daryti įtakos įvykiams išorėje, kadangi jokia masė ar energija negalėtų pasprukti. „Pirmasis didelis paradigmos poslinkis buvo supratimas, kad šie [bendrojo reliatyvumo] sprendiniai turi prasmę, ir kad yra tokia sąvoka, kaip horizontas, ir kad tai yra priežastinis barjeras, skiriantis vidų nuo išorės,“ sako fizikos teoretikas Don Marolf iš Kalifornijos universiteto Santa Barbara'oje (UCSB).

Nors JB tiesiogiai matyti negalime, 1970 metais astronomai, stebėdami kompaktišką objektą Šaulio žvaigždyne, išvydo rentgeno spindulių žybsnius, atitinkančius teorines karštos materijos, spirale lekiančios link įvykių horizonto spinduliavimo prognozes. Nuo tada įsitikinimas JB realumu tik stiprėjo. Panašu, kad visų galaktikų, įskaitant ir mūsiškę Paukščių Tako centre tūno supermasyvus tokio darinio pavyzdys (žr. „Kaip rengiuosi nufotografuoti juodąją bedugnę“).

Tačiau dėl JB sandaros ir veikimo karštai tebediskutuojama – ne paskutinėje eilėje ir bendrojo reliatyvumo nederėjimas su kvantų teorija (žr „Vis dar nėra visko teorijos“). „Aplinka turi būti išties ekstremali, kad abi šios teorijos būtų svarbios tuo pat metu, ir juodosios bedugnės idealiai tam tinka,“ sako teoretikas Joseph Polchinski, taip pat iš UCSB.

Įtampa augo aštuntajame dešimtmetyje, kai fizikai Jacob Bekenstein ir Stephenas Hawkingas parodė, kad JB privalo turėti temperatūrą. Kūnai, turintys temperatūrą, turi ir su ja susijusią entropiją, o pagal kvantų mechaniką, entropija – kūno netvarkingumo matas – implikuoja mikrostruktūros egzistavimą. Tuo tarpu Einšteino lygtys apibūdina juodąsias bedugnes kaip glotnius, beženklius erdvėlaikio iškraipymus. Hawkingas taip pat parodė, kad dėl kvantiniai efektų, vykstančių įvykių horizonte ir šalia jo, JB turėtų nuolat garuoti, tuo pačiu skleisdamos tai, ką dabar vadiname Hawkingo spinduliavimu.

Bet jeigu JB galiausiai išnyksta be pėdsako, kas nutinka į jas sukritusiai medžiagai? Fundamentaliu lygiu, materija ir energija perneša informaciją, ir pagal kvantų mechaniką, informacija negali būti sunaikinta. Galbūt užkoduota informacija išrūksta kaip Hawkingo spinduliavimas, bet ši idėja susiduria su kita problema: tada juodąją bedugnę turi gaubti švytinčių, energingų dalelių „ugniasienė“, ką BRT draudžia. 2012 metais, Polchinskis, Marolfas ir jų kolegos parodė, kad JB negali tuo pačiu metu išlaikyti informaciją ir turėti horizontą, kuriame niekas nevyksta:

Išnykimas

Šis „ugniasienės paradoksas“ tebėra aktuali tema. Viena iš vis labiau viliojančių idėjų – Einšteino erdvėlaikio glotnus audinys randasi iš kvantiškai susietų dalelių vienoje ir kitoje įvykių horizonto pusėje, per struktūras, vadinamąsias kirmgraužas.

Rugpjūtį, kalbėdamas susitikime Stockholme, Švedijoje, Sweden, Hawkingas pateikė alternatyvią versiją, iškeldamas idėją, kad JB informacijos niekada ir nepraryja. Ji lieka įvykių horizonte, nors ir sujaukta ir sunkiai iššifruojama. Praeitą mėnesį, Nobelio premijos laureatas Gerard ’t Hooft iš Nyderlandų Utrechto universiteto pasiūlė mintį, kad materijai ir energijai įkritus, jų informacija atšoka atgal.

