Pani zakrzywia, Pan zakrzywia, my wszyscy zakrzywiamy. Czasoprzestrzeń. A ten efekt odbieramy jako przyciąganie się wzajemne ciał – grawitację. Tak nas nauczył Albert Einstein i póki co, nic nie wskazuje na to, żeby się mylił.

Zakrzywiamy, bo mamy masę (nie mylić z ciężarem), aczkolwiek nie o tylko o nią w grawitacji chodzi. – Źródłem grawitacji nie jest po prostu masa, tylko ogólniejsze pojęcie: gęstość energii – wyjaśnia astrofizyk, prof. Tomasz Bulik z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego. Gęstość energii może pochodzić z różnych źródeł, takich jak masa, gęstość pola elektrycznego lub magnetycznego. Żeby było lepiej: zakrzywienie przestrzeni również ma swoją gęstość energii i samo w sobie jest źródłem grawitacji.

Prof. Bulik jest od lat zaangażowany w astrofizykę fal grawitacyjnych. W odcinku relacjonuje postępy w tej dziedzinie – a te są spore, bo możemy mówić o rejestrowaniu dziesiątek fal rocznie. Dzięki rozwojowi tej gałęzi astrofizyki będziemy mogli poznać lepiej wnętrza gwiazd neutronowych, a także dowiedzieć się szczegółów z samych początków istnienia Wszechświata. Naukowiec opowiada o planach budowy kolejnych obserwatoriów w falach grawitacyjnych podziemnych, orbitalnych, a nawet umieszczonych na Księżycu.

Usłyszycie też m.in. o grawitonach: hipotetycznych cząstkach analogicznych do fotonów, które jednak zamiast oddziaływania elektromagnetycznego miałyby przenosić oddziaływanie grawitacyjne. Rozmawiamy o tym, czy należy protestować, gdy w szkołach nasze dzieci są uczone grawitacji newtonowskiej, a także o tym, czy i samego Einsteina przyjdzie kiedyś poprawiać.

Jest też sporo pytań (dziękuję!) od Patronów Radia Naukowego, których wcześniej na grupie na FB uprzedzam o planowanych nagraniach. Gorąco polecam!

TRANSKRYPCJA

Tomasz Bulik: Krowa pod Krakowem zakrzywia czasoprzestrzeń, z tym że siła grawitacyjna pochodząca od takiej krowy jest bardzo mała, ale jest bliska mierzalności.

Karolina Głowacka: Krowa, a może jeszcze motyl, kwiat czy cząsteczka? Czy to naprawdę jest tak, że każda, nawet najmniejsza masa zakrzywia czasoprzestrzeń? Czy grawitacja to siła, czy geometria? W tym odcinku dostaniecie zestaw odpowiedzi na temat tego fundamentalnego meblującego nam świat zjawiska. Będzie też o ewentualnej antygrawitacji i nowościach z branży fal grawitacyjnych. Nazywam się Karolina Głowacka, to jest Radio Naukowe. Działamy dzięki wsparciu na patronite.pl/radionaukowe. Bardzo dziękuję i zachęcam do dołączenia. Odcinek numer sto sześćdziesiąt dziewięć – zaczynamy.

K.G.: Profesor Tomasz Bulik odwiedził studio Radia Naukowego. Dzień dobry.

T.B.: Dzień dobry.

K.G.: Pan profesor jest astrofizykiem z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego. Jednym z głównych zainteresowań pana profesora jest astrofizyka fal grawitacyjnych. I zarówno o nie, jak i przede wszystkim o grawitację jako taką będę pana wypytywać. Panie profesorze, na początek quiz wielokrotnego wyboru. Grawitacja: a) to przyciąganie wzajemne ciał, b) to jedna z podstawowych sił w fizyce, c) to siła pozorna, bo w istocie to pole, d) jest złudzeniem, e) wszystkie odpowiedzi są poprawne.

T.B.: Chyba e). [śmiech] Ale tak naprawdę jak myślę o grawitacji, to dla mnie jest ona troszeczkę takim dążeniem do wolności dlatego, że jest to dążenie ciał do przebywania w stanie swobodnego spadku i swobodnego poruszania się bez żadnych zewnętrznych wpływów, np. jak jesteśmy tu na Ziemi, to naszym naturalnym stanem byłoby spadanie. I to nasze naturalne beztroskie spadanie jest przerwane przez to, że mamy powierzchnię Ziemi, która nas z tego swobodnego spadku wytrąca.

K.G.: Ale wie pan, z czego ten mój quiz wynika – dlatego, że w zależności od tego, kogo zapytać, dostaniemy inną odpowiedź. Czy jest przyciąganiem wzajemnym ciał? No tego się uczyliśmy. Tylko może przypomnę, znalazłam taki fajny cytat, ciekawe, czy państwo się domyślą, kto go napisał. Uwaga, cytuję, to jest XVII wiek – „Wszystkie ciała niebieskie obdarzone są mocą przyciągania w kierunku swego centrum. Wszystkie ciała niebieskie, w szczególności ciała naszego układu planetarnego oddziałują na siebie wzajemnie”. Kto to był? To nie był Isaac Newton. To był Robert Hooke, jego największy rywal. Zresztą ich wzajemne relacje i inspiracje zasługują na osobną audycję. Natomiast sam Newton w 1687 roku opublikował w Principiach aparat matematyczny, to, jak rozumiał grawitację. I według niego to właśnie przyciąganie wzajemne ciał. Ziemia nas, my do Ziemi. I co, ja do krzesła też, a krzesło do mnie?

T.B.: Oczywiście. Wszystkie ciała – kubek do kubka, stół do stołu, mikrofon do mikrofonu – przyciągają się, natomiast z bardzo niewielką siłą. Dlatego, że grawitacja jest oddziaływaniem, które jest bardzo słabe – jeżeli pomyślimy o dwóch cząstkach elementarnych i o sile, z jaką się przyciągają, czy też na ile to oddziaływanie jest w stanie je przyspieszyć, to jest ono znacznie słabsze niż, powiedzmy, oddziaływanie ich ładunków elektrycznych, jeżeli takowe mają.

K.G.: Czyli to byłaby jedna część odpowiedzi w pewnym przybliżeniu. No ale właśnie, teraz będziemy przechodzić dalej do tych różnych odpowiedzi, które zaproponowałam. Następna to jedna z podstawowych sił w fizyce. Sam pan o tym wspomniał – jedno z podstawowych oddziaływań, to z najsłabszych. No ale usłyszałam też od bardzo poważnego fizyka, że to jest siła pozorna, bo w istocie jest to pole. No to jak w końcu?

T.B.: Jeżeli mówimy o opisie rzeczywistości, to mamy do czynienia z modelami matematycznymi. Te modele mogą być przybliżone i opisywać dane zjawiska na różne sposoby. W miarę jak staramy się opisać dane zjawisko coraz dokładniej, te opisy mogą się zmieniać na tyle, że zazwyczaj w granicy przejścia do poprzedniego modelu są podobne. Oddziaływanie w grawitacji Newtonowskiej, gdzie po prostu przypisujemy ciałom niebieskim, ale też wszystkim masom, taką własność, że przyciągają inne ciała z siłą wprost proporcjonalną do ich masy, jest świetnym opisem, który bardzo dobrze działa, i wiele rzeczy opisuje. Aczkolwiek w pewnym momencie się załamuje, bo pewnych rzeczy nie jest w stanie opisać, np. ruchu peryhelium Merkurego czy też takiego drobnego efektu związanego z tym, że jeżeli rzeczywiście by się tak działo i jeżeli grawitacja byłaby Newtonowska, ale np. miała ograniczenie, że może się rozchodzić tylko z prędkością światła, to nie bylibyśmy przyciągani do Słońca, do jego centrum, tylko do miejsca, gdzie ono było osiem minut temu.

K.G.: Grawitacja jest szybsza niż prędkość światła?

T.B.: Nie, to już wiemy eksperymentalnie. Natomiast, jeżeli weźmiemy pod uwagę efekty drugiego rzędu, które opisuje ogólna teoria względności, to już ta wypadkowa siła jest aktualnie w kierunku centrum Słońca, ale z innego powodu. [śmiech]

K.G.: Widzę, że już mnie pan zabiera na aparat matematyczny. [śmiech]

T.B.: Będę się starał być z tym aparatem dyskretny.

