Plus Minus: W ubiegłym roku amerykański detektor LIGO potwierdził istnienie fal grawitacyjnych. W związku z tym jeździł pan do Ameryki. Sprawdzał pan, czy odkrycie istotnie nastąpiło?

Prof. Marek Demiański, astrofizyk: Nie, sprawdzanie takiego odkrycia to bardzo złożony proces. Nie może tego zrobić jedna osoba. Zanim ogłoszono odkrycie, przez kilka miesięcy było ono weryfikowane. To obecnie standardowa procedura przy bardzo dużych eksperymentach; podobnie było przy zarejestrowaniu bozonu Higgsa. Surowe dane są na ogół udostępniane dwóm albo trzem zespołom, które się ze sobą nie kontaktują, każdy z nich je analizuje, a następnie spotykają się i porównują wyniki. W omawianym przypadku zajmowały się tym trzy grupy i nie ma w tej chwili żadnych wątpliwości, że zaburzenie wykryte przez LIGO pochodziło od fal grawitacyjnych.

Istnienie tych fal zakładała ogólna teoria względności (OTW) Einsteina. W 1974 roku Hulse i Taylor odkryli układ podwójny gwiazd neutronowych; jedna z nich była pulsarem i dzięki temu można było bardzo dokładnie śledzić ruch względny tych gwiazd. Po kilkunastu miesiącach obserwacji zauważyli, że orbity tych gwiazd się zacieśniają, gwiazdy zbliżają się do siebie. Wynika to stąd, że układ ten traci energię, która jest wypromieniowywana w postaci fal grawitacyjnych. Znając parametry układu oraz stosując OTW, można stosunkowo łatwo policzyć strumień energii emitowany przez ten układ i porównać go z tym, co widać. Jak można było się spodziewać, przewidywania OTW znakomicie odtwarzają dane obserwacyjne.

Obserwowaliśmy jednak tylko pośredni efekt emisji fal grawitacyjnych, natomiast teraz zarejestrowaliśmy je bezpośrednio. Wyniki zarejestrowane przez detektor LIGO są obecnie dostępne w internecie i ten, kto chce, może się im przyjrzeć.

Czyli coś w kosmosie musi wybuchnąć, jakieś czarne dziury muszą się zderzyć, żeby powstała fala grawitacyjna na tyle silna, byśmy na Ziemi zdołali ją wyłapać?

Czarne dziury nie zderzają się, one się zlewają. Dla mnie było dość dużym zaskoczeniem, że ów pierwszy sygnał fal grawitacyjnych pochodził ze zlewania się czarnych dziur, a nie ze zlania się dwóch gwiazd neutronowych. O układach dwóch gwiazd neutronowych wiemy już sporo, w naszej Galaktyce odkryto ich już kilkanaście, obserwujemy je, jak powoli tracą energię i zbliżają się do siebie – na końcu dochodzi do dramatycznej redystrybucji mas w takim układzie i prawdopodobnie powstanie czarna dziura.

Z analizy sygnału zarejestrowanego przez LIGO oraz rozważań astrofizycznych wiemy, że zlanie się tych czarnych dziur było najbardziej energetycznym wydarzeniem we Wszechświecie od momentu Wielkiego Wybuchu. W ciągu ułamka sekundy ten układ wyemitował energię równą kilku masom Słońca pomnożonym przez kwadrat prędkości światła zgodnie ze słynnym wzorem Einsteina.

Czy to jest dla nas groźne?

Fale grawitacyjne przenikają przez nas cały czas, i przez Pana, i przeze mnie, i przez ten budynek, i przez całą Ziemię. One nas trochę deformują, ale w stopniu niemierzalnym współczesnymi metodami. Jest to bardzo, bardzo słabe odkształcenie.

Wyobrażałem sobie, że gdy czarne dziury wpadają na siebie, dochodzi do strasznego wybuchu połączonego z niesamowitą emisją energii – a tu wszystko odbywa się spokojnie, wręcz kulturalnie. To skąd bierze się owa straszliwa energia towarzysząca takiemu incydentowi?

Dochodzi tu do bardzo złożonej deformacji czasoprzestrzeni. Znacznie bardziej spektakularnie będzie wyglądać wpadnięcie na siebie dwóch gwiazd neutronowych, bo tam jest materia.

