Tytuł oryginału

RIPPLES IN SPACETIME

Einstein, Gravitational Waves, and the Future of Astronomy

Copyright © 2017 by Govert Schilling

All rights reserved

Projekt okładki

Prószyński Media

Ilustracja na okładce

© Science Photo Library/Indigo Images

Redaktor serii

Adrian Markowski

Redakcja

Anna Kaniewska

Korekta

Małgorzata Denys

ISBN 978-83-8123-643-0

Warszawa 2018

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Gintrowskiego 28

www.proszynski.pl

PRZEDMOWA

Einstein zajmuje zupełnie wyjątkowe miejsce w panteonie uczonych – i jak najbardziej zasłużenie. Jego odkrycia dotyczące przestrzeni i czasu całkowicie odmieniły nasze rozumienie grawitacji i kosmosu. Wszyscy kojarzymy go jako łagodnego, trochę zaniedbanego, sędziwego mędrca z plakatów i T-shirtów, ale prawda jest taka, że najważniejszych odkryć dokonał w młodości. Światową sławę zdobył jeszcze przed ukończeniem czterdziestu lat. Dwudziestego dziewiątego maja 1919 roku nastąpiło zaćmienie Słońca. Grupa uczonych pracujących pod kierunkiem astronoma Arthura Eddingtona przeprowadziła obserwacje gwiazd pojawiających się wtedy w pobliżu tarczy słonecznej. Z przeprowadzonych pomiarów wynikało, że ich położenie na niebie uległo przesunięciu na skutek zakrzywienia promieni światła w polu grawitacyjnym Słońca. Było to potwierdzeniem prawdziwości jednego z kluczowych przewidywań Einsteina. Gdy Towarzystwo Królewskie w Londynie ogłosiło wyniki tych badań, prasa na całym świecie szybko rozpropagowała nowinę. „Wszystkie światła na niebie są zakrzywione; teoria Einsteina triumfuje” – głosił nieco zbyt krzykliwy nagłówek w „New York Timesie”.

Ogólna teoria względności Einsteina, opublikowana w 1915 roku, jest triumfem ludzkiego geniuszu. Wynikające z niej wnioski mają jednak niewielkie znaczenie tu, na Ziemi. Teoria ta wymaga dokonania tylko niewielkich modyfikacji w zegarach używanych w nowoczesnych systemach nawigacji, ale prawa Newtona nadal w zupełności wystarczają, by wynosić na orbitę sondy kosmiczne i śledzić ich trajektorie.

Odkryte przez Einsteina wzajemne powiązanie przestrzeni i czasu – to, że „przestrzeń mówi materii, jak ma się poruszać, a materia mówi przestrzeni, jak ma się zakrzywiać” – ma natomiast kluczowe znaczenie dla wielu zjawisk kosmicznych. Trudno jest jednak sprawdzić poprawność teorii, z której wynikają wnioski tak oderwane od naszej codzienności. Przez niemal pół wieku od jej ogłoszenia ogólna teoria względności znajdowała się poza głównym nurtem badań fizycznych. Dopiero w latach sześćdziesiątych XX wieku zaczęły się pojawiać dowody potwierdzające, że Wielki Wybuch zapoczątkował rozszerzanie się Wszechświata, uczeni znaleźli też przesłanki przemawiające za istnieniem czarnych dziur – były to dwa ważne przewidywania wynikające z teorii Einsteina.

W lutym 2016 roku, niemal sto lat po słynnym spotkaniu Towarzystwa Królewskiego, na którym przedstawiono wyniki pomiarów wykonanych podczas zaćmienia Słońca, uczeni poinformowali świat o kolejnym odkryciu – tym razem w siedzibie Press Club w Waszyngtonie – jeszcze silniej potwierdzającym poprawność teorii Einsteina. Detektor LIGO (skrót od ang. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – obserwatorium fal grawitacyjnych wykorzystujące interferometr laserowy) zarejestrował przejście fal grawitacyjnych. Właśnie temu wydarzeniu poświęcona jest książka Goverta Schillinga. Autor opowiada w niej wspaniałą historię dziejącą się na przestrzeni ponad stu lat.

Einstein wyobrażał sobie oddziaływanie grawitacyjne jako „zakrzywienie” przestrzeni. Zawsze gdy zmienia się kształt ciał oddziałujących grawitacyjnie, dochodzi do wytworzenia zaburzeń w samej przestrzeni. Gdy tak powstałe fale przechodzą przez Ziemię, przestrzeń w naszym otoczeniu zaczyna „drgać” – na zmianę rozciąga się i kurczy. Jest to jednak bardzo mały efekt, a to dlatego, że oddziaływanie grawitacyjne jest niezwykle słabą siłą. Przyciąganie grawitacyjne otaczających nas przedmiotów jest zaniedbywalnie małe. Jeśli będziemy machać dwiema hantlami, to wytworzymy fale grawitacyjne, ale ich siła będzie nieskończenie mała. Nawet planety krążące wokół gwiazd, a także gwiazdy krążące wzajemnie wokół siebie nie wytwarzają fal grawitacyjnych na tyle silnych, by można je było wykryć.

Astronomowie są zgodni, że źródłem fal grawitacyjnych możliwych do wykrycia w detektorze LIGO mogłyby być jedynie obiekty o grawitacji dużo większej niż zwyczajne gwiazdy i planety. Największe nadzieje wiąże się ze zdarzeniami, w których biorą udział czarne dziury. Już niemal od pięćdziesięciu lat wiadomo, że czarne dziury istnieją – większość z nich to pozostałości po gwiazdach o masie co najmniej dwudziestokrotnie większej od masy Słońca. Gwiazdy takie świecą jasno, a w chwili ich śmierci dochodzi do wybuchu (widocznego jako supernowa), podczas którego ich wnętrze zapada się i dochodzi do powstania czarnej dziury. Materia tworząca kiedyś gwiazdę zostaje odcięta od reszty Wszechświata, pozostawiając grawitacyjny ślad w przestrzeni, którą opuściła.

Jeśli w jakimś zakątku kosmosu istnieją dwie czarne dziury tworzące układ podwójny, to muszą powoli opadać na siebie ruchem spiralnym. W miarę jak się do siebie zbliżają, otaczająca je przestrzeń ulega coraz większemu odkształceniu, aż w końcu dochodzi do ich połączenia i powstania jednej wirującej czarnej dziury. Na początku taka czarna dziura gwałtownie się chybocze i „dzwoni”, wytwarzając kolejne fale. Dopiero po pewnym czasie wszystko się uspokaja i zostaje jedna, zwyczajna czarna dziura. Detektor LIGO jest w stanie wykryć takie właśnie „brzęczenie” – drganie przestrzeni, które stopniowo przyspiesza i wzmaga się aż do chwili połączenia się czarnych dziur, a potem cichnie. Do takich katastrofalnych wydarzeń może dochodzić w naszej Galaktyce nie częściej niż raz na milion lat. Tego typu zdarzenia powinny jednak wysyłać sygnały możliwe do wykrycia przez LIGO nawet wtedy, gdy dochodzi do nich w odległości miliarda lat świetlnych, a w takim promieniu od nas znajdują się miliony galaktyk. Nawet w najbardziej sprzyjających okolicznościach wykrycie takiego zdarzenia wymaga jednak użycia niezwykle czułych – i bardzo kosztownych – urządzeń. W detektorze LIGO uczeni wysyłają silne wiązki laserowe wzdłuż czterokilometrowych rur wypełnionych próżnią i zakończonych lustrami. Analizując światło wiązek odbitych od zwierciadeł, mogą wykryć zmianę odległości między lustrami, a odległość ta powinna na przemian zwiększać się i maleć, gdy przestrzeń rozszerza się i kurczy. Amplituda takich drgań jest niezwykle mała – wynosi około 0,0000000000001 centymetra, a więc jest milion razy mniejsza od rozmiaru pojedynczego atomu. W projekcie LIGO uczeni wykorzystują dwa podobne detektory znajdujące się w odległości 3000 kilometrów od siebie – jeden działa w stanie Waszyngton, a drugi w Luizjanie. Pojedynczy detektor mógłby rejestrować mikrosejsmiczne zdarzenia, takie jak drgania wywołane przejechaniem w pobliżu ciężkiego pojazdu. Aby wykluczyć tego typu fałszywe alarmy, uczeni zwracają uwagę jedynie na zdarzenia sygnalizowane przez oba detektory.

Przez całe lata uczeni prowadzący badania za pomocą detektora LIGO nie wykryli zupełnie nic. Potem jednak zmodernizowano urządzenia i uruchomiono je ponownie we wrześniu 2015 roku. Po wielu latach frustracji badania przyniosły wreszcie oczekiwany efekt: wykryto drgania świadczące o zderzeniu się dwóch czarnych dziur odległych o ponad miliard lat świetlnych od nas. W ten sposób powstała zupełnie nowa dziedzina naukowa związana z badaniem dynamiki samej przestrzeni.