K.G.: Czyli możemy sobie to wyobrażać w ten sposób, że Newton ma rację w pewnym przybliżeniu i ten opis jest prawdziwy w pewnym przybliżeniu, ale właśnie przychodzi nasz Einstein. Stąd ta moja odpowiedź, że to jest złudzenie, w tym sensie, że to nie jest siła, tylko geometria. I to jest coś, co do tej pory mam wrażenie, że wielu z nas, ilekroć się z tym spotykamy, robi taki mind blowing. To znaczy, że po prostu wyobraźnia nam wybucha. Co powiedział Einstein?

T.B.: Einstein powiedział, że tak naprawdę to grawitacja jest związana z geometrią przestrzeni. Ale ponieważ przestrzeń jest zakrzywiona, lokalnie wszystkie ciała chcą się poruszać po lokalnych liniach prostych, ale jak popatrzymy szerzej, to te linie nie są takie proste i stąd biorą się różne oddziaływania, które możemy odczytywać jako siły. Przykładem takiego oddziaływania jest to, że jeżeli przyjrzymy się w polu grawitacyjnym dwóm spadającym cząstkom, to obie cząstki w naszym układzie odniesienia będą spadały w kierunku centrum Ziemi, a jeżeli sobie usiądziemy na jednej z nich, to poruszamy się ruchem swobodnym, nie odczuwamy żadnego przyspieszenia, ale widzimy, że ta cząstka obok, zbliża się do nas. Tak że będziemy mówili, że coś tę cząstkę do nas przyciąga.

K.G.: Czyli to trochę kwestia interpretacji.

T.B.: To jest troszeczkę kwestia punktu widzenia i sposobu opisu. Tak jak mówiłem, że teorie fizyczne opisują nam rzeczywistość. Te kolejne teorie to są kolejne przybliżenia, które coraz lepiej opisują to, co widzimy.

K.G.: Są takie popularne grafiki, które pokazują nam, w jaki sposób masy zakrzywiają. Można sobie też zrobić taką wizualizację, że np. rozciąga się materiał i kładziemy na niego piłeczkę, i ta piłeczka nam go zakrzywia. To jest fajne, to daje jakiś obraz, ale czy to jest w pełni poprawne? Bo przecież przestrzeń w tym układzie, w tym odniesieniu jest dwuwymiarowa, a przestrzeń jest trójwymiarowa.

T.B.: Przestrzeń jest czterowymiarowa.

K.G.: No właśnie, jeszcze lepiej. Jeszcze czas. [śmiech]

T.B.: To jest wizualizacja, to nie jest obraz w stu procentach poprawny, natomiast jest to taki sposób spojrzenia, że jeżeli byśmy mieli przestrzeń dwuwymiarową i próbowali w niej wprowadzić analog do grawitacji, to taka zakrzywiona powierzchnia, powiedzmy, rozciągniętego materiału jest odpowiednikiem pola grawitacyjnego dlatego, że np. nie wszystkie trójkąty będą miały sumę kątów sto osiemdziesiąt stopni w takiej przestrzeni. To już jest sygnatura, że mamy do czynienia z przestrzenią zakrzywioną.

K.G.: Dałam znać patronom Radia Naukowego, że będę z panem rozmawiać i pojawiła się masa pytań, więc będę je wplatać w tę rozmowę. Pan Marek pyta: „Jak niewielka masa zakrzywia czasoprzestrzeń? Bo mamy wizualizację, że robią to czarne dziury, inne duże obiekty, ale rozumiem, że krowa jedząca trawę na polu pod Krakowem również zakrzywia czasoprzestrzeń?”. Zakrzywia czy nie zakrzywia?

T.B.: Krowa pod Krakowem zakrzywia czasoprzestrzeń, z tym że to zakrzywienie jest bardzo, bardzo małe. Tak jak siła grawitacyjna pochodząca od takiej krowy jest bardzo mała, ale jest bliska mierzalności. W obecnych detektorach fal grawitacyjnych jednym z szumów, z jakimi mamy do czynienia, jest tzw. szum Newtonowski. Polega on na tym, że w gruncie pod detektorem rozprzestrzeniają się cały czas, propagują się fale sejsmiczne. Taka fala to jest fala, gdzie mamy odrobinę gęściej, a potem mamy zmniejszoną gęstość gruntu. W związku z tym, kiedy taka zwiększona gęstość posuwa się pod detektorem fal grawitacyjnych, to jest też źródłem pola grawitacyjnego. Lokalny kierunek grawitacji jest zmodyfikowany przez to, że raz mamy to zgęszczenie z prawej strony, a raz z lewej.

Obecnie ten szum jeszcze nie jest wykrywalny, ale są prowadzone badania, w których częściowo brałem udział, nad tym, aby ten szum móc odjąć od sygnału w falach grawitacyjnych. Tak że jesteśmy o krok od wykrycia grawitacji z takich małych fluktuacji typu krowa. Natomiast pytanie, czy prawo grawitacji, czyli zależność siły grawitacji od odległości, jest prawdziwe dla wszystkich odległości. Możemy to sprawdzić eksperymentalnie na największych odległościach, nieco większych niż Układ Słoneczny. I na najmniejszych są prowadzone eksperymenty, że możemy to sprawdzić do odległości rzędu milimetra. Dla większych odległości jest to problem dlatego, że używamy tej zależności 1r2, żeby wykazać, że w galaktykach jest ciemna materia. Dla mniejszych odległości jest to też bardzo ważne, bo jeżeli zobaczylibyśmy odejście od takiej zależności 1r2, to mogłoby świadczyć o tym, że na małych odległościach przestrzeń ma więcej wymiarów, niż się nam wydaje, że do każdego punktu przestrzeni mamy doczepione, powiedzmy, sfery czy dodatkowe elementy przestrzeni wielowymiarowe, do których rozprzestrzenia się grawitacja, natomiast do których cząstki elementarne nie mają wstępu.

K.G.: O wow. Okej, zaraz jeszcze popłyniemy w tamtą stronę, gdzie nas pan zabiera. Pan Zbigniew pytał: „Czy związek między masą a grawitacją jest konieczny? Czy z ogólnej teorii względności nie wynika, że to zakrzywienie przestrzeni jest źródłem grawitacji, a masa zakrzywia przestrzeń tylko lokalnie? Zakłada się, że przestrzeń powstała w Wielkim Wybuchu wraz z materią, energią i czasem, więc najprawdopodobniej jest takim samym tworem fizycznym jak pozostałe. Cała nauka zajmuje się badaniem materii czasu, a jaka dziedzina zajmuje się badaniem przestrzeni?”. Trochę mamy tutaj różne wątki, może pan sobie z tym poradzi.

T.B.: Przede wszystkim źródłem grawitacji nie jest tylko masa, tylko gęstość energii, właściwie tensor energii pędu. Ta gęstość energii może pochodzić od wielu różnych rzeczy – może to być masa, może być ośrodek, który jest bardzo gorący, i wówczas cząstki mają nie tylko masę, ale także swoją energię, która też jest źródłem grawitacji. Może to być gęstość pola elektrycznego czy magnetycznego. Problem z tym, dlaczego grawitacja Einsteinowska jest na tyle skomplikowana, jest to, że samo zakrzywienie przestrzeni również ma swoją gęstość energii. W związku z tym samo zakrzywienie przestrzeni też jest źródłem grawitacji. Jest taka teoria nieliniowa, że ten wąż troszkę zjada własny ogon lub powoduje rośnięcie własnego ogona. Tych źródeł grawitacji jest bardzo dużo. Tak że w takim szerszym ujęciu, kiedy mówimy o kosmologii, źródłem grawitacji i oddziaływania grawitacyjnego jest ciemna materia, ale jest też ten twór, o którym się mówi, że jest to ciemna energia, która powoduje rozpychanie się Kosmosu dlatego, że jego tensor energii pędu ma taką ciekawą własność jak ta stała kosmologiczna, że powoduje przyspieszanie rozszerzania się Kosmosu.

K.G.: A czemu się mówi, że grawitacja jest takim słabym oddziaływaniem? Wracając do tego zestawienia czterech podstawowych oddziaływań rządzących w fizyce.

T.B.: Otóż siły oddziaływania zazwyczaj mierzymy, liczymy, opisujemy stałą sprzężenia, którą generalnie można opisać tak, że jeżeli weźmiemy cząstkę elementarną, taką jak np. proton czy elektron, to możemy popatrzeć, z jaką siłą takie dwa elektrony oddziałują ze sobą. No i można to opisać w postaci stałej sprzężenia. To jest taka bezwymiarowa wielkość, która dla oddziaływań elektromagnetycznych wynosi jedną sto trzydziestą siódmą, dla grawitacji to jest dziesięć do minus czterdziestej pierwszej.