W czarnych dziurach nie ma materii?

Może jest gdzieś tam w środku, ale o tym nie mamy żadnej informacji. Nie wiemy, co tam naprawdę jest. Zlewanie się dwóch czarnych dziur to tak naprawdę łączenie się dwóch deformacji czasoprzestrzeni w jeszcze inną deformację. Nie ma tu żadnego błysku optycznego czy innego promieniowania – tylko fale grawitacyjne. Kontakt dwóch gwiazd neutronowych to będzie spektakularne widowisko –błysk, optyczny i radiowy, w promieniach X i gamma.

Czym zajmował się pan w Ameryce w związku z odkryciem fal grawitacyjnych?

Jestem fizykiem teoretykiem, więc nie pozwalają mi raczej dotykać interferometrów LIGO. Mogłem przyglądać się analizom statystycznym sygnałów. Tu też kryją się ciekawe rzeczy, bo z analizy tego krótkotrwałego kilkusekundowego sygnału można się dowiedzieć, jakie to były czarne dziury, jak daleko położone, ile energii zostało przy tym wyemitowane. Znajdowały się hen poza naszą Galaktyką, miliard lat świetlnych z okładem.

Dlaczego tak trudno było zarejestrować fale grawitacyjne? Czy dlatego, że są słabe, czy dlatego, że ich źródła są położone bardzo daleko?

Fale docierające do nas są istotnie bardzo słabe. Deformacja czasoprzestrzeni jest ledwo zauważalna przez nasze przyrządy. Jedno ramię detektora LIGO ma długość 4 km, są to dwa zwierciadła umieszczone wewnątrz bardzo skomplikowanych systemów ochraniających je przed zakłóceniami z zewnątrz: sejsmicznymi, ruchami powietrza, hałasami itp. Fala grawitacyjna, która dotarła do interferometrów LIGO, zmieniła odległość między tymi zwierciadłami o mniej niż średnicę protonu! To pokazuje, jak subtelnych i wyrafinowanych metod i narzędzi trzeba używać do detekcji fal grawitacyjnych. Cała masa różnych układów ciał w kosmosie generuje fale grawitacyjne, ale są one dla nas za „ciche". Żeby wytworzyć fale grawitacyjne odpowiedniej mocy, potrzebne są kolizje pomiędzy czarnymi dziurami lub gwiazdami neutronowymi bądź wchłonięcie gwiazdy neutronowej przez czarną dziurę. Są to wszystko układy egzotyczne i w naszej Galaktyce jest ich niewiele, ale we Wszechświecie galaktyk jest bardzo dużo.

Ale jeśli już dziś tak śrubujemy metody pomiarowe i ledwo wykrywamy fale z największych kolizji, to cały ocean słabszych fal grawitacyjnych, który wypełnia kosmos, jest poza naszym zasięgiem.

Na razie. LIGO w tej chwili nie pracuje, przechodzi renowację, ruszy wkrótce, ale z większą czułością. Optymiści mówią, że wtedy fale grawitacyjne ze zlewania się czarnych dziur albo gwiazd neutronowych będą obserwować co najmniej raz w miesiącu.

Zaprojektowano nowy wielki interferometr kosmiczny LISA, ale zabrakło na niego pieniędzy. Czy pod wpływem odkrycia fal grawitacyjnych kurek z funduszami na LISA znów się nie otworzy?

Nie sądzę. Amerykanie są dość ostrożni z wydawaniem pieniędzy na duże projekty naukowe. Po pierwsze, to są naprawdę horrendalne pieniądze, interferometr kosmiczny złożony z trzech satelitów znacznie od siebie oddalonych kosztowałby miliardy dolarów. Uczeni chcieli zbudować w Teksasie akcelerator podobny do LHC (tzw. Wielki Zderzacz Hadronów, znajduje się w Europie – red.), tylko potężniejszy, żeby odkryć bozon Higgsa i może nawet jeszcze cząstkę ciemnej materii. Na to fundusze też zostały zablokowane i w Teksasie zostały tylko głębokie wykopy.

Zostali za to ukarani, bo bozon Higgsa odkryto w Europie. Im zostały pieniądze, a my mamy przełomowe odkrycie.