Kai kas apeina tokias problemas, grįždami prie argumentų, primenančių Eddingtono ir Einšteino juodųjų bedugnių neigimą. pernai Laura Mersini-Houghton iš Š. Karolinos universiteto Chapel Hille, teigė, kad masyvios žvaigždės negali kolapsuoti į juodąsias bedugnes – Hawkingo spinduliavimo emisija kolapso metu neleistų žvaigždei to padaryti. Taigi, nėra įvykių horizontų ir nėra singuliarumų.

Tokiam požiūriui pritaria nedaugelis, ne menkiausią vaidmenį čia vaidina ir nemažai netiesioginių juodųjų bedugnių egzistavimo įrodymų. Tiesą sakant, ugniasienės paradoksas atvėrė naują bendrojo reliatyvumo ir kvantų mechanikos suvienijimo pastangų frontą. Šiame mūšyje vyrauja nuojauta, kad naujoji teorija bus artimesnė kvantų teorijai, sėkmingai paaiškinusiai visas gamtos jėgas, išskyrus gravitaciją, nei bendrajai reliatyvumo teorijai. Marolfas, didžiausias reliatyvistas, sako besijaučiantis blogai, kad „bendrasis reliatyvumas pralaimi“. Einšteinas, kurį neramino tiek JB, tiek ir tai, ką jis laikė kvantų teorijos ekscesais, tikriausiai jaustųsi dar blogiau. Juodosios bedugnės gali pasirodyti esančios prognozėmis, suvalgiusiomis teoriją.

Vis dar nėra visko teorijos

Bendrasis reliatyvumas ir kvantų teorija yra fundamentaliai nesuderinamos realybės teorijos. Kaip taip gali būti ir ką galime padaryti?

Du galingi dabartinės fizikos pilonai atrodo neturintys nieko bendro. Kvantų mechanika (KM) yra labai mažų objektų fizika, o bendroji reliatyvumo teorija (BRT) aprašo didžiulių objektų fiziką. Tai ne visai tikslu – pavyzdžiui, KM efektai užfiksuoti šimtų kilometrų atstumu. Ir kažkuriame taške šios dvi itin tikslios teorijos turi susitikti.

Tačiau kur jos besusieina, gražiai žaisti drauge joms nesigauna – tarkime, prie juodųjų bedugnių (žr. „Juodųjų bedugnių paradoksas“). Sukurti kvantinę gravitacijos teoriją praėjusį šimtmetį bandė daug fizikų. Einšteinas tapo itin neproduktyvus, kai ėmėsi„visko teorijos“.

Norėdami suprasti, kame glūdi tas sunkumas, turime pradėti nuo fundamentalių kvantų fizikos principų. Heisenbergo neapibrėžtumo principas įkūnija kvantų pasaulio ribų neryškumą. Pagal jį dalelės, pavyzdžiui, elektronai ar šviesos fotonai, elgtis kaip skvoteriai: jie gali skolintis energiją iš vakuumo ir naudoti ją masės kūrimui pagal garsiąją Einšteino formulę E = mc². Ši masė įgyja trumpai gyvuojančių „virtualių“ dalelių formą. Vienintelis kabliukas – jie turi šią energiją grąžinti – dalelės turi vėl pranykti – kol niekas nepradėjo klausinėti. Kuo daugiau energijos jie pasiskolina, tuo greičiau ji turi būti grąžinta.

Turint omeny tokią laisvę, galima suvokti, kad elektronas, fotonas, ar bet kokia kita dalelė gali pasinaudoti daugybe tokių nemokamų nuomų. Dėl to netgi tokių proziškų procesų, – tarkime, elektrono judėjimas iš kairės į dešinę – skaičiavimas tampa labai sudėtingas.Fiziko Richardo Feynmano žodžiais tariant, privalome „susumuoti visas įmanomas istorijas“, atsižvelgdami į begalinę įvairovę būdų, kaip virtualios dalelės gali būti sukurtos (žr. diagramą).

Kvantų teorijos taikymo gamos jėgoms istorija yra imtynių su nepaklusniomis begalybėmis istorija. Didžiulė sėkmė yra elektrosilpnoji teorija, apjungianti elektromagnetinę ir silpnąją branduolinę sąveiką ir paaiškinanti, kaip veikia elektronai ir fotonai. Visos jos prognozės, nuo dalelių masės iki skilimo spartos, yra tikslios iki 10 vietų po kablelio.