Niestety, czasami okazuje się, że głośne odkrycie naukowe jest pomyłką lub nie jest tak doniosłe, jak twierdzono – w tej książce znajdziemy opis i tego typu przypadków. Ja sam uważam siebie za trudnego do przekonania sceptyka, ale dowody przedstawione przez uczonych pracujących przy projekcie LIGO – będące zwieńczeniem dosłownie całych dziesięcioleci wytężonej pracy naukowców i inżynierów o doskonałych kwalifikacjach – są bardzo wiarygodne i sądzę, że tym razem uda im się w pełni mnie przekonać.

Wykrycie fal grawitacyjnych jest naprawdę ważnym wydarzeniem, jednym z wielkich odkryć tego dziesięciolecia, równie istotnym jak odkrycie cząstki Higgsa, które zyskało ogromny rozgłos w 2012 roku. Cząstka Higgsa była ostatnim brakującym elementem Modelu Standardowego fizyki cząstek, rozwijanego od kilku dziesięcioleci. Podobnie, istnienie fal grawitacyjnych – drgań tkanki samej przestrzeni – jest kluczowym, jednoznacznym wnioskiem wynikającym z ogólnej teorii względności Einsteina.

Peter Higgs przewidział istnienie cząstki nazywanej obecnie jego nazwiskiem już pięćdziesiąt lat temu, ale jej wykrycie – i określenie jej własności – stało się możliwe dopiero po osiągnięciu odpowiedniego poziomu rozwoju technicznego. Było do tego potrzebne ogromne urządzenie, Wielki Zderzacz Hadronów w Genewie. Istnienie fal grawitacyjnych przewidziano jeszcze wcześniej, ale nie mogliśmy ich wykryć, ponieważ wymaga to zmierzenia bardzo słabego efektu, a do tego również są potrzebne ogromne, niezwykle precyzyjne urządzenia.

Odkrycie to nie tylko stanowi zupełnie nowe potwierdzenie poprawności teorii Einsteina, ale poszerza też naszą wiedzę na temat gwiazd i galaktyk. Obserwacje astronomiczne dostarczyły nam niewiele informacji na temat czarnych dziur i masywnych gwiazd – bardzo trudno było przewidzieć, ile takich obiektów znajduje się w odpowiedniej odległości. Pesymiści sądzili, że tego typu zdarzenia mogą być tak rzadkie, że nawet nowy, ulepszony detektor LIGO niczego nie wykryje co najmniej przez najbliższe dwa lata. Oczywiście można twierdzić, że badaczom dopisało wyjątkowe szczęście, ale jeśli przyjmiemy, że tak nie było, dojdziemy do wniosku, iż oto na naszych oczach narodził się nowy rodzaj astronomii zajmującej się badaniem dynamiki samej przestrzeni, a nie wypełniających ją obiektów materialnych. Obecnie do grupy prowadzącej poszukiwania fal grawitacyjnych dołączyło wielu innych uczonych wykorzystujących detektory w Europie, Indiach i Japonii, ba, planuje się nawet umieszczenie odpowiedniej aparatury badawczej w przestrzeni kosmicznej.

Muszę jednak stwierdzić, że stanowczo zbyt wielu naukowców obawia się podjęcia trudu wyjaśnienia wysuwanych przez siebie idei i dokonywanych odkryć, sądząc, że są one zbyt zagmatwane i niezrozumiałe. Tak już niestety jest, że zawodowi uczeni wyrażają swoje idee za pomocą matematyki, która jest dla wielu ludzi językiem obcym. Na szczęście istnieją jeszcze odpowiednio uzdolnieni pisarze, którzy potrafią przedstawić najważniejsze idee, posługując się bardzo prostym językiem. Govert Schilling jest jednym z najlepszych z nich, a w tej książce przeszedł nawet samego siebie. Jego opowieść obejmuje okres ponad stu lat. Wyjaśnia w niej kluczowe pojęcia w sposób prosty i atrakcyjny, umieszczając je w odpowiednim kontekście historycznym. Zamieszcza również barwne sylwetki uczonych zaangażowanych w opisywane badania. Niektóre z tych osób były ogarnięte obsesją, ale to nie powinno nikogo dziwić – prawdę mówiąc, obsesja jest w gruncie rzeczy niezbędna do tego, by poświęcić całe lata, a nawet dekady, na prowadzenie badań bez jakiejkolwiek gwarancji sukcesu. W badaniach tych uczestniczyły setki specjalistów pracujących w różnych zespołach. Schilling opowiada o głośnych kontrowersjach, porażkach i zdumiewających osiągnięciach technicznych uczonych i inżynierów, którzy przez całe dziesięciolecia starali się osiągnąć niespotykaną dotąd dokładność pomiarów. Opisuje, jak w końcu odnieśli sukces, odkrywając ważne informacje na temat podstawowej natury przestrzeni i czasu. To wspaniała historia opowiedziana z tak ogromną pasją, że trudno się oderwać od lektury.

Martin Rees

WPROWADZENIE

Wokół żółtego karła na rubieżach jednej z galaktyk spiralnych krąży niewielka planeta powstała jakieś 3,3 miliarda lat temu w wyniku nagromadzenia się pyłu i drobin skalnych. Związki organiczne z przestrzeni kosmicznej przez długie lata spadały rzęsistym deszczem do letnich oceanów pokrywających tę błękitną planetę, aż wreszcie kiedyś połączyły się w samopowielające się cząsteczki. Teraz w wodach planety rozwijają się bujnie jednokomórkowe organizmy żywe. Już niedługo życie znajdzie sposób, by wydostać się na wciąż jeszcze jałowe kontynenty.

W innym zakątku tego ogromnego Wszechświata dwie niezwykle masywne gwiazdy zakończyły właśnie swe życie w gwałtownym wybuchu supernowej. Pozostał po nich silnie związany układ podwójny żarłocznych czarnych dziur, a każda z nich ma masę dziesiątki razy większą od masy owego odległego żółtego karła. Ich grawitacja wciąga każdą cząsteczkę gazu, każdą drobinę pyłu, która za bardzo się do nich zbliża, zakrzywia też promienie światła przebiegające w ich pobliżu. Nic nigdy nie zdoła się wydostać z silnego grawitacyjnego uścisku obu tych kosmicznych otchłani.

Krążąc po orbitach wokół siebie, czarne dziury wytwarzają fale – niewielkie zmarszczki w czasoprzestrzeni rozchodzące się z prędkością światła. Fale te unoszą ze sobą energię, a to sprawia, że czarne dziury zbliżają się do siebie coraz bardziej. W końcu dochodzi do tego, że w ciągu każdej sekundy wykonują kilkaset okrążeń z prędkością wynoszącą połowę prędkości światła. Czasoprzestrzeń jest gwałtownie rozciągana i ściskana, a maleńkie zaburzenia rozrastają się do rozmiaru ogromnych fal. I wreszcie, w ostatnim rozbłysku czystej energii, obie czarne dziury wpadają na siebie i stapiają się w jeden obiekt. W okolicy, w której doszło do tych dramatycznych wydarzeń, powraca spokój. Jednak ostatnie, potężne fale mkną dalej przez przestrzeń niczym tsunami.

Rozpaczliwy krzyk umierających czarnych dziur dociera do granic naszej galaktyki spiralnej dopiero po upływie 1,3 miliarda lat. W tym czasie fale znacznie osłabły i ich amplituda jest teraz o wiele mniejsza. Wciąż naprzemiennie przyciągają i odpychają wszystko na swojej drodze, ale nikt nie jest w stanie tego zauważyć. Powierzchnię błękitnej planety pokrywają teraz paprocie i drzewa. Uderzenie planetoidy doprowadziło do wyginięcia ogromnych gadów, a z jednej z wielu linii ssaków zamieszkujących tę planetę wykształciły się ciekawe świata dwunożne istoty.

Po minięciu zewnętrznych obszarów Drogi Mlecznej fale grawitacyjne powstałe podczas łączenia się odległych czarnych dziur potrzebują jeszcze tylko 100 tysięcy lat, by dotrzeć w pobliże Słońca i Ziemi. W czasie gdy tak pędzą w kierunku naszej planety z prędkością 300 tysięcy kilometrów na sekundę, ludzie zaczynają badać Wszechświat, którego są częścią. Szlifują soczewki do teleskopów, odkrywają nowe planety i księżyce, sporządzają mapę Drogi Mlecznej.

Sto lat przed dotarciem fal – gdy pokonały już 99,99999 procent swojej drogi o długości 1,3 miliarda lat świetlnych – dwudziestosześcioletni uczony o nazwisku Albert Einstein przewiduje ich istnienie, ale będzie musiało upłynąć jeszcze kolejne pół wieku, zanim ludzie zaczną na poważnie ich poszukiwać. W końcu, na początku XXI stulecia, detektory osiągają wreszcie odpowiednio dużą czułość. Zaledwie kilka dni po ich włączeniu rejestrują niewielkie drgania o amplitudzie dużo mniejszej od rozmiaru jądra atomowego.