K.G.: To faktycznie spora różnica.

T.B.: Tak. Dlatego odczuwamy tę grawitację, która niby jest taka słaba…

K.G.: Czasami boleśnie. Trudno uwierzyć, że ona jest taka słaba. [śmiech]

T.B.: Tak. [śmiech] Dlatego ją odczuwamy, że makroskopowo większość ciał jest obojętna elektrycznie, czyli ma zerowy ładunek elektryczny. Natomiast nie mamy ujemnej masy, tylko masy się dodają. Gdyby Ziemia była leciutko nieobojętna elektrycznie, to nasze ładunki elektryczne mogłyby być wyrywane z Ziemi bez problemu. A odczuwamy tę grawitację tylko dlatego, że grosik do grosika powoli zbiera się ta fortuna, która daje nam masę Ziemi.

K.G.: Czyli chodzi o to, że my odczuwamy grawitację jako taką, powiedziałabym, że w naszym makroskopowym świecie zwykle dominującą siłę dlatego, że pozostałe są właśnie takie… Jakie one są? Istotniejsze w tym mikroświecie?

T.B.: W mikroświecie są istotniejsze, natomiast w makroświecie, ponieważ mamy ładunki dodatnie i ujemne, które tak mocno ze sobą oddziałują, bardzo trudno stworzyć taki obiekt wielkości Ziemi, który by miał wypadkowy niezerowy ładunek elektryczny. Jeżeli by był taki wypadkowy niezerowy ładunek elektryczny Ziemi, powiedzmy, Ziemia byłaby lekko naładowana ujemnie, to starałaby się przyciągnąć do siebie bardzo szybko dodatnie cząstki, które gdziekolwiek by się nie pojawiły, ten ładunek byłby bardzo szybko zneutralizowany. A z grawitacją tak nie ma, bo nie ma ujemnych mas.

K.G.: Jakoś sobie przyjęłam do głowy i jestem sobie w stanie mniej więcej wyobrazić, jak to działa, że jest to zakrzywienie czasoprzestrzeni, że te wizualizacje, o które wcześniej pana pytałam, są niedoskonałe, ale jednak działają. No i dobra, czyli grawitacja to jest geometria – tak sobie to ułożyłam w głowie. To po co są takie opowieści o tym, żeby szukać np. grawitonu, cząstki, która ma co robić? Przenosić grawitację? Co to jest za koncepcja?

T.B.: Po co szukać? Dlatego, że chcemy dotrzeć do tego, czym grawitacja jest.

K.G.: A ta odpowiedź o tym, że to zakrzywienie czasoprzestrzeni nam nie wystarcza?

T.B.: Prawdziwemu fizykowi, astrofizykowi nigdy nic nie wystarcza, bo zawsze najlepszą metodą działania jest szukanie dziury w całym. [śmiech] Jeżeli chcielibyśmy się zastanowić nad tym, czym jest grawitacja, to jednym z wielkich problemów jest zrozumienie, czy grawitacja jest kompatybilna i czy ma też swoją wersję kwantową, która odpowiadałaby przenoszeniu oddziaływania za pomocą cząstek. No i bardzo łatwo sobie wyobrazić, że odbywałoby się to za pomocą cząstek grawitonów, które przenosiłyby to oddziaływanie tak, jak fotony przenoszą oddziaływanie elektromagnetyczne. Stąd chcemy się dowiedzieć, jak to działa, i czy ten limit kwantowy dla grawitacji rzeczywiście istnieje. Jak na razie nie znaleźliśmy grawitonu i to też jest związane z tym, że byłby on bardzo trudno wykrywalny. To, co wiemy o grawitonach, jest związane z pomiarem prędkości rozchodzenia się grawitacji, która jest bardzo bliska prędkości światła. I stąd mamy górne limity na masę grawitonu, że ona musi być mniejsza niż jakaś bardzo mała wielkość, co praktycznie oznacza, że one są prawdopodobnie cząstkami bezmasowymi, tak jak fotony. Ale nie ma zera, zawsze są tylko limity, które nas przenoszą bliżej zera.

K.G.: Mówi pan tak, jakby na pewno były te grawitony, tylko musimy je opisać.

T.B.: Nie mówię, że one są na pewno. Mówię, że jeżeli one są, to muszą być bardzo lekkie, bezmasowe.

K.G.: A czy to jest w takim razie coś takiego, co było w przypadku Newtona? Czyli Newton opisał nam grawitację w taki a taki sposób, co się w pewnych okolicznościach załamywały, jak pan mówi np. o peryhelium Merkurego. Tu nie grało, więc trzeba było poszukać dalej. Ostatecznie przyszedł Einstein i powiedział: ha, ja mam pomysł, to jest co innego. I już peryhelium Merkurego zostało wyjaśnione. Ale właśnie jak zajdziemy jeszcze dalej w tej zagadce, do tego mikroświata, to tutaj Einsteinowska teoria się załamuje i dlatego szukamy dodatkowych wyjaśnień? O to tutaj chodzi? Byłby to dobry analog?

T.B.: To byłby dobry analog, natomiast nie znaleźliśmy jeszcze żadnego miejsca, gdzie teoria grawitacji Einsteina się załamuje. Wydaje mi się, że każdy by chciał to znaleźć i liczono na to, że w astronomii fal grawitacyjnych, kiedy patrzymy na łączenie się tych masywnych obiektów, jak czarne dziury, mamy do czynienia z bardzo silnymi polami grawitacyjnymi i jakieś odejścia od grawitacji mogłyby się w nich pojawić. Ale takie odejścia mogą się też pojawić przy bardzo słabych polach grawitacyjnych, np. konsekwencją tego, że uważamy, że teoria grawitacji Einsteina działa, jest to, że wymagamy, żeby istniała ciemna materia i ciemna energia we Wszechświecie, a ich też jeszcze nie znaleźliśmy.

K.G.: Właśnie, czyli tak jak Einstein poprawił Newtona, myśli pan, że może dojść jeszcze do poprawienia Einsteina?

T.B.: Teorie fizyczne to nie jest prawda absolutna, tak że wcale bym się nie zdziwił, jeżeli w pewnym momencie okaże się, że istnieje jakiś model grawitacji, który wyjaśnia jakieś zjawiska, których nie może wyjaśnić teoria Einsteina. To by był naturalny bieg rzeczy.

K.G.: No bo ta ciemna materia jest trochę jak peryhelium Merkurego. To znaczy, coś tam powinno być. Szukacie, szukacie, szukacie, już tyle lat zeszło i tej ciemnej materii się nie udaje znaleźć. I wiem, że są pomysły, że może trzeba w takim razie trochę zmodyfikować w pewnych okolicznościach, w pewnych warunkach teorię Einsteina. Zdaje się, że ta teoria nazywa się MOND.

T.B.: Tak. Jest teoria MOND, która zakłada, że zależność grawitacji od odległości na dużych odległościach jest inna i w związku z tym nie ma konieczności istnienia ciemnej materii. Ta teoria ma wiele problemów, łącznie z problemami obserwacyjnymi, gdzie znajdujemy słynny tzw. ballet cluster – widzimy, jak dwie gromady galaktyk przeszły przez siebie i jak gaz oddziaływał ze sobą. Galaktyki przeszły i halo, które jest z ciemnej materii, też ze sobą niewiele oddziaływało. A halo możemy zmierzyć poprzez soczewkowanie grawitacyjne obiektów, które są z tyłu. Matematyczne uogólnienie tejże teorii MOND-u jest bardzo, bardzo trudne.

K.G.: Może dobry pomysł, a wykonanie kiepskie.

T.B.: Pomysł jest fajny, pytanie, czy natura naprawdę tak działa. Jedną z konsekwencji tej teorii mogłoby być to, że w przypadku emisji fal grawitacyjnych widzielibyśmy polaryzacje fal, których nie przewiduje ogólna teoria względności. Jest wiele potencjalnych miejsc, gdzie moglibyśmy znaleźć ślady odejścia od ogólnej teorii względności i będzie bardzo ciekawe, jeżeli to znajdziemy. Jak to znajdziemy, to wtedy można się moim zdaniem bardziej zastanowić nad tym, jak wyjaśnić takie rzeczy. Na razie z jednej strony ciemna materia czy ciemna energia są takimi tworami, które są wymyślone po to, żeby nam się teoria spięła, ale nie jesteśmy w stanie tego do końca sprawdzić, szczególnie że jest wiele teorii, czym może być ciemna materia. Mamy jedynie górne limity na różne modele tejże ciemnej materii.