Vingiuotą kelią link elektrosilpnosios teorijos žymi bent devynios Nobelio premijos. Gautasis sėkmingas variantas, dabartinio dalelių fizikos „standartinio modelio“ pagrindas, pažabojo matematiką tada dar neatrastomis masyviomis dalelėmis, – W, Z ir Higgso bozonais.

Galiausiai sėkmė nusišypsojo tokiam drąsiam spėjimui: W ir Z bozonus CERN atrado 1983 m., Higgso bozono valanda atėjo 2012. Pirmoji iš šių sėkmių paskatino daugelį fizikų manyti, kad tokia strategija yra kaip bendras kvantinių teorijų vystymo receptas: jei modelis rodo esant begalybę, problema sprendžiama, tiesiog pridedant papildomą didelės masės dalelę.

Tad, tarkime, kad gravitaciją sudaro kvantinės dalelės gravitonai, panašai kaip šviesą sudaro fotonai. Remiantis neapibrėžtumo principu, gravitonai skolinasi energiją kitų, virtualių gravitonų kūrimui. Sudedant visas įmanomas istorijas, skaičiavimai, nenuostabu. kaip mat nuskrieja į begalybių chaosą.

Bet šį kartą toks padėties taisymas neveikia. Norint atsikratyti šių begalybių, reikia išrasti kitą dalelę, 10 milijardų milijardų (10¹⁸) kartų masyvesnę už protoną. Kaip visada, kuo daugiau energijos pasiskolinama, tuo greičiau ji turi būti grąžinta, tad šios pagalbinės dalelės gyvuotų itin trumpai. Tai reiškia, kad jos negali toli nusigauti ir užima mažutėlaitę erdvę.

Bet BRT teigia, kad masė išlenkia erdvėlaikį. Sukoncentravus pakankamai masės mažoje erdvėje, susiformuos juodoji bedugnė, begalinio erdvėlaikio iškreipimo taškas. Ir būtent tokį pavidalą naujoji dalelė turi. Gamta krečia piktą pokštą: mūsų būdas, turintis eliminuoti vieną begalybę, sukuria kitą.

Keičiame žaidimą

Bandydami apeiti tokius fundamentalius barjerus, radome tokius būdus, kaip stygų teorija, kurioje tariama, kad visos dalelės yra fundamentalesnių stygų virpėjimo pasireiškimas. Kai sudedame visas įmanomas šių „putlesnių“ objektų istorijas, virtualių dalelių kuriamos begalybės dingsta, it mostelėjus stebuklinga lazdele. Kita plačiai paplitusi idėja yra kilpinė kvantinė gravitacija (loop quantum gravity – LQG), kuri daro prielaidą, kad pats erdvėlaikis yra sudarytas iš atskirų blokelių. Toks grūdėtumas implikuoja viršutinę energijos, kurią bet kokia dalelė gali pasiskolinti, ribą, taip išvalydama skaičiavimus nuo begalybių.

Nepaisant šių prielaidų radikalumo, šie du suvienytosios teorijos kandidatai daugeliu atvejų yra konservatyviausi dabartinių modelių plėtiniai: abiejose bandoma išsaugoti kuo daugiau KM ir BRT teorinio pagrindimo.

„Nedaug žmonių nori tikėti, kad realybė neturi vieno, darnaus pagrindo”

O kokios labai ezoterinės idėjos, tarkime, vykstančio žaidimo taisyklių pakeitimas? Pavyzdžiui, jei BRT vėl atskirtų erdvę ir laiką, užuot sulipdžiusi į erdvėlaikį, galėtų atsirasti šiek tiek erdvės manevrams. Bet reliatyvumas ir kvantų mechanika savo sferose taip gerai dera su realybe, kad tokį triuką būtų velniškai sunku atlikti. Nedaug fizikų svarsto dar radikalesnę galimybę: kad KM ir BRT negali būti suvienyti, ir realybė neturi vieno, darnaus pagrindo.