W poniedziałek, 14 września 2015 roku, o godzinie 9:50:45 czasu uniwersalnego dochodzi do potwierdzenia przewidywania wysuniętego przez Einsteina przed stu laty. Astronomowie odbierają grawitacyjną wiadomość wysłaną dawno temu przez czarne dziury zderzające się ze sobą w odległej galaktyce.

Pierwsze w historii wykrycie fal grawitacyjnych zupełnie zasłużenie zostało uznane za jedno z największych osiągnięć naukowych nowego stulecia. Dzięki zmierzeniu kolejnych fal za pomocą jeszcze dokładniejszych urządzeń astronomowie będą mogli badać nasz burzliwy Wszechświat w zupełnie nowy sposób, a fizykom uda się być może wyjaśnić wreszcie tajemnice czasoprzestrzeni.

Pierwsza myśl o napisaniu tej książki zaświtała w mojej głowie już kilka lat przed uruchomieniem obecnej wersji detektora LIGO (skrót od ang. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – obserwatorium fal grawitacyjnych wykorzystujące interferometr laserowy). Czyż nie byłoby świetnie, pomyślałem, gdyby pierwsza obserwacja fal grawitacyjnych nastąpiła mniej więcej w tym czasie, gdy będę kończył maszynopis? Wtedy można byłoby wydać książkę tuż po ogłoszeniu odkrycia, rozszerzając ją o epilog opisujący najnowsze wyniki.

Nauka poczyniła postępy szybciej, niż się spodziewałem. Wydaje się, że nikt nie przypuszczał, iż nowy detektor spełni swoje zadanie już w ciągu pierwszych dni działania. Z tego powodu większa część procesu zbierania informacji do książki, a także samo jej pisanie nastąpiły już po tym wiekopomnym odkryciu. Teraz, gdy książka jest już ukończona, cieszę się, że wydarzenia rozegrały się w takiej właśnie kolejności – dzięki temu odkrycie stało się integralną częścią całej opowieści, a nie tylko końcowym dopiskiem.

Historię badania fal grawitacyjnych relacjonowano już wcześniej. W tej książce stanowi ona jednak tylko połowę całej opowieści. Zmarszczki czasoprzestrzeni opisują ścieżki rozwoju nauki i metody dokonywania nowych odkryć, opowiadają o tym, co się dzieje obecnie, i o oczekiwaniach, jakie wiążemy z przyszłością, gdy badanie fal grawitacyjnych będzie już dojrzałą dziedziną astronomii. Odkrycie GW150914 – sygnału odebranego w ten pamiętny poniedziałek – jest zarówno ukoronowaniem stuletnich poszukiwań, jak i początkiem zupełnie nowego rozdziału w badaniach Wszechświata.

ROZDZIAŁ 1

CZASOPRZESTRZENNA PRZYSTAWKA

Joe Cooper ubiera się w skafander kosmiczny NASA i zakłada hełm. Musi mieć zapewnioną dostawę tlenu na wypadek, gdyby coś poszło nie tak podczas startu. Technicy pomagają mu wejść na pokład statku zamontowanego na wysokiej rakiecie. Przez odbiornik radiowy w hełmie słyszy odliczanie końcowe i czuje, jak adrenalina zaczyna buzować mu w żyłach. Cooper nie jest mięczakiem, ale wystrzelenie w przestrzeń kosmiczną na słupie ognia zawsze wytrącało go trochę z równowagi.

Po chwili jest już w drodze razem z trzema towarzyszącymi mu astronautami. Wszystko idzie gładko. Za niewielkim oknem ich pojazdu błękit nieba zmienia się w czerń kosmicznej pustki. Silniki milkną i pojawia się nieważkość. Teraz muszą jeszcze tylko dogonić olbrzymi statek kosmiczny okrążający Ziemię z prędkością ponad 8 kilometrów na sekundę i do niego przycumować. Łatwizna.

Można by sądzić, że jest to opis typowej wyprawy do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej na pokładzie rosyjskiego statku Sojuz. Nic nowego… ale czy na pewno? Przecież nikt nigdy nie słyszał o astronaucie z NASA o nazwisku Joe Cooper, prawda? A poza tym Cooperowi nie mogło towarzyszyć trzech innych śmiałków. Jak potwierdzi każdy astronauta, Sojuz jest zbyt mały, by mogły się w nim zmieścić cztery osoby – nawet w trójkę jest tam bardzo ciasno.

Wtedy słyszymy dalszą część opowieści: statek, do którego mają przycumować, nosi nazwę Endurance i w niczym nie przypomina Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Później astronauci lecą statkiem Endurance do Saturna, przelatują przez tunel czasoprzestrzenny do innej galaktyki, krążą po orbicie wokół gigantycznej czarnej dziury o nazwie Gargantua i odwiedzają obce planety. Cooper wpada nawet do hiperprzestrzeni. Niewątpliwie coś tu nie pasuje.

Opis ten został zaczerpnięty z hollywoodzkiego przeboju kinowego z 2014 roku zatytułowanego Interstellar i wyreżyserowanego przez Christophera Nolana, w którym w rolę astronauty Coopera wcielił się znany aktor Matthew McConaughey. Jeśli jesteś, drogi Czytelniku, prawdziwym fanem opowieści kosmicznych, to być może nawet od razu rozpoznałeś nazwisko Joego Coopera. Niewykluczone też, że widziałeś Interstellar więcej razy niż ja. To jest naprawdę wspaniały film1.

Jedną z rzeczy, które odróżniają Interstellar od innych filmów fantastycznonaukowych, jest lista nazwisk producentów. Znajdziemy na niej Jordana Goldberga (Batman, Incepcja), Jake’a Myersa (Zjawa) i Thomasa Tulla (Jurassic World). No i figuruje tam jeszcze nazwisko Kipa Thorne’a, emerytowanego profesora fizyki teoretycznej z Politechniki Kalifornijskiej w Pasadenie. Nieczęsto się zdarza, by fizycy teoretycy dorabiali sobie na boku jako producenci filmowi.

Czego można się spodziewać, gdy uczony angażuje się w produkcję filmu fantastycznonaukowego? Należy mieć nadzieję, że nauka zostanie przedstawiona w takim filmie w sposób odpowiadający prawdzie. I tak się rzeczywiście stało, i to w stopniu większym, niż można było oczekiwać. Thorne uczestniczył w tworzeniu fabuły. Objaśniał astronomię i ogólną teorię względności scenarzyście, reżyserowi, specjalistom od efektów specjalnych i aktorom. Napisał nawet na tablicy równania dla filmowego profesora Johna Branda (granego przez Michaela Caine’a). Niestety, sam Thorne nie pojawia się w filmie. Można się tylko pocieszać, że KIPP, jeden z robotów, został najwyraźniej nazwany tak na jego cześć.

Trudno byłoby znaleźć kogoś lepiej przygotowanego niż Kip Thorne do roli doradcy naukowego w filmie o czarnych dziurach. Jeśli w ogóle istnieje ktoś, kto rozumie dziwaczne własności czasoprzestrzeni, to tą osobą jest właśnie on. W 1990 roku wygrał nawet ze swoim brytyjskim kolegą i przyjacielem Stephenem Hawkingiem zakład sprzed piętnastu lat o prawdziwą naturę astronomicznego źródła promieniowania rentgenowskiego znanego jako Cygnus X-1. (Nagroda: roczna prenumerata magazynu „Penthouse”). Jego książka z 1994 roku, zatytułowana Czarne dziury i krzywizny czasu, osiągnęła w Stanach Zjednoczonych status bestsellera.

Na początku 2016 roku nazwisko Thorne’a znowu było na ustach wszystkich. Jedenastego lutego uczeni ogłosili, że po raz pierwszy w historii udało im się wykryć bezpośrednio fale grawitacyjne. W odległym zakątku Wszechświata doszło do zderzenia i połączenia się ze sobą dwóch czarnych dziur. Kolizja ta wytworzyła zaburzenia przemieszczające się w czasoprzestrzeni. Po pokonaniu ponad miliarda lat świetlnych fale te dotarły do Ziemi 14 września 2015 roku. Dwa olbrzymie detektory LIGO działające w Stanach Zjednoczonych zarejestrowały nieznaczne drżenie. Pomysł ich budowy narodził się w głowie Thorne’a i jego kolegów, fizyków Rainera Weissa i Ronalda Drevera.

*   *   *

Nikt jeszcze nie widział czarnej dziury z bliska. Nie wiadomo też, czy tunele czasoprzestrzenne naprawdę istnieją. Fale grawitacyjne są o wiele za słabe, by można je było zauważyć bez niezwykle czułych przyrządów. Zakrzywienie czasoprzestrzeni, spowolnienie czasu – pojęcia te są zbyt skomplikowane i całkowicie oderwane od wszystkiego, z czym mamy do czynienia na co dzień. Aby naprawdę zrozumieć te zjawiska, trzeba dobrze poznać ogólną teorię względności Alberta Einsteina.

