Βαρυτικά κύματα: Μια ανακάλυψη συμπαντικών διαστάσεων

Μετά από εκατό χρόνια έχουμε την πλήρη επιβεβαίωση της θεωρίας του Αϊνστάιν, που θα αλλάξει τη ζωή. – 

ΤΟΥ ΑΛΕΚΟΥ ΑΝΑΓΝΩΣΤΑΚΗ – 

Οι δημοσιογράφοι στην αίθουσα άκουγαν αυτό το αξιοπερίεργο τιτίβισμα, τον «ήχο του σύμπαντος». «Αυτό είναι ένα από τα ωραία πράγματα σε αυτό το πείραμα, ότι δεν καταφέραμε μόνο να δούμε το Σύμπαν αλλά και να το ακούσουμε» δήλωνε η Γκαμπριέλα Γκονσάλες, εκπρόσωπος Τύπου του LIGO».
 Η αναγγελία αναφερόταν στην πειραματική επιβεβαίωση, μετά από προσπάθειες 50 ετών, των βαρυτικών κυμάτων που προβλέπει η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας (1916) του Einstein. Ήταν η μόνη, η τελευταία μη πειραματικά επαληθευμένη πρόβλεψη αυτής της θεωρίας. Ο λόγος της καθυστέρησης συνίσταται στο ότι τα βαρυτικά κύματα είναι πολύ ασθενή. Η βαρύτητα, στην οποία οφείλεται η άσκηση της δύναμης του Βάρους, της δύναμης που συγκρατεί τα σώματα στη Γή και τα ουράνια σώματα στις πλανητικές τους τροχιές αποτελεί την πιο ασθενή αλληλεπίδραση στη φύση. Γι’ αυτό και οι αλλαγές στο βαρυτικό πεδίο γίνονται εξαιρετικά δύσκολα αντιληπτές.

Οι φόβοι όμως του Einstein, όπως και άλλων επιφανών επιστημόνων, πως η ανακάλυψη τους είναι αδύνατη γιατί είναι εξαιρετικά ασθενή κύματα, διαψεύδεται. Τα μέχρι πρότινος βαρυτικά κύματα – φαντάσματα αποτελούν πλέον επιβεβαιωμένη πραγματικότητα, εκατό χρόνια από την πρώτη δημοσίευση της Γενικής Σχετικότητας.

Η ανακάλυψη σηματοδοτεί ένα ορόσημο όχι μόνο στην ιστορία της Φυσικής, αλλά στα ίδια τα πεδία εφαρμογής της επιστήμης, ανάλογη για παράδειγμα που έγινε με τη μελέτη και την εφαρμογή των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.

Ας θυμηθούμε.

Οι βάσεις του ηλεκτρισμού τέθηκαν μεταξύ 1740 και 1780 από το Φραγκλίνο (ο οποίος έκανε εκτεταμένη έρευνα στον ηλεκτρισμό, πουλώντας τα υπάρχοντά του) και τον Κουλόμπ. Εκατό χρόνια αργότερα, το 1882, ο Έντισον θα δημιουργούσε τον πρώτο σταθμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, που εξελίχθηκε στη γνωστή γιγαντιαία εταιρία General Electric, στη Νέα Υόρκη, την πρώτη πόλη του κόσμου που θα φωτιζόταν με ηλεκτρισμό. Στην ίδια περίοδο, το 1844, ο Φαραντέυ διατυπώνει την υπόθεση για την ηλεκτρομαγνητική φύση του φωτός. Το 1862, με την εργασία του Μάξγουελ «Περί των φυσικών δυναμικών γραμμών», ο ηλεκτρισμός, ο μαγνητισμός και το φως συνδέθηκαν πλέον ανεπιφύλακτα με τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, τα οποία παράγονται από ηλεκτρικά φορτία που κινούνται μη ομαλά, μπήκαν στη ζωή των ανθρώπων.

Το φως, ορατό και αόρατο, είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα.