K.G.: Mówił pan o tym, że nie znaleźliśmy eksperymentalnie jeszcze żadnego odchylenia od ogólnej teorii względności Einsteina. Oczywiście zgoda, natomiast mówi się o tym, że są czy były takie momenty w historii na samym początku istnienia Wszechświata, gdzie to się nie spina. To, czyli ogólna teoria względności i mechanika kwantowa. Jak się o tym mówi, to wszystkim fanom fizyki zaraz oczywiście się nadstawiają uszy, bo dalej jest to ogromny temat. 

T.B.: Tak, to jest ogromny temat. Kiedy idziemy w tył z czasem, z historią Wszechświata, musimy wziąć pod uwagę ekstremalne warunki. Natomiast w pewnym momencie dochodzimy do tego, że nie mamy prawie żadnych obserwacyjnych konsekwencji lub możliwości zbadania tego, jak wyglądał ten Wszechświat. Możemy sobie oczywiście pisać równania na papierze i dywagować, ale dla mnie to jest bardziej matematyka niż fizyka czy astrofizyka. To są takie teorie, które nazwałbym ezoterycznymi, które są nie do sprawdzenia. Ale jeżeli dojdziemy do takich technik obserwacyjnych lub do zjawisk, które te teorie mogą przewidzieć, które możemy sprawdzić, badając cokolwiek, to będziemy dokładnie wiedzieli, co się wtedy dzieje. Jest problem z tym, że kiedy idziemy do bardzo silnych pól małych odległości, to teoria grawitacji powinna przejść w jakąś teorię kwantową lub w jakąś inną teorię, której obecna teoria nie jest w stanie opisać. Sądzimy np., że czasoprzestrzeń powinna być skwantowana, granulowana, że nie jest ona jak droga asfaltowa, tylko taka wybrukowana, żwirowa droga.

K.G.: Przecież nigdy nie odtworzymy Wielkiego Wybuchu.

T.B.: Nie odtworzymy, ale to nie jest argument. Na Ziemi nie odtworzymy wielu zjawisk, które widzimy w przestrzeni kosmicznej, np. nigdy nie stworzymy tutaj pól magnetycznych, jakie są na pulsarach, ale to nie znaczy, że mamy rozłożyć ręce. Wydaje mi się, że istnieje wiele potencjalnych obserwacji, które mogą nam powiedzieć coś o tym, co się w tym Wszechświecie działo. Jedną z takich potencjalnych obserwacji jest możliwość zobaczenia tła fal grawitacyjnych, tak jak jest mikrofalowe promieniowanie tła, które pochodzi z czasów, kiedy temperatura Wszechświata wynosiła około trzech tysięcy kelwinów, a świat miał około trzystu tysięcy lat. Tło fal grawitacyjnych powinno pochodzić z czasów, kiedy Wszechświat miał mniej więcej dziesięć do minus trzydziestej pierwszej sekundy. Wiele teorii musiało przewidzieć, jak wygląda to tło albo wytłumaczyć jego poziom, jego kształt widma i własności.

K.G.: Powiedział pan, że nawet proton trochę zakrzywia. Pan Wojtek zapytał: „Czy grawitacja ma wpływ na jakiekolwiek zachowania cząstek bardzo małych?”.

T.B.: Praktycznie nie dlatego, że oddziaływania grawitacyjne pomiędzy nimi są znacznie słabsze niż wszelkie inne oddziaływania silne, słabe czy elektromagnetyczne. Natomiast, jeżeli by się nam udało ścisnąć materię tak, że te protony lub kwarki będą bardzo blisko siebie i będą w stanie takiej plazmy, jak była we wczesnym Wszechświecie, to wówczas te oddziaływania grawitacyjne odgrywały bardzo dużą rolę.

K.G.: I to jest to, o czym mówiliśmy przed chwilą, czyli próba zrozumienia, jak to mogło wtedy wyglądać. Pan Mateusz mówi tak: „Słyszałem taką atrakcyjną hipotezę, że grawitacja jest słaba, bo »przenika« równoległe wszechświaty, a przez to ciemna materia to echa materii z równoległych rzeczywistości. Czy to tylko taki fajny pomysł, czy ma jakiekolwiek podstawy naukowe?”.

T.B.: Ja bym to nazwał raczej bardziej pomysłem, bo jest to przykład takiego stwierdzenia, które nie bardzo widzę, jak można sprawdzić. To jest coś takiego, czego nie możemy w żaden sposób zweryfikować eksperymentalnie. W związku z tym można sobie tak powiedzieć, ale to nie niesie ze sobą wyjaśnienia czegokolwiek, skoro nie jesteśmy w stanie tego sprawdzić.

K.G.: Fale grawitacyjne to jest coś, w czym się pan specjalizuje. Ten 2015 rok – detekcja fal grawitacyjnych. Pamięta pan, co pan wtedy robił? Czy upuścił pan kubek z wrażenia, jak się pan dowiedział, że się udało? [śmiech]

T.B.: Po pierwsze bardzo się ucieszyłem, po drugie dla mnie to był element satysfakcji dlatego, że razem z kolegami już od pewnego czasu argumentowaliśmy, że takich źródeł o masie trzydziestu mas Słońca powinno być bardzo dużo i że to one powinny dominować.

K.G.: Tam trzeba nastawić rejestr?

T.B.: Nie było tak, że trzeba na nie nastawić detektor. Ten detektor był dostosowany do wielu mas, natomiast przewidywaliśmy, że takich źródeł powinno powstawać bardzo dużo w wyniku ewolucji układów podwójnych i że są powody, dla których ich nie widać jako źródeł elektromagnetycznych. Tak że dla mnie to było takie…

K.G.: „A nie mówiłem?”. [śmiech]

T.B.: Nie, bardziej „udało się”. „A nie mówiłem?” to najgorsze wyrażenie, które może powiedzieć rodzic dziecku. [śmiech]

K.G.: Przypomnijmy, proszę, czym są fale grawitacyjne, jakie były początki koncepcji tego, że one mogą istnieć? Oczywiście wynika to z Einsteina, ale jak on sam do tego podchodził?

T.B.: Einstein był raz w górę, raz w dół – raz entuzjastycznie, raz niezbyt entuzjastycznie. Przez dłuższy czas w środowisku naukowym były ogromne wątpliwości co do realności tego rozwiązania jako fal grawitacyjnych. To znaczy, czy taka fala jest w stanie przenieść energię. Oczywiście był profesor Andrzej Trautman, który napisał wiele prac, w których pokazał, jak policzyć energię przenoszoną przez fale grawitacyjne. Było też bardzo wiele zdroworozsądkowych argumentów przedstawionych przez Feynmana, który pokazał, jak oddziaływanie fal grawitacyjnych z materią będzie generowało ciepło. Skoro będzie generowało ciepło, to musi przenosić energię.

K.G.: I musi być mierzalne? O to chodziło?

T.B.: Tak, chodziło o to, że z takiego dość prostego myślowego eksperymentu wynikało, że można wyciągnąć energię z fali grawitacyjnej, a zatem fala musi nieść energię. Trautman przedstawił to w postaci bardzo dobrego i ścisłego rachunku. No i te prace z wczesnych lat sześćdziesiątych zapoczątkowały próby wykrycia fal grawitacyjnych, najpierw za pomocą detektorów rezonansowych, czyli takich schłodzonych brył metalu, gdzie szukano ich wzbudzeń poprzez fale grawitacyjne. Później przyszła era interferometrów, no ale też są teraz planowane i budowane urządzenia na innych częstotliwościach, łącznie z wykorzystaniem pulsarów do detekcji fal grawitacyjnych o bardzo dużej długości fali, które prawdopodobnie już teraz prawie że widzimy.

K.G.: To zaraz o to też pana wypytam, tylko jeszcze chciałabym, żebyśmy dokładnie zrozumieli, czym fale grawitacyjne są. Bo mówi się, że to są zmarszczki czasoprzestrzeni. Co to znaczy? Że ona się tak odkształca?

T.B.: Czasoprzestrzeń się odkształca w ten sposób, że jeżeli fala grawitacyjna porusza się prostopadle do ściany, to ta ściana jest raz rozciągana w górę, raz zwężana w bok, a raz ściskana góra-dół i rozszerzana w bok. Przy czym to też jest taki bardzo prosty sposób opisu dlatego, że pytanie brzmi, jak możemy sprawdzić, czy odległość między dwoma punktami się zmienia? Możemy to zrobić jedynie za pomocą światła. To nie jest tak, że możemy przyłożyć linijkę, bo ona się rozciągnie. Możemy wysyłać foton z jednego gwoździka wbitego w ścianę w kierunku drugiego i policzyć czas. Tutaj clou polega na tym, że fala grawitacyjna porusza się z prędkością światła prostopadle do ściany, a światło też się porusza z prędkością światła wzdłuż ściany, w odległości od gwoździka do gwoździka, którą chcemy zmierzyć. To jest taki wspólny efekt. Tak naprawdę możemy zmierzyć falę grawitacyjną, kiedy odległości pomiędzy gwoździkami są tego samego rzędu co długość fali.