Warto tu przytoczyć pewną znaną anegdotę o angielskim astronomie Arthurze Stanleyu Eddingtonie. Na początku XX wieku Eddington był jednym z największych popularyzatorów nowej teorii Einsteina dotyczącej czasoprzestrzeni – spotkamy się z nim ponownie w rozdziale 3. Po jednym z wykładów pada z sali pytanie:

– Profesorze Eddington, czy to prawda, że tylko trzech ludzi na świecie naprawdę rozumie ogólną teorię względności?

Eddington jest najwyraźniej zaskoczony usłyszanym pytaniem.

– Ciekawe, kto jest tą trzecią osobą… – odpowiada po chwili zastanowienia.

Oczywiście teoria Einsteina nie jest aż tak trudna. Dziesiątki tysięcy fizyków na całym świecie rozumieją jej podstawy. Z drugiej jednak strony, nieustannie pojawiają się nowe koncepcje teoretyczne, szczególnie w kontekście zjawisk związanych z czarnymi dziurami, w których ważną rolę zaczynają odkrywać efekty kwantowe. Mamy chociażby wysuniętą przez Stephena Hawkinga teorię parowania czarnych dziur, tunele czasoprzestrzenne Kipa Thorne’a, zasadę holograficzną Gerarda ’t Hoofta i ścianę ognia Leonarda Susskinda.

Nie będziemy się tu wdawać w wyjaśnianie szczegółów tych koncepcji, ale jeśli najtęższe umysły naszych czasów wciąż wysnuwają nowe, zaskakujące wnioski (i bezustannie się na ich temat spierają), to nie ulega wątpliwości, że wciąż nie udaje im się zrozumieć teorii Einsteina w całej jej rozciągłości. Wymienione tu przykłady to tylko kilka mniej abstrakcyjnych koncepcji. W czasopiśmie „Physical Review Letters” ukazują się również artykuły na temat jedenastowymiarowej czasoprzestrzeni, podróży w czasie i multiwszechświata. A można by pomyśleć, że scenariusz filmu Interstellar jest naciągany…

Może właśnie dlatego tak wielu ludzi interesuje się tymi sprawami, choć mogłoby się wydawać, że jest to wiedza dość bezużyteczna. Nie trzeba niczego wiedzieć o czarnych dziurach, żeby ubiegać się o urząd prezydenta, a fale grawitacyjne nie pomogą nam w rozwiązaniu problemu globalnego ocieplenia. Możemy spokojnie przeżyć całe życie, nie zastanawiając się ani przez chwilę nad ogólną teorią względności. (Jest pewien interesujący wyjątek, ale poczekam z jego omówieniem do rozdziału 3). Mimo to jest to fascynująca i intrygująca teoria, która pozwala nam popuścić wodze fantazji. Może to jest już wystarczający powód, by się nią zajmować.

Co więcej, ogólna teoria względności wyjaśnia, jak działa świat na najbardziej podstawowym poziomie. A przecież to właśnie potrzeba zrozumienia naszego świata jest jedną z tych rzeczy, które odróżniają nas od innych zwierząt, prawda?

Szczerze mówiąc, przez wiele tysięcy lat dość kiepsko radziliśmy sobie z rozumieniem świata. Pierwsze społeczeństwa rolnicze pojawiły się około 12 tysięcy lat temu na Bliskim Wschodzie. W tamtych czasach ludzie doskonale zdawali sobie sprawę z cykliczności ruchu Słońca i Księżyca. Dostrzegali wzory w ułożeniu gwiazd. Zauważyli nawet, że niektóre jasne gwiazdy powoli przesuwają się względem gwiazdozbiorów. Ale to było mniej więcej wszystko. Nie mieli pojęcia, jaka jest prawdziwa natura ciał niebieskich. Nie czuli nawet potrzeby, by się tego dowiedzieć. Słońce, Księżyc i planety były uważane za bóstwa przebywające ponad naszym codziennym światem.

Nic się specjalnie nie zmieniło w tym względzie aż do czasów wielkich greckich filozofów, którzy żyli około 2500 lat temu. Oznacza to, że przez 9500 lat – przez wiele setek pokoleń – nie dokonano istotnego postępu. Gdybyśmy zmieścili 12 tysięcy lat naszej historii w jednej dwudziestoczterogodzinnej dobie rozpoczynającej się o północy, to w chwili gdy Arystoteles przedstawił pierwszy model Wszechświata składający się z zagnieżdżonych w sobie kryształowych sfer, byłoby już po 19:00. Nasi przodkowie mieli odpowiednie zdolności umysłowe – w końcu byli Homo sapiens tak samo, jak my. Po prostu specjalnie ich to nie obchodziło.

Greków natomiast bardzo to wszystko interesowało. Doszli do poprawnego wniosku, że Ziemia jest okrągła. Wyznaczyli nawet jej obwód z zadziwiająco dużą dokładnością. (Autorzy niektórych podręczników wciąż próbują nam wmówić, że to Krzysztof Kolumb był pierwszym człowiekiem, który odkrył prawdziwy kształt Ziemi, ale to jest oczywiście nieprawda). I choć Grecy wciąż nie wiedzieli, czym w istocie są Słońce, Księżyc, planety czy gwiazdy, to przynajmniej próbowali zrozumieć skomplikowany ruch tych obiektów.

Ukoronowaniem tych wysiłków był geocentryczny obraz świata opracowany przez Klaudiusza Ptolemeusza, który żył mniej więcej 19 stuleci temu na terenie dzisiejszego północnego Egiptu. (Na naszej dwudziestoczterogodzinnej skali czasu, liczonej od momentu wykształcenia się rolnictwa, byłaby to godzina 20:10). Jak można się domyślać z jego nazwy, w modelu Ptolemeusza Ziemia zajmowała poczesne miejsce w samym jego środku. Słońce, Księżyc i planety krążyły wokół niej po skomplikowanych układach głównych i drugorzędnych orbit. Teoria Ptolemeusza zdołała nawet wyjaśnić, dlaczego czasami wydaje się, że planety poruszają się w kierunku wstecznym.

Niezła koncepcja, ale niestety błędna. Musiały upłynąć całe wieki, zanim ludzie zorientowali się, że coś tu nie pasuje. Nastąpiło to dopiero w 1543 roku – czyli tuż po godzinie 23:00 na naszej skondensowanej skali czasowej – gdy polski astronom Mikołaj Kopernik ogłosił swój heliocentryczny obraz świata, w którego środku umieścił Słońce, a nie Ziemię. Przez większą część minionych 12 tysięcy lat poznawanie otaczającego nas świata było procesem toczącym się w prawdziwie żółwim tempie.

Jednak wkrótce po ogłoszeniu koncepcji Kopernika wypadki potoczyły się szybciej. Uczeni odkryli, że księga przyrody jest napisana w języku matematyki, jak ładnie ujął to włoski fizyk Galileusz, który zajmował się badaniem ruchu ciał. Galileusz opisywał swoje odkrycia za pomocą równań matematycznych i udowodnił, że Arystoteles mylił się w kwestii kilku przyjętych przez siebie założeń. Wkrótce potem działający w Niemczech astronom Johannes Kepler sformułował swoje słynne prawa ruchu planet.

Co to ma wspólnego z czarnymi dziurami, falami grawitacyjnymi i tajemnicami czasoprzestrzeni? Wszystko. Kopernik, Galileusz i Kepler położyli podwaliny pod prawo powszechnego ciążenia Isaaca Newtona, ogłoszone w 1687 roku, a ogólna teoria względności Alberta Einsteina – teoria leżąca u podstaw scenariusza filmu Interstellar – zastąpiła później stare idee Newtona. Nasza wiedza o świecie może się poszerzać tylko dzięki temu, że rozwijamy prace naszych poprzedników, bazując na ich dokonaniach. Kryształowe sfery Arystotelesa i tunele czasoprzestrzenne Kipa Thorne’a są ze sobą połączone jednym długim ciągiem genialnych pomysłów i odkryć.

Na początku XVII stulecia doszło do jeszcze innego ważnego przełomu – nastąpiła rewolucja w konstrukcji przyrządów naukowych. Holenderski optyk Hans Lippershey wynalazł wtedy teleskop, ale pionierem w wykorzystaniu nowego przyrządu okazał się Galileusz, który odkrył kratery i góry na Księżycu, ciemne plamy na Słońcu, satelity Jowisza i niezliczone gwiazdy Drogi Mlecznej. W końcu, dzięki konstrukcji coraz większych teleskopów, udało nam się odkryć układy podwójne gwiazd, planetoidy, mgławice, galaktyki – i oczywiście czarne dziury. Bez teleskopu astronomia wciąż byłaby w powijakach.

*   *   *

Wybierzmy się na krótką wirtualną wyprawę w kosmos, aby się upewnić, że dobrze wszystko rozumiemy na ogólnym poziomie.