To zależy od tego, jakie kto ma priorytety. Dochodzi jeszcze jedna kwestia: kosztorys projektu zawsze jest przekraczany, i to nie o 10 procent, tylko na przykład dwukrotnie.

Mówi się, że odkrycie fal grawitacyjnych otworzy nowe okno obserwacyjne w astronomii. Czy jednak obserwacje nie będą się odbywały zbyt rzadko? Nie obawia się pan, że będzie z nich niewiele pożytku, choćby dlatego, że dotyczą one szczególnych przypadków?

To prawda, jest to bardzo specyficzne okno obserwacyjne. Dostaliśmy informacje o bardzo specyficznym układzie. Gdybym rok temu ekspertom od fal grawitacyjnych powiedział, że pierwszy sygnał, który zarejestrują, pochodzić będzie ze zlewania się czarnych dziur, okrzyknięto by mnie szaleńcem. Poza tym znane czarne dziury powstałe z dużych gwiazd mają masę 10–12 naszych słońc. Tu mieliśmy do czynienia z czarnymi dziurami o masach rzędu 30 mas Słońca. Nikt nie przypuszczał, że w naturalny sposób może dojść do powstania takich obiektów. Spowodowało to rewizję poglądów na to, jak ewoluują bardzo masywne gwiazdy. W standardowym scenariuszu ewolucji olbrzymich gwiazd ich czas życia jest mniejszy niż milion lat, co w kosmicznej skali czasu oznacza mgnienie. Właściwie supermasywne gwiazdy powstają i natychmiast znikają.

A może aparatura taka jak LIGO czy LISA, tylko o znacznie większej czułości, pozwoliłaby zajrzeć do wnętrza czarnych dziur?

Zajrzeć do środka czarnej dziury się nie da. Natomiast możemy się dowiadywać, co się dzieje w pobliżu horyzontu zdarzeń czarnej dziury, tej powierzchni, która oddziela naszą czasoprzestrzeń od tego, co się wewnątrz czarnej dziury dzieje. Ale fale grawitacyjne nam w tym nie pomogą, trzeba będzie rejestrować promieniowanie rentgenowskie, radiowe, a nawet światło.

Mówi pan, że nie wiadomo, czy w środku czarnych dziur występuje materia. Ale przecież czarne dziury powstają z gwiazd, które nim się zapadły, miały formę materialną. Musi więc tam być materia, ale na przykład w jakiejś zmienionej formie. Czy aż tak bardzo zmienionej, że przestaje być materią?

Uważam, że tak. Na pewno materia tam nie znika, tylko przemienia się w co innego. Wewnątrz czarnej dziury być może trwa proces zamiany materii na energię, powstają tam nowe twory fizyczne w rodzaju pól, które pojawiają się dopiero przy niesamowicie dużych energiach. Skala energii, jaką dysponujemy w akceleratorze LHC w CERN, jest jeszcze bardzo daleka od granicy, poza którą zachodzą zjawiska egzotyczne pokazujące kwantową naturę przestrzeni i czasu. We wnętrzu czarnych dziur dzieją się na pewno rzeczy fascynujące, ale nie ma jak tam zajrzeć, a obecne teorie fizyczne niewiele mają na ten temat do powiedzenia.

A czy mogą krążyć po kosmosie fale grawitacyjne powstałe w wyniku Wielkiego Wybuchu?

Krążą na pewno. LIGO tego nie widzi, ponieważ pracuje w zupełnie innym zakresie częstotliwości. Natomiast mogłaby te fale pierwotne zobaczyć LISA; chciałbym dożyć tych czasów, ponieważ będzie to informacja o tym, co się działo we wczesnym Wszechświecie. Wciąż nie mamy kwantowej teorii grawitacji, więc fizycy produkują modele tego, co się wtedy mogło dziać – ale są to tylko modele. Odkrycie pierwotnych fal grawitacyjnych bardzo ograniczy te modele, niektórym przyzna rację, większość odrzuci.

Autor książki o OTW profesor Ferreira twierdzi, że tak jak XX wiek był wiekiem kwantów, tak wiek XXI przyniesie tryumf grawitacji.