K.G.: Mówiliśmy o tym, że grawitacja jest słabym oddziaływaniem. Żeby zarejestrować fale grawitacyjne, musiałaby zostać wywołana ekstremalna dokładność. Ale czy to jest tak, że ja, machając tu ręką, też wywołuję minimalną falę grawitacyjną?

T.B.: Tak.

K.G.: A te fale grawitacyjne, które udaje się rejestrować? Czyli dwie czarne dziury się ze sobą zlewają? Dajmy na to, że to się wydarzyło w takiej odległości, jak jesteśmy my do Słońca. Co by się z nami zaczęło dziać?

T.B.: Wówczas amplituda tej fali, względne ruchy rozszerzenia byłyby rzędu dziesięć do minus siódmej. Częstotliwość tej fali miałaby kilkadziesiąt, może sto herców. I z taką częstotliwością mielibyśmy to rozszerzanie i ściskanie materii z amplitudą dziesięć do minus siódmej. Dziesięć do minus siódmej dla Ziemi to jest dziesięć centymetrów.

K.G.: Dziesięć centymetrów w skali całej Ziemi? 

T.B.: Tak.

K.G.: Okej. Czyli my tutaj we dwójkę byśmy nie zauważyli, że nam stopa gdzieś odjeżdża?

T.B.: Nie, to tylko w skali całej Ziemi. Myślę, że mogłoby to wywołać trzęsienia ziemi dlatego, że jednak takie ściskanie i rozszerzanie zdeponowałoby troszeczkę energii.

K.G.: Ale zobaczylibyśmy to jakby w efekcie tych trzęsień ziemi, a nie byłoby takiego odczuwalnego wrażenia, że to się tak buja?

T.B.: Nie. Dlatego, że lokalnie zmiana, powiedzmy, mojego wzrostu byłaby też o dziesięć do minus siódmej.

K.G.: To nie za wiele.

T.B.: Nie. [śmiech] Natomiast w skali Ziemi to by była amplituda jej ściśnięcia o około dziesięć centymetrów.

K.G.: To skoro jest to tak niewielki efekt, nawet kiedy mówimy o stosunkowo bliskim zdarzeniu potężnych czarnych dziur zlewających się ze sobą, to jak to się stało, że świat nauki nauczył się rejestrować fale grawitacyjne? To jak małe są te odchylenia, które współczesne instrumenty są w stanie zobaczyć?

T.B.: Te względne odchylenia są rzędu dziesięć do minus dwudziestej pierwszej, dziesięć do minus dwudziestej drugiej. To oznacza, że kiedy mamy instrumenty, gdzie długości ramion są trzy do czterech kilometrów, musimy zmierzyć amplitudę zmian odległości pomiędzy lustrami wywołaną przez falę grawitacyjną, które są rzędu jednej tysięcznej średnicy protonu. To się wydaje niemożliwe, ale dzięki temu, że mamy odpowiednio wysoką moc lasera i odpowiednio dobrze stabilizowane urządzenia, nad którymi pracowano przez dwadzieścia, trzydzieści lat, jest to możliwe.

K.G.: Bo to jest tak, że jedno ramię jest skierowane w jedną stronę, drugie jest pod kątem prostym i jest ta różnica światła, tak? Bo tam są lasery.

T.B.: W obu tych ramionach mamy interferometry. Są dwa lustra, pomiędzy którymi światło odbija się tam i z powrotem. Typowo światło odbija się około stu razy w takim interferometrze, co oznacza, że efektywna długość tych ramion jest sto razy większa, jest około trzystu kilometrów. I ten mały efekt jest już przez to wzmacniany. Żeby to światło mogło tyle razy tam się odbić, oczywiście w tych ramionach musi być odpowiednio wysoka próżnia, trzeba ograniczyć wszelkie rozpraszanie światła dlatego, że to jest problem i te lustra muszą być odpowiednio stabilizowane od wszelkich innych szumów. Ponieważ widzimy wiele fotonów, ten mały efekt może być potem zwiększony dzięki temu, że widzimy dużą statystykę tychże fotonów. Nie jest też prawdą, że ustawiamy sobie ten interferometr tak, że kiedy nie ma fali grawitacyjnej, to nie widzimy nic, tylko ustawiamy go tak, żeby zmiana tego sygnału z interferometru była największa w czasie, kiedy zmieniają się odległości.

K.G.: Czyli tam ciągle coś szumi w tym odbiorze tylko, jak mamy peak?

T.B.: To jest coś takiego, że cały czas widzimy szum, ale w tym szumie pojawia się sygnał. I poszukiwanie tych sygnałów polega na tym, że z jednej strony wiemy, czego szukamy, więc w tym szumie szukamy takiego charakterystycznego kształtu fali, który zwiększa swoją amplitudę i zwiększa swoją częstotliwość. Stąd nazwa tego sygnału – „ćwierk”. Natomiast możemy też poszukiwać takich sygnałów, że szukamy momentów, kiedy coś się tam pojawi, i możemy to porównać w dwóch detektorach, i patrzeć, czy w obu pojawiło się coś, co jest do siebie podobne. Bo jeżeli to jest szum, który się wziął z…

K.G.: No właśnie o to miałam pytać, czy może kawałek dalej np. budują drogę.

T.B.: Oczywiście, takich szumów jest bardzo dużo. Ale żeby znaleźć sygnał, który sądzimy, że jest astrofizyczny, szukamy skorelowanych identycznych sygnałów, które są w tym samym czasie z dokładnością do czasu propagacji w dwóch lub trzech detektorach i o zgodnym kształcie.

K.G.: Stąd to Virgo w Europie i LIGO w Stanach, tak?

T.B.: Nie, tak naprawdę w Stanach są dwa detektory LIGO – w stanie Waszyngton i w stanie Luizjana. Do tego jest trzecie Virgo, które jest potrzebne. Jeżeli mamy sieć trzech detektorów, to dużo lepiej możemy umiejscowić źródło na niebie.

K.G.: Kiedy to się wydarzyło, kiedy doszło do tej detekcji, prasa była pełna takich entuzjastycznych opowieści państwa astrofizyków, astronomów, że oto otworzyło się nowe okno na świat, że nowy sposób obserwacji, że nie musimy być skazani wyłącznie na fale elektromagnetyczne, tylko mamy nowy sposób obserwowania. Czego się udało dowiedzieć przez tych kilka lat?

T.B.: Przede wszystkim poznaliśmy z takiego astrofizycznego punktu widzenia populację źródeł tych fal, wiemy, jakie są ich masy. Jeśli chodzi o badania podstawowe, to dowiedzieliśmy się, że ogólna teoria względności bardzo dobrze działa w tym zakresie, który możemy sprawdzić, i to się mniej więcej łączy z tym, że masy tych układów możemy określać na podstawie własności sygnału w czasie, kiedy te dwie czarne dziury na siebie spadają, a potem możemy określić na podstawie sygnału, kiedy nowopowstała czarna dziura oscyluje i wyświeca swoje oscylacje. Te dwie masy powinny być ze sobą zgodne – no i są.

Teraz rozwija się powoli tzw. spektroskopia czarnych dziur, która jest związana z tym, że czarne dziury są w gruncie rzeczy obiektami bardzo prostymi, są opisywane przez masę i moment pędu. Mają tylko dwa parametry. W związku z tym wszelkie częstotliwości tych drgań świeżo powstałej czarnej dziury muszą być opisane tylko przez te dwa parametry. One są dobrze wyznaczone. Jeżeli zobaczymy tych częstotliwości więcej niż dwie, to już ten układ jest nadoznaczony. Więc one albo będą się wszystkie zgadzały z ogólną teorią względności, albo nie. Na razie się zgadzają.