Ziemia jest planetą krążącą wokół Słońca w towarzystwie siedmiu innych planet. Cztery planety Układu Słonecznego znajdujące się najbliżej jego środka (Merkury, Wenus, Ziemia, Mars) są naprawdę małe i zbudowane z metali i skał. Cztery planety zewnętrzne (Jowisz, Saturn, Uran i Neptun) są natomiast dużo większe i zbudowane głównie z gazu i lodu. Między orbitami Marsa i Jowisza znajduje się pas planetoid – skalistych szczątków pozostałych po okresie tworzenia się Układu Słonecznego. Za Neptunem rozciąga się kolejny pas szczątków, głównie lodowych kul i planet karłowatych, z których największą jest Pluton.

Spoglądając w niebo w ciągu dnia, zobaczymy na nim ogromną kulę świecącego gazu, czyli Słońce, które jest jedynym źródłem światła i ciepła dla planet Układu Słonecznego. Gdy spojrzymy w górę w nocy, ujrzymy tysiące innych słońc, czyli gwiazd. Wydają się małe, słabo świecące i zimne, ale wynika to jedynie z tego, że znajdują się naprawdę daleko od nas. Gdybyśmy umieścili Słońce w podobnej odległości, stałoby się kolejną maleńką kropką światła.

W rozdziale 5 powiemy znacznie więcej na temat gwiazd. Na razie wystarczy, jeśli zapamiętamy, że każda gwiazda jest słońcem i większość z nich ma najprawdopodobniej własne rodziny planet. Prawdę mówiąc, w chwili gdy piszę te słowa, uczonym udało się już odkryć ponad 3000 planet pozasłonecznych.

Bardzo żałuję, że nie możemy tam polecieć i obejrzeć tego wszystkiego z bliska, ale niestety nie będzie to możliwe w dającej się przewidzieć przyszłości. Nawet światło, przemieszczające się z prędkością 300 tysięcy kilometrów na sekundę, potrzebuje 4,3 roku, by dotrzeć ze Słońca do najbliższej gwiazdy, Proximy Centauri. Właśnie dlatego astronomowie mówią, że Proxima Centauri znajduje się w odległości 4,3 roku świetlnego. (Jeden rok świetlny wynosi 300 000 × 60 × 60 × 24 × 365,25 kilometrów. To jest prawie 9,5 biliona kilometrów).

Czy próbowałeś, drogi Czytelniku, policzyć kiedykolwiek gwiazdy na nocnym niebie? Gołym okiem możesz zobaczyć ich kilka tysięcy, w zależności od tego, jak ciemne jest niebo w twojej okolicy. Większość z nich znajduje się w odległości od kilkudziesięciu do kilkuset lat świetlnych, co dla większości z nas jest niewyobrażalnie dużą odległością, ale dla astronomów to dość blisko, w naszym bezpośrednim kosmicznym sąsiedztwie.

Zdecydowana większość gwiazd Drogi Mlecznej znajduje się znacznie dalej. Aby je zobaczyć, trzeba się posłużyć teleskopem. Występują w różnych barwach i rozmiarach, a ich nazwy – czerwone karły, białe karły, żółte podolbrzymy, błękitne nadolbrzymy – przywodzą na myśl mieszkańców bajkowego lasu. Jest ich naprawdę dużo. Astronomowie uważają obecnie, że Droga Mleczna zawiera kilkaset miliardów gwiazd. Jedną z nich jest Słońce.

To jeszcze nie wszystko. Droga Mleczna nie jest jedyną galaktyką, jaka istnieje. Wszechświat jest wypełniony innymi tego typu obiektami. Znajdziemy w nim wielkie majestatyczne galaktyki spiralne, takie jak Droga Mleczna i Galaktyka Andromedy, ogromne eliptyczne skupiska starych gwiazd, małe nieregularne galaktyki karłowate – słowem, niezwykłą różnorodność i ogromną liczbę galaktyk rozsianych w obszarze o średnicy wielu miliardów lat świetlnych.

W grudniu 1995 roku astronomowie po raz pierwszy w historii skierowali Kosmiczny Teleskop Hubble’a na niewielki, pozornie pusty obszar nieba. Zostawili otwartą przysłonę aparatu przez dziesięć dni z rzędu. Tak uzyskali zapierające dech w piersiach zdjęcie ponad tysiąca słabych, odległych galaktyk na obszarze, który można zasłonić główką szpilki trzymanej na odległość wyciągniętej ręki. Gdyby spojrzeli na obszar o średnicy główki od szpilki położony trochę bardziej w lewo lub w prawo, dostrzegliby kolejny tysiąc odległych galaktyk.

Obecnie wiemy, że obserwowalny wszechświat jest ogromny, ciemny, zimny i pusty. W pustce tej rozsianych jest około 2 bilionów galaktyk pogrupowanych w skupiska i gromady. Co powinniśmy zrobić, gdybyśmy się znaleźli gdzieś w głębi kosmosu i chcieli odnaleźć drogę do domu? Na pewno musielibyśmy mieć do dyspozycji niewiarygodnie dokładny system nawigacyjny, bo na kosmicznych autostradach nie ma żadnych drogowskazów. Dużo łatwiejsze byłoby znalezienie przysłowiowej igły w stogu siana.

Wyobraźmy sobie, że w końcu udało nam się odnaleźć Drogę Mleczną. Zatrzymajmy się na chwilę, by nacieszyć oczy jej widokiem. Kilkaset miliardów słońc ułożonych w kształt pięknych ramion spiralnych pośród gromad gwiazd, jasnych mgławic i ciemnych obłoków pyłu. I tylko jedno z nich – dość niepozorna, przeciętna gwiazda – jest naszym Słońcem. Wiedzie swoje życie na jednym ze spokojnych przedmieść Drogi Mlecznej, na wewnętrznej krawędzi jednego z ramion spiralnych, gdzie przez większość czasu zupełnie nic się nie dzieje.

Wokół tej niewielkiej plamki światła krąży osiem mikroskopijnych planet. Jedną z czterech najmniejszych jest Ziemia. Właśnie na tym pyłku kurzu kilkaset lat temu istoty ludzkie zaczęły odkrywać tajemnice Wszechświata.

A przynajmniej próbują.

Świadomość tego faktu uczy nas pokory. Znalezienie Homo sapiens w bezkresnym ogromie przestrzeni kosmicznej jest niemal niemożliwe. W dodatku pojawiliśmy się na kosmicznej scenie stosunkowo niedawno.

Doskonale oddaje to proste porównanie. Przypuśćmy, że całą historię Wszechświata spisano w czternastotomowej encyklopedii. Czternaście grubych tomów, a w każdym tysiąc stron zapisanych drobną czcionką. Opis Wielkiego Wybuchu znalazłby się w pierwszej linii na pierwszej stronie tomu I. Relacja z powstania pierwszych gwiazd i galaktyk byłaby mniej więcej w połowie tomu I. Narodziny Słońca i Układu Słonecznego byłyby opisane dopiero w tomie X. Opowieść o wymarciu dinozaurów znaleźlibyśmy na stronie 935 tomu XIV. Gatunek Homo sapiens pojawiłby się na stronie 1000, mniej więcej w jednej piątej wysokości od jej końca. Całe nasze dzieje zawarte w przekazach historycznych musiałyby się zmieścić w drugiej połowie ostatniej linii.

*   *   *

Spojrzenie na świat oczami astronoma jest tylko jednym z wielu możliwych sposobów jego zrozumienia. Fizycy zasugerowaliby zapewne inne podejście: zamiast po prostu opisywać wszystko, co widzimy (galaktyki, gwiazdy, planety), powinniśmy ustalić, z czego to wszystko jest zbudowane i jak działa.

Wyobraźmy sobie, że astronom i fizyk dostali za zadanie przeprowadzenie analizy Władcy pierścieni J.R.R. Tolkiena. Astronom skupiłby się na scharakteryzowaniu opowieści zapisanej na kartach trylogii, jej bohaterów, znaczenia metafor, stylu literackiego i tak dalej. Fizyk przedstawiłby natomiast analizę alfabetu, częstości występowania poszczególnych liter, reguł interpunkcji i gramatyki.

Ale czyż wyniki takiej analizy nie byłyby takie same w przypadku wielu zupełnie innych książek?

– Tak! – wykrzyknąłby zachwycony fizyk.

Właśnie to jest w takim podejściu najlepsze. Nie musimy zajmować się wszystkimi różnorodnymi szczegółami. Możemy skupić uwagę na poszukiwaniu wspólnych podstaw, by jak najlepiej zrozumieć badane zjawisko. Oczywiście oba podejścia mają swoje wady i zalety. Tak naprawdę wzajemnie się uzupełniają.

Zatem, tak jak każda możliwa książka składa się niewielkiej liczby różnych liter i musi przestrzegać zasad gramatyki, tak wszystkie obiekty we Wszechświecie składają się niewielkiej liczby cząstek elementarnych oddziałujących ze sobą za pośrednictwem podstawowych sił przyrody.

Zaskakujące jest to, że otaczający nas świat – szpilki, ludzie, planety i protogromady – zbudowany jest tylko z trzech rodzajów cząstek elementarnych: kwarków górnych, dolnych i elektronów. Podobnie jak litery można układać w słowa, zdania, akapity i książki, tak te trzy cząstki mogą tworzyć atomy, cząsteczki, związki chemiczne i dosłownie wszystko, co tylko możemy sobie wyobrazić.