Pirmą BRT šimtmetį visos šios galimybės buvo teorinės. Bet dabar technologijos galiausiai baigia prisivyti. Nepaisant liberalaus gravitonų naudojimo skaičiavimuose, jų egzistavimo tiesiogiai kol kas neaptikome. Tokie gravitacinių bangų eksperimentai kaip Advanced LIGO Louisiana'os ir Washingtono valstijose, bei siūlomas eLISA kosminis zondas, tikėtina, šią spragą užpildys (žr. „Trūkstama dėlionės detalė“) – ir gal leis giliau suprasti tikrąjį gravitacijos veikimą.

Einšteino liudijimai danguje

Kosminio mikrobangų fono (KMF) tyrimai pateikė neprilygstamai tikslų kosmoso paveikslą – bet jame yra tamsių spektrų

Prieš keletą metų ėmiau interviu iš kosmologės, pretenduojančios į stipendiją tyrinėti kosminį mikrobangų foną. Paklausiau, kokie jos manymu bus didžiausi pasiekimai per ateinančius kelis metus. Jos atsakymas: praktiškai jokių; bendras vaizdas daugiau mažiau aiškus ir apdulkėjęs.

Gali atrodyti, kad ji, nelyginant, šovė sau kojon. Atsitiktinai prieš 50 metų atrastas KMF, Didžiojo sprogimo atšvaitas, tikriausiai yra didingiausias BRT visatos modelio triumfas. Jis buvo aptiktas kaip nepaaiškinamas šnypštimas antenoje, pastatytoje antžeminės mikrobangų komunikacijos eksperimentams. Nuo tada KMF tyrimai pateikė įtikinamus įrodymus, kad mūsiškė visata prasidėjo nuo karšto, tankaus taško ir nuo tada vis plečiasi, išlaisvindamas radiaciją tada, kai atvėso pakankamai, kad galėtų susiformuoi pirmieji atomai.

KMF tyrimai leido mums aprašyti visatos pradžią CERNo LHC dalelių greitintuvu ar bet kokiu įmanomu jo įpėdiniu nepasiekiamų energijų lygiu. Antžeminiai eksperimentai ir vėlesnės kosminė misijos, tokios, kaip WMAP ir Planck palydovai, panaudojo šią radiaciją visatos geometrijos matavimams dar neregėtu tikslumu ir suteikė kol kas tiksliausią jos amžiaus įvertinimą – 13,8 mlrd metų. Jie taip pat paaiškino stulbinančius faktus, pirmiausia užfiksuotus galaktikų ir tolimų supernovų sukimosi tyrimuose, kad didžiosios dalies kosminės medžiagos mes negalime matyti: tamsioji materija ir tamsioji energija.

Tačiau man patiko kandidatės užtikrintumas, ir ji gavo darbą. Nors tikimės padidinti jau atliktų matavimų tikslumą ir tamsiosios materijos bei tamsiosios energijos paslaptys lieka, bendras BRT visatos vaizdas išties jau baigtas. Pernelyg daug stebėjimų sutampa pernelyg gerai, kad vis tai būtų kortų namelis.

Dabar vykstantys nuodugnūs galaktikų ir jų pasiskirstymo tyrimai padės užpildyti spragas ir nušvies tamsiosios materijos ir tamsiosios energijos įtaką visatos raidai. Bet iš paties KMF galima išpešti dar daug detalių. Mūsų labiausiai tikėtinas ankstyvosios visatos aprašymas sako, kad joje vyko spartėjančio plėtimosi periodas, dar vadinamas infliacija, mikroskopines kvantines fluktuacijas ištempusi iki astronominių mastų. Remiantis BRT, dėl šio įvykio erdvėlaikiu turėjo pasklisti raibuliai. 2014 m. pradžioje, Pietų ašigalyje vykstantis BICEP2 eksperimentas jau, atrodė, rado šias pirmines gravitacijos bangas – nors patikrinus skrupulingiau, pasirodė, kad stebėtą efektą sukėlė mūsų pačių galaktikos poveikis. Gravitacinių bangų paieškos tęsiasi KMF ir kitur (žr. „Trūkstama dėlionės detalė“).