Το φώς όμως μεταφέρει εικόνες. Έχει ταυτόχρονα την ικανότητα να ταξιδεύει σε άπειρες, πρακτικά, αποστάσεις στο κενό, αλλά και στον αέρα. Άρα αν μπορούσε να γίνει – και έγινε – ο μεταφορέας και ήχου τότε ο ήχος θα πήγαινε όπου και όσο το φώς.

Αυτά έγιναν.

Και τώρα πλέον οι άνθρωποι μιλούν αναμεταξύ τους βλέποντας ο ένας τον άλλο σε ιλιγγιώδεις αποστάσεις εντός του γήινου ή του διαστημικού χώρου. Ηλεκτρονικά μικροσκόπια διεισδύουν στον μικρόκοσμο. Αναπτύσσονται αυτόδιορθώμενες μηχανές, αυτοματισμοί, μηχανισμοί παρακολούθησης και οπλικά συστήματα ασύλληπτου αυτοματισμού και πρωτοφανούς καταστροφικής ικανότητας. Με το πάτημα ενός κουμπιού στέλνετε όσο χρήμα χρειαστεί από τη μια άκρη του κόσμου ως την άλλη. Ο ήχος και η εικόνα, μουσική, κινηματογράφος, λογοτεχνία, πραγματικές και κατασκευασμένες ειδήσεις, μεταφέρονται παντού.

Η μελέτη, ανάπτυξη και εφαρμογή της θεωρίας των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων οδήγησε στις διαρκώς εξελισσόμενες εκρηκτικές αλλαγές.

Η ζωή άλλαξε, η ζωή αλλάζει.

Και τα βαρυτικά κύματα;

Το σήμα των βαρυτικών κυμάτων καταγράφηκε και από τους δύο ανιχνευτές LIGO που βρίσκονται στις Ηνωμένες Πολιτείες σε απόσταση 3.000 χιλιομέτρων μεταξύ τους.

Οι ανιχνευτές αυτοί (LIGO) είναι δύο πανομοιότυπα συμβολόμετρα λέιζερ, τοποθετημένα το ένα βορειοδυτικά , στην Πολιτεία Ουάσιγκτον, και το άλλο νοτιοανατολικά, στην Πολιτεία Λουιζιάνα.

Ο κάθε ανιχνευτής αποτελείται από δύο σωλήνες μήκους τεσσάρων χιλιομέτρων, κάθετους μεταξύ τους σε σχήμα L, στους οποίους διαδίδεται μια φωτεινή ακτίνα λέιζερ.

Η διέλευση ενός βαρυτικού κύματος σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα, θα προκαλεί την περιοδική παραμόρφωση του χώρου. Άρα το μήκος του ενός σωλήνα θα γίνεται διαδοχικά λίγο μεγαλύτερο και του άλλου λίγο μικρότερο και αντίστροφα.

Επομένως το φώς θα χρειάζεται διαφορετικό χρόνο για να διανύσει τον κάθε σωλήνα, περισσότερο τον μακρύτερο από ό,τι τον κοντύτερο.

Αλλά γιατί αλλάζουν οι διαστάσεις των σωλήνων;

Η θεωρία της σχετικότητας βασίζεται στην αλληλοσχέση, την ενότητα, του χώρου, του χρόνου, της κίνησης με την ύλη. Άρα η έννοια της απόλυτης απόστασης, του απόλυτου χρόνου και της απόλυτης μάζας δεν έχουν πλέον νόημα. Ο χώρος συναρτάται και μεταβάλλεται από την παρουσία μεταβαλλόμενης (κινούμενης) μάζας.

Ο Αϊνστάιν έδειξε στη Γενική Θεωρία της σχετικότητας πως όπως π.χ. ένα τεντωμένο σεντόνι καμπυλώνεται αν τοποθετήσουμε ένα βαρύ αντικείμενο στο κέντρο του και τα ακίνητα σώματα που ήταν στο τεντωμένο σεντόνι κινούνται προς το εσωτερικό της καμπυλότητας, έτσι και ένα σώμα όταν πέσει π.χ. στο βαρυτικό πεδίο της Γης απλώς ακολουθεί την τροχιά που του υπαγορεύει ο καμπυλωμένος πλέον «χώρος». Καμπύλωση που γεννιέται εξ αιτίας της αλληλεπίδρασης των μαζών με το χώρο. Κι έτσι ακόμη και η έννοια της δύναμης εξοβελίζεται, δεν χρειάζεται για να εξηγηθεί η κίνηση του σώματος.