Jeśli chodzi o podstawowe siły przyrody, to fizycy odkryli ich tylko cztery. Dwie z nich działają na bardzo małych odległościach i mają znaczenie wyłącznie w skali jądra atomowego. Właśnie dlatego nazywamy je silnym i słabym oddziaływaniem jądrowym. Wpływ pozostałych dwóch – elektromagnetyzmu i grawitacji – jest odczuwalny na dużych odległościach, o czym może się przekonać każdy, kto kiedykolwiek zapalił żarówkę lub upuścił szklankę.

Pomijam tu naprawdę wiele szczegółów. Neutrina, niestabilne cząstki elementarne, antymaterię, cząstki przenoszące oddziaływania, słynne bozony Higgsa, ciemną materię, cząstki supersymetryczne, tetrakwarki, hipotetyczną piątą siłę – tę listę można by ciągnąć dalej. Każdy, kogo to interesuje, może zajrzeć do jednej z wielu książek popularnonaukowych poświęconych fizyce cząstek, więc nie będę się tu zagłębiał w tę tematykę, choć w dalszej części książki powrócę jeszcze do neutrin i ciemnej materii.

Dla naszej opowieści o czasoprzestrzeni i falach grawitacyjnych duże znaczenie ma jeden szczegół, a mianowicie: niezwykłość grawitacji. Efekty jej działania są nam wszystkim dobrze znane, ale tak się składa, że grawitacja zachowuje się zupełnie inaczej niż pozostałe podstawowe siły przyrody. Albert Einstein doszedł do wniosku, że powodem tego jest ścisły związek łączący grawitację z przestrzenią i czasem.

Ciekawe, czy udałoby się to wyjaśnić Isaacowi Newtonowi. Oczywiście Newton nigdy nie dowiedział się, jaka jest prawdziwa natura grawitacji. Wyprowadził jedynie uniwersalny wzór, który trafnie opisuje siłę przyciągającą działającą między dwoma ciałami umieszczonymi w pewnej odległości. Jak większość jemu współczesnych uważał, że przestrzeń i czas są pojęciami niezależnymi i absolutnymi.

Prawdę mówiąc, wyobrażenie Newtona o przestrzeni i czasie w dużej mierze zgadza się z naszym intuicyjnym wyczuciem. Przestrzeń po prostu istnieje – jest trójwymiarową nicością rozciągającą się bez kresu we wszystkich kierunkach. Dowolne ciało (na przykład cząstka elementarna lub planeta) może trwać w bezruchu w pewnym położeniu w przestrzeni lub przemieszczać się z jednego miejsca w inne. Jeśli wybierzemy jakiś określony punkt odniesienia, to będziemy mogli opisać wszystkie pozostałe miejsca, podając jedynie trzy współrzędne. Wychodząc od naszego punktu odniesienia, te trzy liczby mówią nam, jak daleko musimy pójść do przodu lub do tyłu, w lewo lub w prawo i do góry lub na dół, by dotrzeć do wybranego miejsca. Przestrzeń przypomina trójwymiarowy wykres na papierze. Jest pustym, niezmiennym tłem, na którym rozgrywają się wszystkie zdarzenia we Wszechświecie.

A czas? Wyobrażamy sobie, że jakiś zegar natury odlicza chwile składające się na każdy kolejny dzień i wszystkie sekundy, jakie upłynęły od narodzin Wszechświata. Czas jest absolutnym, niezawodnym metronomem kosmosu, który znakuje każde zdarzenie niepowtarzalnym stemplem z dokładną datą i godziną. Och, i jeszcze jedno: czas jest jednowymiarowy. Jeśli uznamy, że jakaś konkretna chwila będzie naszym punktem odniesienia, to wystarczy nam jedna liczba, by określić czas, w którym zachodzi dowolne inne wydarzenie.

Jestem przekonany, że nikt nie ma kłopotów z wyobrażeniem sobie przestrzeni i czasu w taki sposób, jak czynił to Newton. Takie myślenie o nich przychodzi nam zupełnie naturalnie. Ludzki mózg jest skonstruowany w sposób odpowiedni do wymyślenia takiego praktycznego obrazu tych pojęć.

Niestety, jest to obraz błędny.

Einstein udowodnił, że przestrzeń i czas są ze sobą powiązane. W rzeczywistości trójwymiarowa przestrzeń i jednowymiarowy czas splatają się ze sobą, tworząc czterowymiarową czasoprzestrzeń.

Einstein wykazał również, że przestrzeń i czas nie są wielkościami absolutnymi, lecz względnymi. Oczywiście właśnie dlatego jego rewolucyjna teoria nosi nazwę teorii względności. Ile wynosi odległość między dwoma punktami w przestrzeni? To zależy od tego, kogo o to spytamy. Dla kogoś, kto podróżuje z prędkością wynoszącą połowę prędkości światła, odległość między dwoma wybranymi punktami w przestrzeni będzie znacznie mniejsza niż dla kogoś, kto znajduje się w spoczynku (to znaczy w spoczynku względem obu tych punktów). Tak samo jest w przypadku czasu, jaki upływa między dwoma zdarzeniami. Im szybciej się ktoś porusza, tym wolniej chodzi jego zegar. Jedynym, co pozostaje niezmienne – takie samo dla wszystkich obserwatorów, niezależnie od ich ruchu – jest czterowymiarowa odległość między dwoma zdarzeniami (dwoma miejscami) w czasoprzestrzeni.

I wreszcie, Einstein pokazał, że masa (a także energia) wywiera wpływ na czterowymiarową czasoprzestrzeń. Pod wpływem masywnych obiektów, takich jak gwiazdy lub czarne dziury, linie proste ulegają niewielkiemu zakrzywieniu. (W przypadku mniejszych i lżejszych obiektów – planetoid czy jabłek – efekt ten jest zaniedbywalnie mały). Skutek tego jest taki, że wszystko, co normalnie poruszałoby się po linii prostej, na przykład promień światła lub planeta, w obecności masywnego ciała zaczyna się poruszać po torze zakrzywionym. To, co odbieramy jako grawitację, jest tak naprawdę zjawiskiem wynikającym z wpływu zakrzywienia czasoprzestrzeni na ruch innych ciał. A skoro mówimy o zakrzywieniu czasoprzestrzeni, to należy się również spodziewać, że masywne ciała będą wpływać na bieg czasu – gdybyśmy zbliżali się do czarnej dziury, to nasz zegar chodziłby coraz wolniej.

Jeśli ktoś sądzi, że wszystko to są jakieś bzdury, to niech spyta Joego Coopera, fikcyjnego astronautę z filmu Interstellar. Razem z dwoma członkami załogi, Amelią Brand i Doyle’em, Cooper spędził zaledwie kilka godzin na powierzchni planety Miller, która krąży po orbicie wokół czarnej dziury o nazwie Gargantua. Ponieważ planeta ta krąży tak blisko czarnej dziury, czasoprzestrzeń ulega tam silnemu zakrzywieniu i czas płynie na jej powierzchni w żółwim tempie. Gdy Cooper, Brand i Doyle powrócili na pokład Endurance’a, Nikolai Romilly, czwarty członek załogi, postarzał się o dwadzieścia trzy lata.

Silne zakrzywienie czasoprzestrzeni jest również wyraźnie widoczne, gdy popatrzy się na samą Gargantuę. Czarną dziurę otacza wokół równika płaski dysk rozpalonego do białości gazu, który wpada stopniowo do środka. W normalnych okolicznościach spodziewalibyśmy się, że zobaczymy tylko jedną stronę tego dysku, bo przecież jego tylna część przebiega za czarną dziurą. Jednak na skutek zakrzywienia czasoprzestrzeni światło z tylnej strony ulega zakrzywieniu i obiega Gargantuę dookoła. W efekcie wydaje się nam, że całą czarną dziurę otacza jasny pierścień.

Myślę sobie, że czasami Kip Thorne musiał irytować swoimi uwagami specjalistów od efektów specjalnych i animacji komputerowych z londyńskiej firmy Double Negative, która miała za zadanie przekształcić jego równania czasoprzestrzenne w zapierające dech w piersiach zdjęcia. Niekiedy fizyk z Caltechu musiał dawać za wygraną i godzić się na pewne odstępstwa od poprawnego, naukowego obrazu. Jak opisuje Thorne w swojej książce z 2014 roku Interstellar i nauka, reżyser Christopher Nolan nie chciał, żeby przeciętny widz kinowy poczuł się za bardzo zbity z tropu. Jednak w ostatecznym rozrachunku Thorne był bardzo zadowolony. „Gdy zobaczyłem te obrazy, byłem wniebowzięty! – pisze. – Po raz pierwszy w historii w hollywoodzkim filmie pokazano czarną dziurę i jej dysk akrecyjny tak, jak ujrzeliby ją prawdziwi kosmonauci, gdyby ludzkość opanowała umiejętność podróży międzygwiezdnych”2.