Iki šiol tyrėme KMF veikiau kaip tolimo protėvio portretą, stengdamiesi jame įžvelgti bruožus, dėl kurių jis atrodo taip, kaip atrodo. Bet jis gali padėti nušviesti dabartį ar, bent jau kalbant kosmologiniais matais, labai neseną praeitį – ir taip parodyti mūsų visatos formavimo gravitacija subtilybes.

„Jei būtų įrodyta, kad bendrasis reliatyvumas yra klaidingas, tai būtų tikra revoliucija”

Tarkime, link mūsų sklindančio KMF spinduliavimo gravitacinis lęšiavimas – efektas, kurį Arthuras Eddingtonas panaudojo pateikti pirmąjį bendrojo reliatyvumo teorijos įrodymą 1919 metais. KMF fotonus nukreips ir mūsų regimą vaizdą šiek tiek paveiks didelio masto materijos pasiskirstymo visatoje sukelti erdvėlaikio linkiai. Lęšiavimo matavimai Planck zondu patvirtino, kad visatos plėtimasis dėl tamsiosios energijos poveikio išties spartėja.

Dar daugiau tikslių iškraipyto KMF matavimų turėtų leisti nustatyti tamsiosios materijos, panašu, sudarančios daugiau nei 80% kiekvienos galaktikos masės, pasiskirstymą. Taip atsivertų naujas langas, per kurį galėtume išsiaiškinti, kaip susiformavo „kosminio tinklo“ sudėtingi užpildai, sienos, spiečiai ir tuštumos, nesukdami galvos dėl normalios materijos sąveikų.

Didžiausias išbandymas

Iškraipymai, atsirandantys, kai KMF fotonus išsklaido jų kelyje esantys galaktikų spiečiai, leis išmatuoti šių spiečių judėjimo greitį, ir kaip greitai jie gravitaciškai kolapsuoja, siurbiami į tankesnes formas dėl tamsiosios materijos įtakos. Taip atsiranda naujas būdas išbandyti BRT prognozes. Nors teorija itin kruopščiai patikrinta Saulės sistemoje ir neutroninių žvaigždžių orbitose, ji dar nebuvo tikrinta milijardų šviesmečių masteliu.

Tikriausiai saugu spėti, kad bendrasis reliatyvumas visatą aprašo teisingai ir kosmologiniu masteliu, todėl glumina randami tamsūs spektrai. Jei kada nors būtų parodyta, kad bendrasis reliatyvumas yra klaidingas, tai būtų tikra revoliucija. Tai iškeltų tamsiosios energijos, kaip pastarųjų erų visatos plėtimosi varomosios jėgos klausimą. Bet tai priverstų ir išsiaiškinti, kokius principus turėtume atmesti, kad gautume gravitacijos aprašą, kuris kosminiu masteliu skirtųsi nuo mūsų naudojamo jau 100 metų. Tai klausimas, į kurį atsakyti kol kas ryžtasi labai nedaug kas.

Trūkstamos dėlionės detalės

Gravitacinės bangos yra paskutinioji nepatvirtinta neįtikėtinai sėkmingos Einšteino teorijos prognozė – o kas, jeigu jų taip ir nerasime?

Einšteinas numatė daug reiškinių, dažnai remdamasis vien genialiais mintiniais eksperimentais apversdamas tikrovę aukštyn kojom. Beveik taip pat dažnai ja nepavykdavo susitaikyti su rezultatais.

Būtent toks buvo gravitacinių bangų atvejis. Ir nors galiausiai Einšteinas sutiko, kad tokios erdvėlaikio osciliacijos gali egzistuoti, jos lieka vieninteliu dar nepatvirtintu bendrosios reliatyvumo teorijos spėjimu. Neseniai pradėjo veikti naujausias ir geriausias specialiai jų radimui skirtas detektorius. Jei neko nėra, kažkas yra yra labai ne taip. „Tai būtų visiškai paslaptinga,“ sako Alessandra Buonanno iš Maxo Plancko Gravitacinės fizikos instituto Potsdame, Vokietijoje. „Negalime jų nematyti.“

BRT teigia, kad dėl materijos poveikio erdvėlaikis išlinksta. Didelei masei greitėjant, šis išlinkimas turėtų kisti. To rezultatas – raibuliai erdvėlaikyje, sklindantys šviesos greičiu, visai kaip elektromagnetinės bangos, atsirandančios iš greitėjančio elektros krūvio.

