100 χρόνια μετά ο Αϊνστάιν επιβεβαιώνεται: Τα βαρυτικά κύματα υπάρχουν

Η ανακάλυψη του LIGO είναι τεράστια, ένα άξιο για Νόμπελ κατόρθωμα που το τοποθετεί στο ίδιο επίπεδο με την ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs στο Cern το 2012. Όπως τα σωματίδια Higgs έφεραν την επανάσταση στο κλασικό μοντέλο της Φυσικής, έτσι και τα βαρυτικά κύματα πρόκειται να κάνουν το ίδιο με την Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν.

 

Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν προέβλεψε την ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων στην Γενική Θεωρία της Σχετικότητας πριν από σχεδόν ένα αιώνα, το 1915. Στο μοντέλο της Γενικής Σχετικότητας, και σε αντίθεση με την Νευτώνειο μηχανική που ορίζει ότι το μακροσκοπικό σύμπαν είναι στατικό, η βαρύτητα δεν είναι απλώς μία ασθενώς ελκτική δύναμη, αλλά είναι το αποτέλεσμα μίας παραμόρφωσης, μίας καμπύλωσης στον ιστό του χωροχρόνου που δημιουργείται από την μάζα των αντικειμένων.

 

 

Η παρουσία της μάζας αλλάζει την γεωμετρία του χωροχρόνου λοιπόν, και αν φανταστείτε ότι μία δισδιάστατη αναπαράσταση του χωροχρόνου είναι ένα σεντόνι, και μία μπάλα του μπόουλινγκ είναι ένα μεγάλο σώμα, τότε η μάζα του σώματος θα δημιουργήσει ένα βαθούλωμα στο σεντόνι (π.χ τεντώνοντας τον χώρο στη μία διάσταση, ας πούμε κατά μήκος) και συμπιέζοντας τον στην άλλη, ας πούμε κατά πλάτος). Στο video παρακάτω, μπορείτε να δείτε μία οπτική αναπαράσταση (όπως και στην εικόνα).

Όπως μπορείτε να δείτε και στο παρακάτω video, τα μεγαλύτερα σε μάζα αντικείμενα μπορούν να παραμορφώσουν τον χωροχρόνο περισσότερο από τα αντικείμενα με μικρότερη μάζα. Αλλά όταν τεράστια αντικείμενα κινούνται, όπως στην περίπτωση της σύγκρουσης δύο κινούμενων μελανών οπών, τότε ο χωροχρόνος αρχικά θα συμπιεστεί και στην συνέχεια θα τεντωθεί –επεκταθεί- κινούμενος προς τα έξω με την ταχύτητα του φωτός όπως συμβαίνει με τα κύματα στην επιφάνεια μία λίμνης.

 

Ένα χρόνο μετά την δημοσίευση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν προέβλεψε ότι τα πολύ μεγάλα αντικείμενα, τεράστιας μάζας που κινούνται επιταχυνόμενα προκαλούν τέτοιου είδους κύματα στον χωροχρόνο που ταξιδεύουν προς όλες τις κατευθύνσεις με την ταχύτητα του φωτός. Αν και πειραματικά έχουμε καταφέρει να επιβεβαιώσουμε πολλές πτυχές της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, η απευθείας παρατήρηση των βαρυτικών κυμάτων που βρίσκονταν στην καρδιά της θεωρίας του Αϊνστάιν, είχε παραμείνει βασανιστικά εκτός των δυνατοτήτων μας.

 

 

Για περισσότερο από έναν αιώνα ήμασταν μόνο σε θέση να παρατηρήσουμε έμμεσα αυτά τα κύματα. Το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των Ηνωμένων Πολιτειών της Αμερικής έχει δαπανήσει περισσότερο από ένα δισεκατομμύριο δολάρια για περισσότερα από 50 χρόνια σε μία προσπάθεια να παρατηρηθεί το φαινόμενο, με τα τελευταία 25 χρόνια να γίνονται προσπάθειες να τελειοποιηθούν τα όργανα μέτρησης στις περιοχές δοκιμών του LIGO, στην Πολιτεία της Ουάσιγκτον και στην Λουϊζιάνα.