*   *   *

Potrafimy więc opisać i wyobrazić sobie wpływ zakrzywienia czasoprzestrzeni na trajektorie promieni światła i upływ czasu. Czy moglibyśmy jednak wyobrazić sobie jakoś ten czterowymiarowy twór, nie mówiąc już o jego krzywiźnie?

W 1916 roku Albert Einstein napisał niedużą książeczkę o swojej nowej teorii, zatytułowaną po prostu Über die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie (O szczególnej i ogólnej teorii względności)3. Później również inni uczeni pisali książki o teorii względności. Jedną z najbardziej zabawnych jest Pan Tompkins w krainie czarów kosmologa George’a Gamowa4. Książka ta jest wciąż wznawiana i bardzo słusznie. Gdy byłem nastolatkiem, pochłonąłem jeszcze inną książkę zatytułowaną A Guided Tour through Space and Time (Wycieczka z przewodnikiem przez przestrzeń i czas) węgierskiej fizyk Evy Fenyo5. A jeśli ktoś naprawdę chce się zagłębić w tę tematykę, to powinien przeczytać imponujące dzieło Kipa Thorne’a, Czarne dziury i krzywizny czasu: zdumiewające dziedzictwo Einsteina6. Jest to gruba książka, liczy ponad 600 stron, ale została napisana tak, by praktycznie każdy mógł ją zrozumieć.

Najczęściej stosowana sztuczka pozwalająca wyobrazić sobie cztery wymiary jest dość prosta – należy po prostu zapomnieć o jednym z nich. Nie chcielibyśmy oczywiście pomijać wymiaru czasowego, ale nic się nie stanie, jeśli poświęcimy jeden z wymiarów przestrzennych. W ten sposób otrzymujemy dwa wymiary przestrzenne i jeden czasowy. Tak skonstruowana czasoprzestrzeń jest trójwymiarowa – a z czymś takim potrafimy już sobie poradzić.

W dwuwymiarowej przestrzeni obiekty mogą się poruszać jedynie do przodu lub do tyłu i w lewo lub w prawo. Nie istnieje pojęcie góry ani dołu. Skupmy więc uwagę na ruchu odbywającym się w dwóch wymiarach na poziomej płaszczyźnie.

Wyobraźmy sobie dwa obiekty przemierzające tę płaszczyznę po linii prostej. Pierwszym z nich jest promień światła jednej z gwiazd, poruszający się z prędkością 300 tysięcy kilometrów na sekundę. Drugim planeta przemieszczająca się w tym samym kierunku, ale z prędkością dziesięć tysięcy razy mniejszą, a więc wynoszącą zaledwie 30 kilometrów na sekundę. Gdy nie działa na nie żaden czynnik zewnętrzny, oba obiekty poruszają się po tej samej linii prostej, choć z zupełnie inną prędkością.

Umieśćmy teraz na tej płaszczyźnie Słońce, ustawiając je w odległości około 150 milionów kilometrów od prostej, po której poruszają się promień światła i planeta. Wiemy, że masa Słońca powoduje odkształcenie czasoprzestrzeni. W wyniku tego zarówno trajektoria promienia światła, jak i tor ruchu planety ulegają zakrzywieniu. Zauważamy jednak coś dziwnego: promień światła wygina się tylko nieznacznie – do zjawiska zakrzywiania światła w pobliżu Słońca powrócimy jeszcze w rozdziale 3 – natomiast tor ruchu planety (nazwijmy ją Ziemią) ulega silniejszemu zakrzywieniu i odkształca się do tego stopnia, że zmienia się w orbitę kołową. Co się dzieje? Skoro oba obiekty reagują na takie samo zakrzywienie, to czy nie powinny poruszać się po tak samo wygiętym torze?

Nie, nie powinny. Wynika to stąd, że mówimy tu o zakrzywionych trajektoriach nie w przestrzeni, ale w czasoprzestrzeni. Jeśli naprawdę chcemy zrozumieć, co się tu dzieje, powinniśmy dodać wymiar czasowy do naszych dwóch wymiarów przestrzennych i rozważać ruch w trójwymiarowej czasoprzestrzeni. W naszym przypadku czas zajął miejsce trzeciego wymiaru przestrzennego (góra – dół). W gruncie rzeczy skonstruowaliśmy w ten sposób nowy trójwymiarowy układ współrzędnych. Na osiach x i y – na płaszczyźnie poziomej – zaznaczmy jednostki co 300 tysięcy kilometrów (co odpowiada odległości pokonywanej przez światło w ciągu jednej sekundy). Na osi pionowej z kolejne jednostki niech będą oddalone od siebie o jedną sekundę.

Przyjrzyjmy się ponownie promieniowi światła w pustej czasoprzestrzeni. W chwili zero znajduje się w jakimś określonym punkcie przestrzeni. Sekundę później pokonuje 300 tysięcy kilometrów w przestrzeni, co stanowi jedną jednostkę na płaszczyźnie poziomej. Równocześnie jednak w trójwymiarowej czasoprzestrzeni przesunął się o jedną jednostkę do góry, bo przecież w tym czasie upłynęła jedna sekunda. Zatem w czasoprzestrzeni promień światła porusza się po prostej nachylonej pod kątem 45 stopni do płaszczyzny poziomej.

Teraz przeanalizujmy ruch Ziemi. W ciągu jednej sekundy pokonuje ona tylko 30 kilometrów. Przebycie w przestrzeni 300 tysięcy kilometrów zabiera jej 10 tysięcy sekund (czyli dwie godziny i prawie czterdzieści siedem minut). Zatem trajektoria Ziemi w trójwymiarowej czasoprzestrzeni (jej linia świata) jest nachylona do płaszczyzny poziomej pod znacznie mniejszym kątem niż tor ruchu promienia światła – kąt ten wynosi około 20 sekund (jedna sekunda kątowa jest równa 1/3600 stopnia). Przypadkowy obserwator stwierdziłby więc, że promień światła porusza się po przekątnej, natomiast planeta przemieszcza się niemal pionowo w górę.

W czasoprzestrzeni linia świata promienia światła poruszającego się z prędkością 300 tysięcy kilometrów na sekundę jest nachylona pod kątem 45 stopni, natomiast linia świata planety przemieszczającej się z prędkością 30 kilometrów na sekundę jest niemal pionowa (górny rysunek, zaznaczone kąty nie zachowują skali). Krzywizna czasoprzestrzeni wywołana obecnością Słońca powoduje nieznaczne tylko zakrzywienie obu linii świata (dolny rysunek), ale gdy zrzutujemy je na współrzędne przestrzenne (płaszczyznę poziomą), to będzie się nam wydawało, że tor ruchu planety ulega silniejszemu zakrzywieniu niż bieg promienia światła.

Wil Tirion.

No dobrze, na razie wszystko jasne. A co się stanie, gdy wstawimy Słońce? W naszym uproszczonym przykładzie Słońce nie porusza się w przestrzeni – jego prędkość wynosi 0 kilometrów na sekundę. Oznacza to, że w trójwymiarowej czasoprzestrzeni przemieszcza się dokładnie pionowo w górę. Masa Słońca powoduje jednak niewielkie odkształcenie czasoprzestrzeni, które sprawia, że linie świata promienia światła i planety ulegają bardzo niewielkiemu zakrzywieniu. Opiszmy, jak to wygląda.

Linia świata promienia światła, przecinająca czasoprzestrzeń po przekątnej, nieznacznie się zakrzywia, ale nie trwa to zbyt długo, ponieważ światło porusza się z dużą prędkością. Już po krótkiej chwili promień światła opuszcza obszar czasoprzestrzeni odkształcony pod wpływem masy Słońca. Tak jak poprzednio, przecina dalej czasoprzestrzeń po linii prostej, nachylonej pod takim samym kątem 45 stopni, choć teraz już w nieco innym kierunku. Po zrzutowaniu jego toru ruchu na płaszczyznę dwuwymiarowej przestrzeni widzimy, że bieg promienia światła uległ niewielkiemu zakrzywieniu.

Ziemia pozostaje natomiast w zakrzywionym obszarze. Nadal porusza się w czasoprzestrzeni po niemal pionowej trajektorii nachylonej do płaszczyzny poziomej pod takim samym kątem wynoszącym 20 sekund. Jednak teraz, pod wpływem zakrzywienia spowodowanego obecnością masywnego Słońca, kierunek tego niewielkiego nachylenia cały czas ulega zmianie. Po upływie prawie 8 milionów sekund (czyli około trzech miesięcy) kierunek nachylenia obraca się o całe 90 stopni. Po zrzutowaniu na dwuwymiarową płaszczyznę przekonujemy się, że planeta pokonała w tym czasie jedną czwartą orbity okołosłonecznej.

Nie jest to jednak wcale duże zakrzywienie! W ciągu 8 milionów sekund planeta przesunęła się w czasoprzestrzeni o 8 milionów jednostek „w górę”. W tym czasie pokonała w przestrzeni zaledwie 236 milionów kilometrów. To mniej niż 800 jednostek na płaszczyźnie poziomej. Bardzo trudno byłoby zauważyć gołym okiem taką krzywiznę trajektorii planety w czasoprzestrzeni – nadal jest to niemal doskonale pionowa linia.