Kolejna rzecz, którą udało nam się zrobić, która jest moim zdaniem fundamentalna, to jest to, że zobaczyliśmy połączenie się dwóch gwiazd neutronowych, i to połączenie było powiązane z rozbłyskiem gamma, który nastąpił z opóźnieniem jeden i osiem dziesiątych sekundy, tak że mieliśmy sygnał w falach grawitacyjnych i sygnał w promieniach gamma, którego peak był jeden i osiem dziesiątych sekundy później, i to zdarzenie zdarzyło się w odległości czterdziestu megaparseków, czyli stu kilkudziesięciu lat świetlnych. Widząc, że te sygnały są prawie jednoczesne – może być jakieś opóźnienie związane z fizycznym mechanizmem, w jakim powstaje ten sygnał w źródle – możemy stwierdzić, że przez sto kilkadziesiąt milionów lat różnica prędkości pomiędzy tymi dwoma sygnałami nie spowodowała większej różnicy czasu dojścia niż jeden i osiem dziesiątych sekundy. I stąd możemy stwierdzić, że grawitacja rozchodzi się z prędkością praktycznie równą prędkości światła.

K.G.: Praktyczną, ale troszeńkę wolniejszą, tak?

T.B.: Nie, bo to jest tylko górne ograniczenie dlatego, że nie wiemy, czy te dwa sygnały zostały wysłane dokładnie jednocześnie. Sądzimy, że ten sygnał w promieniach gamma jest wysłany z innego rejonu wokół tego obiektu i on mógł być wysłany nieco później.

K.G.: Czyli to jest bardzo atrakcyjne dla astronoma widzieć jakieś zdarzenia w Kosmosie na różnych długościach fali w tym sensie, że zarejestrowaliście to samo zdarzenie w falach grawitacyjnych i gamma, czyli falach elektromagnetycznych. To jest potężne źródło wiedzy. 

T.B.: Tak. To zjawisko było jeszcze później obserwowane w dziedzinie optycznej, w dziedzinie radiowej. Tam było bardzo dużo obserwacji, które nam bardzo dużo powiedziały.

K.G.: Czy w tych ostatnich latach udało się zarejestrować dużo takich zdarzeń?

T.B.: Przez pierwsze trzy okresy obserwacyjne zaobserwowaliśmy prawie sto takich zdarzeń. Teraz od paru miesięcy są prowadzone obserwacje detektorem LIGO i mogę powiedzieć, że ta liczba jest już znacznie zwiększona.

K.G.: Co tak tajemniczo? [śmiech]

T.B.: Bo jeszcze nie ma opublikowanego katalogu. Ale obserwujemy te zdarzenia w tempie kilku tygodniowo.

K.G.: Czyli tak jak obiecywaliście, to naprawdę jest potężne źródło nowej wiedzy.

T.B.: Tak. Można ocenić, że w całym Wszechświecie takie zderzenia czarnych dziur zachodzą mniej więcej raz na minutę. A my cały czas widzimy bardzo małą część Wszechświata i stąd widzimy je raz na dzień, dwa.

K.G.: Wspominał pan o tym, że są plany, żeby powstawały kolejne urządzenia badające fale grawitacyjne. Jeszcze lepsze? Dokładniejsze?

T.B.: Jest wiele planów. Jak astronomowie coś dostaną, to już myślą o następnym etapie. [śmiech] Istnieją dwa projekty budowy obserwatoriów fal grawitacyjnych, które działałyby na tym samym, nieco szerszym zakresie częstotliwości niż obecne. To jest Teleskop Einsteina, który jest projektem europejskim i Cosmic Explorer, który miałby być zbudowany w Ameryce Północnej. Te obserwatoria są nieco inne. Teleskop Einsteina to miałyby być trzy detektory, każdy z nich złożony z dwóch interferometrów pod ziemią, w kształcie trójkąta. Cosmic Explorer to byłby naziemny interferometr o długości ramion czterdziestu kilometrów. Te czterdzieści kilometrów to jest maksimum, co można zbudować na Ziemi dlatego, że jednak jej powierzchnia zakrzywia się już przy czterdziestu kilometrach. Żeby mieć taką prostą rurę, musimy ją z jednej strony podnieść na dwadzieścia metrów ze względu na zakrzywienie Ziemi. A poza tym jest taki problem, że te lustra na końcach są zawieszone na takich wahadłach, które mają wytłumić wszelkie szumy, no i przy czterdziestu kilometrach te wahadła na dwóch końcach nie będą do siebie wystarczająca równoległe dlatego, że Ziemia jest zakrzywiona.

K.G.: Ale pod Ziemią można by ryć prosto. [śmiech]

T.B.: Tak, ale te wahadła na końcu, na których są zawieszone lustra, są w kierunku do centrum Ziemi. I dlatego są pod kątem.

K.G.: No tak, zapomniałam o tym. [śmiech]

T.B.: I te detektory będą miały taką czułość, że będą mogły wykrywać czarne dziury do momentu, kiedy powstawały pierwsze gwiazdy. Oczekujemy, że te detektory będą wykrywały układy podwójne czarnych dziur w tempie raz na parę minut. Ale też w astronomii fal grawitacyjnych myślimy o tym, żeby popatrzeć na inne częstotliwości. Dla niskich częstotliwości rzędu miliherców, czyli okresy rzędu dziesiątek minut, budowane jest obserwatorium satelitarne LISA, które będzie się składało z trzech satelitów w odległości od siebie parę milionów kilometrów. Każdy z tych satelitów będzie miał w sobie masę testową i będzie mierzył położenie masy i odległość do sąsiednich satelitów. To obserwatorium ma być wystrzelone w 2037 roku i jest to już na takiej liście pewniaków w Europejskiej Agencji Kosmicznej.

No ale wydaje mi się, że teraz na jeszcze niższych częstotliwościach, czyli okresach typu miesiąc, rok od kilkunastu lat prowadzone są badania tzw. chronometrażu pulsarów. Używamy pulsarów rotujących gwiazd neutronowych jako bardzo precyzyjnych zegarów. Za pomocą czasu przyjścia pulsu z tych pulsarów możemy mierzyć położenie Ziemi na orbicie. Jeżeli to położenie będzie się nam zmieniało – możemy wyczuć zmiany o około pół metra – to może być to związane z tym, że Ziemia jest rzucana przez fale grawitacyjne o dużej długości o taką właśnie wielkość rzędu kilkudziesięciu centymetrów.

Parę miesięcy temu ukazała się praca, gdzie są pokazane wstępne wyniki z kilku zespołów z Europy, Ameryki Północnej, Australii i Chin, która pokazuje, że tło takich fal grawitacyjnych istnieje. Ja bym na razie powiedział, że wyniki każdej z tych grup są wskazówką na istnienie tychże fal grawitacyjnych. Te wyniki będą teraz zanalizowane razem i liczę na to, że wtedy już znaczenie tego odkrycia pojawi się na tyle mocno, że będziemy mogli powiedzieć, że rzeczywiście widzimy takie tło fal grawitacyjnych. Ale to jest otwarcie kolejnego zakresu częstotliwości, gdzie możemy obserwować koalescencję bardzo masywnych czarnych dziur, takich jak w centrach galaktyk, albo nawet tło pochodzące z wczesnego Wszechświata.

K.G.: Właśnie o to miałam pytać – co miałoby być źródłem fal o takim długim okresie?

T.B.: Przede wszystkim sądzimy, że to powinny być układy podwójne czarnych dziur o masach rzędu milionów, setek milionów, miliardów mas Słońca. Takie jak są wewnątrz galaktyk. W naszej galaktyce mamy czarną dziurę o czterech milionach mas Słońca. Kiedy dochodzi do koalescencji, do kolizji galaktyk, czarne dziury, które są wewnątrz nich, mają szansę utworzyć układ podwójny, który będzie źródłem fal grawitacyjnych, które mogą się w końcu połączyć. I takich układów podwójnych czarnych dziur masywnych powinno być całkiem dużo we Wszechświecie.

K.G.: Ale czy ja dobrze rozumiem – jeśli taka fala grawitacyjna docierająca do Ziemi ma bardzo długi okres, a jednocześnie jest na tyle duża, że można ją zarejestrować, to znaczy, że ona u swoich źródeł była tak nieprawdopodobnie przepotężna? 

T.B.: Amplituda fali grawitacyjnej jest w jakiejś odległości od źródła – to jest stosunek tej odległości do promienia grawitacyjnego źródła pomnożony mniej więcej przez prędkość tego źródła w jednostkach prędkości światła w kwadracie. Dla takich dużych mas te amplitudy będą odpowiednio większe dlatego, że promienie grawitacyjne są większe.

K.G.: Czyli to jest tak, jakbym wrzuciła do jeziora mały kamyczek albo wielki głaz? To jest podobna analogia, jeśli chodzi o tę energię?