Jak się patrzy na świat fizyczny, to jest on podzielony na świat kwantowy i klasyczny. OTW należy do świata klasycznego. Od samego początku fizycy zastanawiali się, jak będzie wyglądać kwantowa wersja OTW i prawie od stu lat próbują „kwantować" grawitację. Wydaje mi się, że połączenie tych dwóch światów może doprowadzić do zupełnie nowego spojrzenia na zjawiska zachodzące przy bardzo wysokich energiach. Mamy teorie, które wspaniale sprawdzają się w zakresie klasycznym oraz kwantowym, ale fizycy czują ich ograniczenia. Dalej jest ocean nieznanego i nikt nie wie, co się tam dzieje. Mam nadzieję, że jednak doczekamy nowej wizji świata bez tej dychotomii „świat klasyczny – świat kwantowy", tylko będzie to coś niezwykłego.

Prof. Ferreira twierdzi, że po OTW można się jeszcze spodziewać doniosłych rezultatów. Czym jeszcze teoria Einsteina może nas zaskoczyć?

W dziedzinie OTW fizycy bynajmniej nie spoczęli na laurach. Powodem do niepokoju jest koncepcja ciemnej materii. Okazało się, że aby wyjaśnić własności galaktyk i Wszechświata, trzeba założyć istnienie innych cząstek, bardzo słabo oddziałujących ze zwykłą materią, z którą mamy do czynienia na co dzień. Ciemną materię odkryto dzięki jej oddziaływaniom grawitacyjnym. Nikt cząstek ciemnej materii nie widział, ale ich ewentualne istnienie wykracza poza model standardowy cząstek, który tym samym nie może być kompletny. Ale nawet rozszerzenie tego modelu nie będzie oznaczać końca pracy, bo pozostaje grawitacja, którą też by trzeba do tego modelu włączyć. Mamy przecież hipotetyczną, przewidzianą przez OTW cząstkę nazwaną grawitonem – też gdzieś dla niej musi znaleźć się miejsce.

Czy same równania OTW mogą ukrywać w sobie niespodziewane rozwiązania, opisujące nowe zjawiska czy też otwierające do nich drogę? Czy mogą się one kryć w gąszczu tej wyrafinowanej matematyki?

Myślę, że w OTW ciągle tkwią możliwości, że ktoś tam zauważy coś nowego. Teoria ta opiera się na koncepcji, że świat jest czterowymiarowy: czas plus trzy wymiary przestrzenne. Bardzo szybko po sformułowaniu OTW pojawiła się koncepcja, żeby zobaczyć, co się stanie, jeżeli świat ma pięć wymiarów. Okazała się rzecz fascynująca, której do tej pory nie rozumiemy – pięciowymiarowy świat jest taki jak nasz plus oddziaływania elektromagnetyczne. W pewnym sensie pięciowymiarowy świat pozwala powiązać grawitację ze zjawiskami elektromagnetycznymi, choć wydaje się, że jedno z drugim nie ma nic wspólnego. Matematyka, struktura tych równań, podpowiadają: a może jednak?

Czy OTW można uznać za ostateczny model grawitacji?

W fizyce nie ma modeli ostatecznych. Popatrzmy na to z perspektywy historycznej: jak Newton odkrył prawo powszechnej grawitacji, to wydawało się, że złapaliśmy Pana Boga za nogi, bo wszystko stało się jasne. Była to teoria, która wspaniale sprawdzała się na Ziemi i w bliskim kosmosie, znakomicie opisywała nasz układ planetarny – czego chcieć więcej? Potem okazało się, że nie zgadza się ona ze szczególną teorią względności. U Newtona oddziaływania rozchodzą się natychmiast, z nieskończoną prędkością. Zdaniem Einsteina tak być nie może, granicą jest tu prędkość światła. Trzeba było teorię Newtona zmienić i tak powstała ogólna teoria względności.

OTW ma kłopoty na dwóch biegunach: w paśmie bardzo wysokich energii, czyli w czarnych dziurach, i w bardzo niskich energiach – z naszego punktu widzenia – czyli na poziomie kwantowym. OTW staje się tam niewydolna i wymaga ulepszenia. Sam Einstein, gdy ją publikował, uważał, że jest niedokończona, że czegoś jej brakuje i jest częścią czegoś większego.