Po upływie roku Ziemia wykonuje jedno pełne okrążenie orbity wokół Słońca, co odpowiada pokonaniu w przestrzeni nieco ponad 940 milionów kilometrów. Przebycie tej odległości zabrało jej jednak 31,5 miliona sekund. Helikalny kształt linii świata Ziemi w czasoprzestrzeni jest niemal niemożliwy do odróżnienia od linii prostej. Wynika to stąd, że Słońce nie ma jakiejś niespotykanie dużej masy i powodowane przez nie zakrzywienie czasoprzestrzeni jest niewielkie. Mimo to, jeśli zapomnimy o wymiarze czasowym i popatrzymy wyłącznie na płaszczyznę dwuwymiarowej przestrzeni, stwierdzimy, że tor ruchu Ziemi jest silnie zakrzywiony, do tego stopnia, że tworzy dobrze nam znaną orbitę kołową. Tymczasem nasz rozpędzony promień światła pokonał już niemal jedną czwartą odległości do najbliższej gwiazdy.

*   *   *

Uświadomienie sobie tego wszystkiego nie jest proste, gdy słyszy się o tym po raz pierwszy – a zauważmy, że nie próbowaliśmy nawet wyobrazić sobie czterowymiarowej czasoprzestrzeni. (Jeśli się pogubiłeś, spróbuj przeczytać jeszcze raz poprzednie strony jutro rano lub za tydzień). Tak czy inaczej, teraz rozumiemy, dlaczego zawodzi nas intuicja, gdy próbujemy zrozumieć dziwne fakty związane z czasoprzestrzenią i ogólną teorią względności.

Zdobyte tu doświadczenie przyda się nam później. Gdy ktoś zajmuje się zderzeniami czarnych dziur, niezwykle silnym zakrzywieniem czasoprzestrzeni i falami grawitacyjnymi, to nie może kierować się własnymi przeczuciami. Musi polegać na obliczeniach komputerowych bazujących na ogólnej teorii względności Alberta Einsteina. Jeśli ufamy Einsteinowi, to musimy przyjąć do wiadomości wyniki tych obliczeń.

To był jeden z powodów, dla których Kip Thorne tak się ucieszył z możliwości uczestniczenia w realizacji filmu Interstellar. Firmy tworzące efekty specjalne, takie jak Double Negative, mają do dyspozycji znacznie potężniejsze komputery niż fizycy w Caltechu. Sekwencje filmowe przygotowane do filmu Nolana są dla uczonych takich jak Thorne źródłem cennych, nowych informacji. Jak sam pisze w książce Interstellar i nauka: „Dla mnie te filmy były niczym dane z eksperymentu: pokazywały rzeczy, których nigdy bym sobie bez nich nie uzmysłowił […]”7.

A co robią uczeni, gdy zdobywają nowe informacje? Oczywiście, piszą artykuły naukowe. Tak samo postąpił również Thorne. W jego przypadku były to dwa artykuły – jeden poświęcony tunelom czasoprzestrzennym z Interstellar, a drugi opisujący gigantyczną czarną dziurę, która w filmie nazywa się Gargantua. Można je znaleźć w internecie. Pierwszy, zatytułowany Visualizing Interstellar’s Wormhole (Wizualizacja tunelu czasoprzestrzennego z Interstellar), ukazał się w prestiżowym czasopiśmie „American Journal of Physics”. Drugi, Gravitational Lensing by Spinning Black Holes in Astrophysics, and in Movie Interstellar (Soczewkowanie grawitacyjne powodowane przez obracające się czarne dziury w astrofizyce i w filmie Interstellar), został wydrukowany w innym poważanym periodyku „Classical and Quantum Gravity”. Współautorami obu prac są Oliver James, Eugénie von Tunzelmann i Paul Franklin. James jest szefem zespołu naukowego w Double Negative, von Tunzelmann kieruje w tej firmie specjalistami od grafiki komputerowej, a Franklin jest współzałożycielem firmy i kierownikiem grupy od efektów specjalnych. To miłe, gdy fizyk teoretyk trafia do internetowej bazy danych o filmach IMDb jako producent wykonawczy, ale równie miło jest, gdy nazwiska ekspertów od efektów specjalnych pojawiają się w serwisie arXiv.org, największym na świecie repozytorium elektronicznym prac naukowych z dziedziny fizyki8.

*   *   *

Thorne musiał jednak pójść na ustępstwo w jednej kwestii. Początkowo miał nadzieję, że w filmie Interstellar pojawią się również fale grawitacyjne – w końcu jest jednym z pomysłodawców projektu LIGO i miał nadzieję, że pierwsze wykrycie tych nieuchwytnych zmarszczek czasoprzestrzeni nastąpi w tym samym roku, w którym film miał trafić na ekrany kin. Niestety, Christopher Nolan uważał, że fale grawitacyjne wprowadziłyby zbyt dużo komplikacji do scenariusza. Tak czy inaczej, pierwsze wykrycie fal grawitacyjnych – GW150914 – nastąpiło dopiero 323 dni po oficjalnej dacie amerykańskiej premiery filmu.

Nie zdziwiłbym się, gdyby Kip Thorne już pracował nad następną jego częścią.

CIĄG DALSZY DOSTĘPNY W PEŁNEJ, PŁATNEJ WERSJI

PEŁNY SPIS TREŚCI:

PRZEDMOWA

WPROWADZENIE

ROZDZIAŁ 1. CZASOPRZESTRZENNA PRZYSTAWKA

ROZDZIAŁ 2. WZGLĘDNIE RZECZ UJMUJĄC

ROZDZIAŁ 3. EINSTEIN WYSTAWIONY NA PRÓBĘ

ROZDZIAŁ 4. ROZMOWY O FALACH I KARCZEMNE UTARCZKI

ROZDZIAŁ 5. ŻYCIE GWIAZD

ROZDZIAŁ 6. ZEGARMISTRZOWSKA PRECYZJA

ROZDZIAŁ 7. PROMIEŃ LASERA

ROZDZIAŁ 8. DROGA DO DOSKONAŁOŚCI

ROZDZIAŁ 9. OPOWIEŚCI O STWORZENIU

ROZDZIAŁ 10. NAUKA W OKOWACH MROZU

ROZDZIAŁ 11. BINGO!

ROZDZIAŁ 12. CZARNA MAGIA

ROZDZIAŁ 13. NANONAUKA

ROZDZIAŁ 14. TO SAMO W INNYM ŚWIETLE

ROZDZIAŁ 15. ODKRYWCY KOSMOSU

ROZDZIAŁ 16. SPRZYJAJĄCE WIATRY DLA OBSERWACJI FAL EINSTEINA

CO SIĘ WYDARZYŁO PO NAPISANIU KSIĄŻKI

DODATEK. OBSERWACJA FAL EINSTEINA POWSTAŁYCH PODCZAS ZDERZENIA GWIAZD NEUTRONOWYCH

LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA

PODZIĘKOWANIA

1 Film Interstellar w reżyserii Christophera Nolana, z Matthew McConaugheyem, Anne Hathaway, Jessicą Chastain i Michaelem Caine’em w rolach głównych, miał swoją polską premierę kinową 7 listopada 2014 roku.

2 Kip Thorne, Interstellar i nauka, przeł. Bogumił Bieniok i Ewa L. Łokas, Prószyński i S-ka, Warszawa 2015, s. 121.

3 Albert Einstein, Über die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg 2009; angielski przekład książki ukazał się pod tytułem Relativity: The Special and the General Theory (Methuan & Co., Londyn 1920).

4 George Gamow, Pan Tompkins w krainie czarów, przeł. Maria J. Hurwic, Prószyński i S-ka, Warszawa 1995.

5 Eva Fenyo, A Guided Tour through Space and Time (Wycieczka z przewodnikiem przez przestrzeń i czas), Prentice-Hall, Upper Saddle River 1959.

6 Kip S. Thorne, Czarne dziury i krzywizny czasu: zdumiewające dziedzictwo Einsteina, przeł. Danuta Czyżewska, Prószyński i S-ka, Warszawa 2004.

7 Kip Thorne, Interstellar i nauka, op. cit., s. 106.

8 Oliver James, Eugenie von Tunzelmann, Paul Franklin, Kip S. Thorne, Visualizing Interstellar’s Wormhole (Wizualizacja tunelu czasoprzestrzennego z Interstellar), „American Journal of Physics” 2016, tom 83, nr 486, doi: 10.1119/1.4916949; Oliver James, Eugenie von Tunzelmann, Paul Franklin, Kip S. Thorne, Gravitational Lensing by Spinning Black Holes in Astrophysics, and in Movie Interstellar (Soczewkowanie grawitacyjne powodowane przez obracające się czarne dziury w astrofizyce i w filmie Interstellar), „Classical and Quantum Gravity” 2015, tom 32, nr 6, doi: 10.1088/0264– 9381/32/6/065001.