T.B.: Tak. Energia, która jest wydzielana w falach grawitacyjnych przez takie połączenie, to jest jakaś ustalona część masy tych źródeł. Druga rzecz to to, że skala czasowa, w jakiej ta energia jest wydzielona, też jest wprost proporcjonalna do ich masy. Tak że energia będzie większa, natomiast moc, czyli energia dzielona przez czas, jest mniej więcej stała. Niezależnie od tego, czy mamy małe, czy duże czarne dziury, ich jasność, czyli moc, jest podobna.

K.G.: A ten Teleskop Einsteina, o którym pan wspomniał, ma być pod ziemią? Na jakim to jest etapie?

T.B.: To jest teraz na etapie przygotowań, wyboru miejsca, a także przygotowań do stworzenia technologii, która pozwoli nam na budowę takiego urządzenia. Rozpatrywane są dwie mocne kandydatury, które są bardzo popierane przez rządy swoich krajów – jedna jest we Włoszech na Sardynii, a druga w takim trójkącie pomiędzy Holandią, Belgią i Niemcami, na południe od Maastricht.

K.G.: No właśnie, tak pan o tym wspomina, bo pamiętam, że się nam marzyło, że to miało być pod Wałbrzychem. [śmiech]

T.B.: Tak, natomiast jest prowadzonych wiele prac nad kandydaturą nad przydatnością do budowy Teleskopu Einsteina niedaleko Wałbrzycha, ale po drugiej stronie granicy, w Niemczech. Na granicy z Polską, w Zgorzelcu, powstaje wielki instytut astrofizyczny – Niemieckie Centrum Astrofizyki. Jednym z celów tego centrum będzie przygotowywanie badania nad falami grawitacyjnymi. Tam jest taki rejon, o którym sądzi się, że mamy dość blisko pod ziemią wielki kawał granitu, który jest bardzo stabilny.

K.G.: I co on robi? Ogranicza szumy? Po co to ma być pod ziemią?

T.B.: Chodzi przede wszystkim o to, żeby zmniejszyć szumy sejsmiczne. Szum sejsmiczny, czyli drganie gruntu, bardzo się zmniejsza, jeżeli schodzimy pod ziemię. Zmniejsza się, powiedzmy, o czynnik sto, jak jesteśmy na głębokości dwustu, trzystu metrów, w szczególności, jeżeli znajdujemy się w takim sztywnym, twardym materiale grawitacyjnym. A tu jeszcze przy okazji jest wiele idei, żeby przenieść się z detektorami fal grawitacyjnych na Księżyc. Są dwa projekty – jeden z nich to budowa interferometru na biegunach Księżyca w kraterach, gdzie jest zawsze ciemno, bo wtedy mielibyśmy próżnię i niskie temperatury za darmo. Problem byłby z tym, że trzeba by zbudować jakieś miejsce, z którego mielibyśmy prąd.

K.G.: Fotowoltaika po drugiej stronie. [śmiech]

T.B.: Tak, ale trzeba by to zrobić po drugiej stronie i poprowadzić linię energetyczną.

K.G.: Na poważnie są takie plany?

T.B.: Tak. To znaczy, są projekty. Nie nazwałbym tego planami, natomiast Księżyc jest bardzo ciekawym obiektem w naszym Układzie Słonecznym, bo jest on sejsmicznie bardzo cichy, jest tam bardzo mało trzęsień. Szum sejsmiczny na Księżycu jest wywołany przez meteory, które na niego spadają. Takie trzęsienia Księżyca, który zachowuje się troszeczkę jak jeden kryształ, trwają nawet dwie godziny – takie drgania wywołane uderzeniem meteoru. A drugie źródło szumu jest związane z tym, że jedna strona jest ogrzewana, a druga się chłodzi. Mamy różnicę w szumie sejsmicznym z częstotliwością równą dwadzieścia osiem dni. Druga idea polega właśnie na tym, żeby wylądował na Księżycu statek, który rozwinie sejsmometry, które będą na długich, kilkukilometrowych liniach, i wtedy będzie można używać drgań całego Księżyca wywołanych przez fale grawitacyjne do detekcji tychże fal. Czyli byłby to analog takiego detektora jak ten, kiedy zaczynaliśmy przygodę z falami grawitacyjnymi, czyli detektora rezonansowego, ale jego funkcję pełniłby cały Księżyc.

K.G.: A jaką funkcję ma pełnić Teleskop Einsteina?

T.B.: Teleskop Einsteina ma działać w zakresie nieco szerszym niż obecne teleskopy. To jest badanie czarnych dziur do początku powstawania gwiazd, badanie bardzo dokładne gwiazd neutronowych, wnętrz tych gwiazd, liczenie na to, że wykryjemy supernowe, które też mogą być źródłami fal grawitacyjnych, przede wszystkim testy teorii względności.

K.G.: Bo to jest szalenie ciekawe, ile my możemy się dzięki falom grawitacyjnym dowiedzieć. Teraz pan powiedział, że dzięki lepszej możliwości ich detekcji możemy zaglądać do wnętrza gwiazd neutronowych? Jaką informację nam niosą te fale grawitacyjne? Przecież tylko się tam czasoprzestrzeń faluje. 

T.B.: A jaką informację niosą nam fotony? Tylko sobie tam pole elektryczne faluje. Ważne jest to, co wywołuje te ruchy czy też oscylacje czasoprzestrzeni. Jeżeli zaobserwujemy kolejne koalescencje dwóch gwiazd neutronowych, które będziemy widzieli bardzo dokładnie, to ten kształt fali grawitacyjnej będzie zmodyfikowany przez to, że gwiazdy neutronowe to są rozciągłe obiekty. One, zbliżając się do siebie, będą rozciągane przez siły pływowe. Skoro są rozciągane, to część energii, która poszłaby na emisję w falach grawitacyjnych, jest przekształcana na rozciągnięcie na ogrzanie wnętrz tych gwiazd. Patrząc na to, jak dużo energii jest zgubione przez ten inny mechanizm, mimo że nie widzimy ich dokładnie, będziemy mogli prześledzić, jakie są własności wnętrz gwiazd neutronowych, czyli tej materii o gęstości takiej jak w jądrach atomowych, która jest jedną z własności tej materii. To jest jedno z fundamentalnych pytań we współczesnej astronomii i fizyce.

K.G.: Mówił pan też o tym, że będzie można dotrzeć do czarnych dziur, które powstawały w tym samym czasie co pierwsze gwiazdy. Czy to znaczy, że jak będziemy więcej wiedzieć o falach grawitacyjnych, to będziemy sobie mogli jeszcze dalej zaglądać w historię Wszechświata? I jak głęboko?

T.B.: To jest tak, że zależy, jak będziemy na to patrzeć. Jeżeli będziemy widzieli w zakresie, powiedzmy, stu tysięcy herców praktycznie wszystkie czarne dziury, które widzimy i które są we Wszechświecie, to będziemy mogli też zajrzeć dalej i zobaczyć tło, które może pochodzić z wczesnego Wszechświata w tym zakresie. To tło to jest taki Święty Graal, którego byśmy chcieli zobaczyć po to, żeby wiedzieć, co się działo wtedy, kiedy Wszechświat miał dziesięć do minus trzydziestej, trzydziestej pierwszej sekundy. I to może nam o tym dobrze powiedzieć. To jest coś, co jest niesamowite. Drugą rzeczą z takich dużych pytań w astrofizyce jest to, że James Webb pokazał, że na przesunięciach ku czerwieni sześć, siedem mamy już bardzo duże czarne dziury. Skąd one się tam wzięły, jak one powstały? Jedyna droga, którą teraz znamy, to to, że one musiały powstać z koalescencji mniejszych czarnych dziur, ale te koalescencje powinny zostawić ślad w falach grawitacyjnych. Jest to wielkie wyzwanie – skąd te czarne dziury w bardzo wczesnym Wszechświecie? To będzie nam mówiło też o tym, jak powstawały galaktyki.

K.G.: To te czarne dziury mają być starsze niż gwiazdy?

T.B.: Takie jest pytanie – czy one powstały z pierwszych gwiazd, które były bardzo masywne. Jeżeli byłyby starsze niż gwiazdy, to musiałyby to być tzw. pierwotne czarne dziury, które powstawałyby we wczesnym Wszechświecie z fluktuacji gęstości. Jeżeli mamy we wczesnym Wszechświecie fluktuacje gęstości, jak pod horyzontem zdarzy się nam fluktuacja, która będzie odpowiednio duża, to cała masa pod horyzontem zapadnie się do pojedynczej czarnej dziury. Natomiast problem jest taki, że możemy tak zrobić, jak się troszeczkę postaramy, pojedyncze czarne dziury, ale żeby doprowadzić do tego, że te czarne dziury zaczną się łączyć w jeszcze jedną większą, jest ogromnym wyzwaniem, bo one mogą się spotkać i jeszcze stracić moment pędu.