Świadczą o tym choćby kłopoty ze stałą kosmologiczną, którą Einstein najpierw przyjął, a potem się jej wyparł. Fizycy jakoś ją mierzą, nadają jej wymiar liczbowy, ale wciąż nie wiadomo na pewno, czy ona jest różna od zera. Efekty podobne do stałej kosmologicznej mogą powodować jakieś pola skalarne. Jeżeli nawet obserwacje potwierdzą, że stała kosmologiczna jest różna od zera, to narzuca się kolejne pytanie: kto i jak ustalił jej wartość. Trzeba znaleźć fizyczny proces, który za nią stoi.

Od lat słyszy się o obalaczach teorii Einsteina, o alternatywnych wobec OTW teoriach grawitacji. Co pan myśli na ten temat?

Nauka jako dziedzina nie ma żadnych ograniczeń. Jeżeli ktoś chce się zajmować innymi teoriami grawitacji – proszę bardzo. Wedle mojego odczucia próby modyfikowania OTW na razie do niczego dobrego nie doprowadziły. Za każdym razem dochodzi przy tym do psucia tego pięknego tworu, jakim jest OTW, a rezultat jest niezadowalający.

Niektóre z tych prób polegają na eliminacji kluczowego dla OTW pojęcia czasoprzestrzeni, która u Einsteina jest podstawową tkanką naszej rzeczywistości. Jeżeli czasoprzestrzeni nie ma albo ma ona strukturę ziarnistą, to Einstein nie miał racji?

Jest to problem kwantowej teorii grawitacji, której wciąż nie mamy i nie bardzo widać, skąd by się pojawiła. Na horyzoncie rysuje się cała masa prób, ale na moje wyczucie żadna z nich nie jest dostatecznie radykalna, żeby doprowadzić do powiązania kwantów ze światem klasycznym – również na poziomie czasoprzestrzeni. Jestem pewien, że nasze podejście do kwantów i grawitacji trzeba zmienić, aby znaleźć kwantowy wariant OTW. On może bardzo odbiegać od schematów, których używamy w tej chwili.

Dlaczego to jest takie trudne?

Za mało wiemy. Jest to kryzys wyobraźni – nie potrafimy sobie wyobrazić, jak ten kwantowy świat uwzględniający grawitację i czasoprzestrzeń mógłby wyglądać. Są tam rzeczy, które przechodzą ludzkie pojęcie i nawet wyobraźnią nie jesteśmy w stanie tego w tej chwili ogarnąć.

Fizyka zajęła się badaniem zjawisk tak subtelnych, że zaczyna brakować narzędzi do tych badań. Możemy zbudować narzędzia pomiarowe z tej materii, którą dysponujemy – ale ona okazuje się zbyt ordynarna do potraktowania tych subtelnych zjawisk. Nie bardzo widać z tego wyjście, bo nikt nam nie da innej materii.

Kryzys dotyczy raczej koncepcji, bo jeśli chodzi o możliwości obserwacyjne, to tu mamy jeszcze rezerwy. Za naszego życia nastąpiła rewolucja wywołana wynalezieniem tranzystora, co dało początek całej technice komputerowej. Innym odkryciem tej rangi był laser. Gdyby nie lasery, w wielu dziedzinach bylibyśmy w ciemnym lesie. Bez lasera o odkryciu fal grawitacyjnych nie byłoby mowy.

Zjawiska na poziomie kwantowym być może umożliwią stworzenie komputera kwantowego. Możliwość manipulowania na poziomie atomowym, czyli nano, doprowadzi do nowych materiałów i sposobów detekcji. W materii są ukryte jeszcze takie możliwości, z których dziś nie zdajemy sobie sprawy, a które zostaną rozpoznane i wydobyte jutro. Mam nadzieję, że te nowe sposoby i technologie pomogą nam tam, gdzie dziś nie dajemy sobie rady.

— Rozmawiał Marek Oramus, pisarz, dziennikarz, specjalizujący się w zagadnieniach cywilizacyjnych

Prof. Marek Demiański jest profesorem na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Specjalizuje się w astrofizyce relatywistycznej i kosmologii. Był kierownikiem dwóch konsorcjów przygotowujących misję satelity Planck