 

Το LIGO χρησιμοποιεί ένα ζευγάρι ιδιαίτερα ευαίσθητων ακτίνων λέιζερ μήκους τεσσάρων χιλιομέτρων, που βρίσκονται τοποθετημένες σε ορθή γωνία μεταξύ τους και σε “σωλήνες”, που στο τέλος τους διαθέτουν από ένα κάτοπτρο. Καθώς περνούν βαρυτικά κύματα, οι απόσταση των δύο κάτοπτρων συρρικνώνεται και στην συνέχεια επεκτείνεται – και μιλάμε για ένα χιλιοστό της διαμέτρου ενός ατομικού σωματιδίου. Όμως αυτή η ελάχιστη διαφορά, ήταν αρκετή για να παρατηρηθεί από τους ανιχνευτές του LIGO.

 

Στην πραγματικότητα, η παρατήρηση που επιβεβαίωσε την ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων είχε διάρκεια μόλις 20 χιλιοστών του δευτερολέπτου, καθώς ένα ζευγάρι μελανών πλησίαζαν η μία την άλλη σε μία σπειροειδή κίνηση μέχρι να συγχωνευτούν μεταξύ τους.

 

 

Δεδομένου ότι οι δύο μελανές οπές σε αυτή την σπειροειδή κίνηση πλησίαζαν όλο και πιο κοντά μεταξύ τους, ο χωροχρόνος ανάμεσα τους παραμορφωνόταν όλο και περισσότερο παράγοντας όλο και ισχυρότερα βαρυτικά κύματα, μέχρι να συγχωνευτούν σε μία και να σταματήσουν οι παραμορφώσεις. Όλη αυτή η διαδικασία δημιούργησε ένα μικρό “τιτίβισμα” που κατάφερε να ανιχνεύσει το LIGO.

 

Τώρα, οι επιστήμονες μπορούν να υπολογίζουν την κυματομορφή αυτού του “τιτιβίσματος” για να καθορίσουν το μέγεθος των μελανών οπών, την κατεύθυνση τους με βάση τον παρατηρητή και τον τρόπο που βρίσκονταν σε τροχιά η μία σε σχέση με την άλλη.

 

 

“Πρόκειται για κάτι μετασχηματιστικό” δήλωσε ο καθηγητής του Πανεπιστημίου του Μπέρμιγχαμ, Alberto Vecchio. “Αυτή η παρατήρηση είναι πραγματικά εκπληκτική επιστήμη και σηματοδοτεί τρία ορόσημα για την Φυσική: την άμεση ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων, την πρώτη ανίχνευση μίας δυαδικής μελανής οπής, και την πιο πειστική απόδειξη ότι οι μελανές οπές στην φύση είναι τα αντικείμενα που προβλέπονται από την Θεωρία του Αϊνστάιν.

 

 

Είναι λοιπόν μία τεράστια ανακάλυψη, επειδή όχι μόνο επικυρώνει ένα από τα τελευταία άλυτα στοιχεία της Θεωρίας της Σχετικότητας του Αϊνστάιν, αλλά επειδή θα μας επιτρέψει να κατανοήσουμε βαθύτερα τις αρχές που διέπουν το σύμπαν και να τις εκμεταλλευτούμε. Όπως η ανακάλυψη των ραδιοκυμάτων οδήγησαν στις μοντέρνες επικοινωνίες και έφεραν την επανάσταση στην αστρονομία, επιτρέποντας στους επιστήμονες να δουν πέρα από το ορατό φάσμα, η ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων πρόκειται να αλλάξει τα πάντα.

 

Για παράδειγμα, οι αστρονόμοι αυτή την στιγμή μπορούν να παρατηρήσουν μόνο τα πρώτα 400.000 χρόνια της ζωής του σύμπαντος από την Μεγάλη Έκρηξη και μετά, επειδή τα πρώτα χρόνια του σύμπαντος είναι αδιαπέραστα από το φως.

 

Τα βαρυτικά κύματα όμως είναι άλλο πράγμα. “Κυριολεκτικά, με την συγκέντρωση των βαρυτικών κυμάτων, θα είμαστε σε θέση να δούμε τι ακριβώς συνέβη στην αρχική –χωροχρονική- μοναδικότητα/ ιδιομορφία” λέει ο καθηγητής Neil Turok, από το Perimeter Institute for Theoretical Physics στο Waterloo, στον Καναδά. "Η πιο περίεργη και υπέροχη πρόβλεψη της Θεωρίας του Αϊνστάιν είναι ότι όλα είναι παράγωγα ενός μοναδικού γεγονότος: της μοναδικότητας της Μεγάλης Έκρηξης. Και θα είμαστε σε θέση να δούμε τι συνέβη”.

 

 

Site: Engadget