K.G.: Musi się tam złożyć trochę okoliczności.

T.B.: A na dodatek mamy na to bardzo mało czasu dlatego, że od początku Wszechświata do, powiedzmy, przesunięcia ku czerwieni, do momentu, kiedy już widzimy te duże czarne dziury, minęło mniej niż kilkaset milionów lat.

K.G.: Wyjaśnię swoje zdziwienie, bo zasadniczo czarne dziury tak jak to widzimy teraz, powstają właśnie w wyniku zapadnięcia się gwiazd.

T.B.: To są czarne dziury o masach gwiazdowych. O tych czarnych dziurach, które widzimy w centrach galaktyk, do tej pory sądzimy, że powstały w wyniku łączenia się wielu mniejszych czarnych dziur. Ale nie mamy na to obserwacyjnych dowodów, które mówią, że naprawdę tak było.

K.G.: To skąd by się miało wziąć w tym centrum galaktyki więcej czarnych dziur?

T.B.: No właśnie pytanie, kiedy i jak one powstały. Bo na pewno nie powstały w wyniku tego, że spadała na nie materia, bo wówczas taka materia byłaby też źródłem promieniowania rentgenowskiego i widzielibyśmy odpowiednio silne tło tego promieniowania ze wszystkich czarnych dziur, na które spada ta materia.

K.G.: Skoro pan o tym mówi, to trochę zapytam, co było pierwsze: jajko czy kura? Od razu wiadomo, że pierwsze było jajko, przecież kura nie wzięła się znikąd. Natomiast tak serio – czy to było tak, że galaktyka się tworzyła i tam właśnie zdarzyło się tak, że ta czarna dziura pojawiła się w środku jakiejś gwiazdy, czy najpierw była czarna dziura i wokół niej zaczęła się gromadzić materia?

T.B.: Wydaje mi się, że to jest właśnie problem typu „jajko czy kura” i że one się pojawiły mniej więcej jednocześnie. Bo sama czarna dziura, ta w naszej galaktyce, ma cztery miliony mas Słońca i w porównaniu z masą całej galaktyki to jest nic. Ale jednak w centrach wielu galaktyk, być może wszystkich, mamy takie czarne dziury, których masy są duże, ale w porównaniu z całą galaktyką są małe. Kręcimy wokół centrum galaktyki nie dlatego, że tam jest czarna dziura, bo jej kontrybucja do tej siły, która trzyma galaktykę, jest minimalna. Większość masy to jest ciemna materia.

K.G.: Pan Marcin zapytał: „Czy fal grawitacyjnych da się używać do przesyłania informacji, tak jak fal elektromagnetycznych?”.

T.B.: Żeby można to było zrobić, musielibyśmy skonstruować źródło fal grawitacyjnych, które byłyby przez coś wykrywalne. Jak na razie jedyne źródła daje nam natura i te maszyny, które wytwarzają fale grawitacyjne, są na tyle duże, że w naszym Układzie Słonecznym czegoś takiego nie zrobimy.

K.G.: Chciałam jeszcze pana zapytać o antygrawitację. Jakie są w tej sprawie niedawne wyniki z CERN-u? Skoro materia ma swoją masę i wytwarza grawitację, to był taki pomysł, że może antymateria – o której wiemy, że jest, to nie jest twór hipotetyczny – wytwarza antygrawitację. No i co wyszło?

T.B.: Wyszło nam, że wytwarza grawitację. I to jest oczekiwanie ogólnej teorii względności. Natomiast uważam, że ten eksperyment jest wspaniały, bo jednak należy przetestować, czy istnieje antygrawitacja związana z antymaterią i w ogóle jak oddziałuje antymateria. Taki eksperyment był oczywiście bardzo skomplikowany, bo chodziło o to, żeby stworzyć atomy antymaterii, czyli trzeba było stworzyć pozytrony i antyprotony, pozwolić im się schłodzić tak, żeby stworzyły atomy antywodoru i jeszcze postarać się, żeby…

K.G.: Żeby się nie spotkały z wodorem. [śmiech]

T.B.: Na koniec muszą się spotkać z wodorem lub z materią, ale chodziło o to, żeby później jeszcze wyeliminować dodatkowy wpływ pól elektrycznych czy magnetycznych, które mogłyby wpłynąć na ich ruch. Ten eksperyment był zrobiony w ten sposób, że atomy antywodoru były stworzone w jakimś tam pudełku, latały tam sobie i badano, ile z nich anihiluje na górnym wieczku, a ile na denku.

K.G.: Anihiluje, czyli jednak spotyka się z tym wodorem.

T.B.: Tak. Zgodnie z przewidywaniami okazało się, że odpowiednio dużo więcej anihiluje na dole niż na górze.

K.G.: Czyli opadały.

T.B.: Czyli one średnio opadają. Niektóre nie opadają dlatego, że miały odpowiednio wysoką temperaturę. Ale pokazuje to, że tak naprawdę głównym parametrem jest tutaj masa zgodnie z przewidywaniami ogólnej teorii względności. No i po raz kolejny Einstein miał rację. Mimo chęci, żeby znaleźć dziurę w całym, jeszcze jej nie znaleźliśmy. [śmiech]

K.G.: Jest pan bardzo zaangażowany w kwestię fal grawitacyjnych, nowych badań, technologii. Ma pan poczucie, że bierze udział w czymś, co historycy nauki będą za kilkadziesiąt czy kilkaset lat opowiadać i mówić na wykładach, że wtedy to się zaczęło i uzyskaliśmy zupełnie nowe możliwości?

T.B.: Tak. Wydaje mi się, że obecne czasy dla rozwoju astronomii, astrofizyki w ogóle są bardzo fajne, przełomowe. Udało się nam zaobserwować fale grawitacyjne – już o tym mówiliśmy. Ale udało się też zaobserwować cząstki promieniowania kosmicznego najwyższych energii, dziesięć do dwudziestej pierwszej elektronowolta. Udało się zobaczyć neutrina i teraz widzimy już, że nawet potencjalnie próbujemy zidentyfikować źródła tych wysokoenergetycznych neutrin na niebie. Jest budowanych tyle różnych instrumentów, tyle teleskopów. Ale jeśli chodzi o fale grawitacyjne, to jestem przekonany, że ich odkrycie i rozpoczęcie astronomii fal grawitacyjnych to jest wydarzenie, które jest przełomowe i które będzie miało wpływ na rozwój nauki, rozwój astronomii przez kolejne setki lat.

K.G.: To na koniec jeszcze zapytam – czy słuchający nas rodzice, którzy w pełni pojęli, na czym polega grawitacja Einsteina, mają teraz iść do szkoły i robić awanturę fizykom, że uczą ich dzieci tej Newtonowskiej? [śmiech]

T.B.: Nie mają. Uczymy i korzystamy w życiu codziennym z mechaniki Newtonowskiej. Żeby wytłumaczyć ruch samochodu, żeby zbudować silnik, wystarczy klasyczna termodynamika z XIX wieku i nowoczesna znajomość materiałów, które są lepsze niż wtedy, ale na tym polegają teorie fizyczne, że możemy je zastosować w pewnym zakresie ważności. Nie sądzę, żebyśmy potrzebowali ogólnej teorii względności, żeby sprawdzać, czy nie przekraczamy ograniczenia prędkości. Natomiast, żeby działał nam np. GPS, potrzebujemy już tej teorii.

K.G.: Czyli proszę nie robić w szkołach awantur, Newtonowska grawitacja też się przydaje – tak mówi astrofizyk. Pan profesor Tomasz Bulik z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego. Bardzo dziękuję, że poświęcił pan swój cenny czas dla Radia Naukowego.

T.B.: Dziękuję bardzo.

Dziękuję serdecznie za wysłuchanie do końca. Dajcie znać, co było najciekawsze, w którą stronę kontynuować. Przyznam się wam, że myślę o rozmowie o czasie z perspektywy fizyka. To chyba byłoby fajne, prawda? Dajcie znać, co o tym myślicie. W kolejnym odcinku ostatnie frukta z wizyty w Toruniu – przywiozłam dla was rozmowę o historii kultury kulinarnej w Polsce. Gorąco polecam. A tymczasem do usłyszenia.