Η βαρύτητα δεν είναι τίποτα άλλο παρά η καμπύλωση του χωροχρόνου γύρω από ένα σώμα.

Οι ερευνητές του πειράματος κατέγραψαν μια απειροελάχιστη μεταβολή στις διαστάσεις των σωλήνων μήκους 4 χιλιομέτρων που είναι τοποθετημένοι κάθετα μεταξύ τους σε σχήμα L. Στο πείραμα, η διαφορά χρόνου που μετρήθηκε κατά τη διάδοση του κύματος στους παραμορφωμένους σωλήνες εξ αιτίας των (αναμενόμενων) βαρυτικών κυμάτων ήταν 7 χιλιοστά του δευτερολέπτου. Το χρονικό αυτό διάστημα είναι απολύτως συμβατό με την ταχύτητα με την οποία ταξιδεύει ένα βαρυτικό κύμα, δηλαδή την ταχύτητα του φωτός.

Το σήμα προήλθε από τη σύγκρουση δυο μαύρων τρυπών, οι οποίες είχαν μάζα περίπου 30 φορές μεγαλύτερη από αυτήν του Ηλίου και σε απόσταση 1,2 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη. Οι μαύρες τρύπες είναι πολύ πυκνές συγκεντρώσεις ύλης, με τόσο τεράστια βαρυτικά πεδία, ώστε για να φύγει ένα σώμα έξω από αυτές, στο διάστημα, χρειάζεται ταχύτητα διαφυγής, ταχύτητα εκτόξευσης, μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός. Αυτό είναι αδύνατο αφού το άπειρο των ταχυτήτων είναι η ταχύτητα του φωτός και επομένως ότι πέφτει σε μια μαύρη τρύπα, ακόμη και το ίδιο το φως, δεν ξαναφεύγει. Αιχμαλωτίζεται σε αυτήν αιώνια με αποτέλεσμα να μην υπάρχει καμία πληροφορία από το εσωτερικό τους.

Οι δυο μαύρες τρύπες λοιπόν βρέθηκαν σε μικρή απόσταση μεταξύ τους, κινήθηκαν σπειροειδώς η μία προς την άλλη, συγκρούσθηκαν και συγχωνεύθηκαν. Η μαύρη τρύπα που προκύπτει μετά τη σύγκρουση του ζεύγους βρίσκεται αρχικά σε μια διαταραγμένη κατάσταση, στη διάρκεια της οποίας ταλαντώνεται έντονα εκπέμποντας βαρυτικά κύματα με χαρακτηριστική συχνότητα.

Η ενέργεια της σύγκρουσης – συγχώνευσης εξαπλώθηκε στο Διάστημα από βαρυτικά κύματα, τα οποία έφθασαν ως τη Γη και τους ανιχνευτές του LIGO.
Οι ερευνητές μετέτρεψαν το σήμα των βαρυτικών κυμάτων σε ηχητικό και έτσι, μπόρεσαν να ακούσουν τον ήχο της κολοσσιαίας σύγκρουσης των δύο μελανών οπών.

«Πάρτε κάτι με διάμετρο περίπου 150 χιλιόμετρα και στριμώξτε μέσα του 30 φορές τη μάζα του Ηλίου, μετά επιταχύνετέ το ώστε να αποκτήσει τη μισή ταχύτητα του φωτός. Τώρα πάρτε άλλο ένα πράγμα με μάζα περίπου 30 φορές όση του Ηλίου και επιταχύνετέ το στη μισή ταχύτητα του φωτός. Ύστερα βάλτε τα δύο αντικείμενα να συγκρουστούν. Αυτό είδαμε εδώ. Δεν το χωράει ο νους» δήλωσε ο Ντέιβιντ Ράιτζε,  εκτελεστικός διευθυντής του LIGO.

Όπως λένε χαρακτηριστικά οι επιστήμονες, εκείνη τη στιγμή όχι μόνο οι σωλήνες του LIGO αλλά ολόκληρη η Γη τεντώθηκε και συρρικνώθηκε ανεπαίσθητα.