Tik ne visai taip pat: kitaip, nei elektromagnetinės bangos, sklindančios erdvėlaikiu, gravitacinės bangos yra paties erdvėlaikio susispaudimai ir išsiplėtimai. Kadangi gravitacija nepalyginamai silpnesnė už elektromagnetinę sąveiką, jos bangos taip pat yra labai mažos.

Todėl gravitacinių bangų skaičiavimai yra gan keblūs. Einšteinas iškart suprato, kad BRT lygčių sprendiniai turėjo bangos formą ir 1918 metais išvedė formulę, pagal kurią galėjo įvertinti, kiek energijos tokios bangos gali pernešti. Bet jis bangas laikė nefizinėmis ir pagrindinės BRT formulės yra tokios nepaklusnios, kad kontroversija ar formulė yra tinkama netgi teoretiškai, truko kelis dešimtmečius.

„Su gravitacinėmis bangomis galėtume žvilgtelėti atgal, gal netgi iki Didžiojo sprogimo”

Net jei teisinga, formulė rodė, kad tik patys masyviausi visatos objektai galėtų sukurti aptinkamą signalą: pavyzdžiui, dvi juodosios bedugnės ar tango šokančios neutroninės žvaigždės. Įprasta gravitacinė banga, sklisdama per Žemę, iškreiptų aplinkinius objektus mažiau, nei viena milijardine trilijonosios dalies dalimi. Tokių mažų poslinkių aptikimas primintų atstumo tarp Žemės ir Saulės išmatavimą atomo branduolio spindulio tikslumu.

Pamojuokite sėkmei

Tik po Einšteino mirties gravitacinės bangos buvo plačiai pripažintos. Eksperimentatoriai kruopščiai kūrė detektorius, iš pradžių, didelius pakabintus cilindrus, kurios turėjo stumtelėti praeinanti banga. Septintojo dešimtmečio gale, JAV fizikas Joseph Weber pirmasis paskelbė jas išvydęs. Vėliau buvo pateikta dar daugiau nei tuzinas panašių pareiškimų, be nei vienas neišlaikė skrupulingo patikrinimo.

Tokiam teoretikui, kaip Buonanno, nesugebėjimas užfiksuoti gravitacinių bangų tiesiogiai yra akademinis reikalas: jau turime daugybę netiesioginių įrodymų, kad jos egzistuoja. 1974 m. astronomas Russellas Hulse'as ir Josephas Tayloras atrado dvinarį pulsarą – besisukančią porą neutroninių žvaigždžių, spinduliuojančių radijo bangas tiksliais intervalais – ir pradėjo sekti jų sukimosi spartą. Iki dešimtojo dešimtmečio pradžios jie parodė, kad šios žvaigždės praranda energiją tiksliai tokiu tempu, kokį numatė Einšteinas, jeigu jos spinduliuotų gravitacines bangas. Nuo tada dar keletas panašių dvinarių sistemų tyrimų patvirtino tokį požiūrį.

Stebėjimai gali būti nepatikimi: gal koks keistas astrofizikinis procesas verčia mus manyti, kad dvinarės žvaigždės lėtėja, sako teoretikas B. S. Sathyaprakash iš Cardiffo universiteto JK. O gal gravitacinės bangos skleidžiamos taip kaip manoma, tačiau nepasiekia mūsų. Bet šiuo atveju „nelengva sugalvoti teoriją, kur vienas dalykas vyktų, o kitas nebe, sako Sathyaprakash.

Alternatyvių įrodymų paieška tęsiasi. Pulsarų laiko masyvai yra gan naujas metodas. Išmatuojamas tikslus radiobangų atskriejimo laikas iš greitai besisukančių dvinarių. Jei erdvėlaikis virptelėtų, turėtume išvysti būdingą radijo signalą – tokį, kokį medžioja Tarptautinis pulsarų laiko masyvas (International Pulsar Timing Array), pasaulinis radioteleskopų tinklas.