Τα βαρυτικά κύματα, όπως κάθε κύμα, μεταφέρουν ενέργεια η οποία «αφαιρείται» από την πηγή που τα εκπέμπει. Με αυτόν εξάλλου τον τρόπο οι επιστήμονες οδηγήθηκαν έμμεσα στην ύπαρξη αυτών των κυμάτων όταν παρατήρησαν ένα ζεύγος αστέρων νετρονίων να χάνει διαρκώς ενέργεια – προφανώς από την εκπομπή κάποιων κυμάτων.

«Η φύση, σημειώνει ο Μαρξ δεν κατασκευάζει μηχανές, ατμομηχανές, σιδηρόδρομους, ηλεκτρικούς τηλέγραφους, αυτόματες κλωστικές μηχανές κ.λπ. Αυτά είναι προϊόντα της ανθρώπινης βιομηχανίας, φυσική ύλη που μετατράπηκε σε όργανο της ανθρώπινης βούλησης πάνω στη φύση, ή της ανθρώπινης δραστηριοποίησης μέσα στη φύση. Είναι όργανα του ανθρώπινου μυαλού δημιουργημένα με το ανθρώπινο χέρι, (είναι) αντικειμενοποιημένη επιστήμη».

Τι μπορεί λοιπόν να σημαίνει για τη ζωή του ανθρώπου αυτή η ανακάλυψη – αντικειμενοποιημένη επιστήμη; Μέχρι τώρα, οι επιστήμονες συνέλεγαν πληροφορίες μόνο μέσω της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, δηλαδή του φωτός.

Τώρα πλέον ανοίγει ο δρόμος, αργά ή γρήγορα, να συλλέγουμε πληροφορίες και από βαρυτικά κύματα.

Τι είδους και πώς;

Κανείς δεν ξέρει ακόμα.

Από την ανακάλυψη του ηλεκτρισμού ως τη φωταγώγηση της Νέας Υόρκης χρειάστηκαν εκατό, περίπου, χρόνια.

Από την «ολοκλήρωση» της μελέτης του ατόμου ως τον υπολογιστή χρειάστηκαν 30 χρόνια.

Η χρονική απόσταση ανάμεσα σε μια θεωρία και στην πρακτική εφαρμογή της κατά κανόνα μειώνεται.

Προς το παρόν και όσο η ευαισθησία των ανιχνευτών θα βελτιώνεται, το ανθρώπινο γένος θα αποκτά πρόσβαση και σε μέχρι τώρα ηλεκτρομαγνητικά «σκοτεινές» ενεργειακές και μαζικές περιοχές του ουρανού. Με ότι αυτό θα συνεπάγεται στις εφαρμογές στη Γη.

Το φως – ηλεκτρομαγνητικό κύμα σε συνδυασμό με τα βαρυτικά κύματα, ηλεκτρομαγνητική και βαρυτική ακτινοβολία μαζί, θα διεισδύουν στο πιο μικρό, στο άτομο και στο κύτταρο, και στο πιο μεγάλο, στο σύμπαν για να φανερώνουν τα κρυμμένα μυστικά τους!
 

Info

Μπιτσάκης, Ευτ. (2008). Η εξέλιξη των θεωριών της Φυσικής, Αθήνα: Εκδόσεις Ζαχαρόπουλος.

Βάρβογλης, Χ. (2016). Σύλληψη επ’ αυτοφώρω! Το Βήμα. [Online]. 14 Φεβρουαρίου. Διαθέσιμο στο: http://www.tovima.gr/science/article/?aid=776415

Γαβρόγλου, Κ. (2004). Το παρελθόν των επιστημών ως Ιστορία, Ηράκλειο: Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης.

Πνιγούρας, Π. (2016). Βαρυτικά κύματα: Νότες του κοσμικού πενταγράμμου. Ριζοσπάστης. [Online]. 14 Φεβρουαρίου. Διαθέσιμο στο:http://www.rizospastis.gr/story.do?id=8778159

http://kommon.gr/viii/487-varytika-kymata-einstein