Pažangus lazerinė interferometrinė gravitacinių bangų observatorija (Advanced LIGO), kuri buvo įjungta praeitą mėnesį po penkis metus trukusio ankstesnio detektoriaus atnaujinimo, naudoja betarpiškesnį metodą. Juo lazerio spinduliai keliauja pirmyn ir atgal kilometrinėmis detektoriaus atšakomis, taip ieškodami iškraipymų, kuriuos sukelia gravitacinės bangos. Jo detektoriai Louisiana'oje ir Washingtono valstijoje bus sinchronizuoti su instrumentais Vokietijoje (GEO600), Italijoje (VIRGO) ir Japonijoje (KAGRA).

Advanced LIGO yra 10 kartų jautresnis už senuosius detektorius ir gali skenuoti daugiau nei tūkstantį kartų didesnę erdvę. Tai reiškia praktiškai garantuotą sėkmę, tiki Jamesas Hough iš Glasgow universiteto, JK: „Aš asmeniškai tikiu, kad naujaisiais detektoriai bus atliktas atradimas.“

Bet tai priklauso nuo to ar bus pakankamai Žemėje aptinkamų gravitacinių bangų šaltinių. Remiantis astrofizikiniais modeliais, tikėtinas metinis „įvykio dažnis“ yra nuo mažiau už 1 iki daugiau nei 200. Norint garantuoti aptikimą, reikia pakilti į kosmosą, sako Hough. Europos kosmoso agentūros lazerinis interferometras (Evolved Laser Interferometer Space Antenna – eLISA) turėtų atlikti būtent tai. Jo skrydis planuojamas ketvirtojo dešimtmečio viduryje, jo trys detektoriai suformuos milijono kilometrų kraštinės trikampį. LISA Pathfinder, zondas, kuriuo bus išbandyta ši technologija, turėtų būti paleistas kitą mėnesį.

eLISA turėtų būti apipilta signalais netgi iš silpniausių šaltinių, ir tai bus „viskas arba nieko“ bandymas. „Turėtume palaukti, kol eLISA neišvys gravitacinių bangų iš gerai nustatytų dvinarių sistemų, kad galėtume užtikrintai sakyti, kad bendroji reliatyvumo teorija klaidinga,“ sako Hough.

Gravitacinių bangų užfiksavimas būtų ne tik dar vienas Einšteino teorijos patvirtinimas, bet ir naujas astronomijos tipas, naudojantis gravitacines bangas pažvelgti daug toliau į visatos praeitį, nei įmanoma, naudojant šviesą – gal net iki pat Didžiojo sprogimo. Taip pat galėtume tapti liudininkais juodųjų bedugnių gimimo ir kitų procesų, kurių išsiaiškinimui kitu atveju būtų reikalinga ilgai ieškota kvantinė gravitacijos teorija. Laukdami erdvėlaikio rūko išsisklaidymo, Hough su bendradarbiais jau planuoja patobulinti turimus interferometrus ir naujas instrumentų kartas.

Jei nieko nepamatysime, pasekmės bus labai rimtos, ir ne tik bendrajai reliatyvumo teorijai. Gravitacinės bangos išties yra subtilios pasekmės Einšteino 1905 metais paskelbtos specialiosios reliatyvumo teorijos (SRT), kur jos užkerta kelią gravitacinės įtakos sklidimui erdvėlaikiu begaliniu greičiu. SRT prielaidos taip pat buvo inkorporuotos ir kitur, pavyzdžiui, kvantų lauko teorijose, aprašančiose kitas gamtos sąveikas. „Jei nepavyks aptikti gravitacinių bangų iš šaltinio, kuris, esame tikri, turi būti pasiekiamas, tai būtų didžiulis smūgis ne tik bendrajai reliatyvumo teorijai, bet ir daugeliui jos alternatyvų,“ sako Sathyaprakash.

* Gravitacinės bangos jau atrastos. Plačiau apie tai, kas jos yra ir su kuo valgomos, paskaitykite čia