Moi drodzy, niedawno na Focus.pl ukazał się, skądinąd, ciekawy artykuł o kolejnej próbie odkrycia grawitonów. Focus.pl: Nowa szansa na odkrycie grawitonu.
Ale jak to? Chcą odkryć coś, o czym wiedzą, że istnieje? To jeszcze nie odkryli czy coś? To jak wiedzą, że to jest?
No właśnie tu zaczyna się cała… ekhem… zabawa. Zazwyczaj, kiedy coś odkrywamy, dzieje się to w prosty sposób. Na przykład, znajduję owada, oglądam go dokładnie, badam, analizuję, a na końcu nazywam „muchą domową,” bo spełnia określone cechy. Podobny proces zachodzi w przypadku innych odkryć – patrzymy, badamy, nazywamy. Łatwe, prawda?
Ale fizyka, moi mili, to inna bajka. Tutaj rzeczy nie zawsze idą gładko, bo czasem natrafiamy na coś, czego nie możemy zobaczyć, dotknąć czy bezpośrednio zbadać. Tak oto narodził się podział na to, co znamy już teraz, czyli fizykę klasyczną, i tę „inną”, która… istnieje, obserwujemy jej efekty, możemy obliczyć co i jak, ale z różnych przyczyn – głównie technicznych – nie możemy jej konkretnie pokazać.
Tak na marginesie, dodam ciekawostkę: są zjawiska, których efekty możemy obserwować, ale kiedy zaczynamy je mierzyć (obserwować w inny sposób), to… te efekty nagle stają się inne. Domyślacie się, o co chodzi? Nie? To dlaczego światło jest i falą, i cząsteczką?
Tak właśnie powstała fizyka kwantowa (ale też i np. relatywistyczna – wyobraźcie sobie, że nagle odkrywacie, iż czas nie zawsze płynie równo, a wasza godzina może być krótsza niż godzina waszego sąsiada, bo… jesteście na różnych planetach. Tak, Einstein lubił psuć nasze poczucie czasu). A teraz zamknijcie oczy i zobaczcie efekt działania jakiejś siły, zaczynacie go analizować. Wszystko się zgadza, aż nagle odkrywacie, że w tej sile kryje się coś jeszcze. Otwórzcie teraz oczy, bo w grę wchodzi królowa nauk – matematyka! To ona pozwala rozłożyć badane zjawisko na czynniki, by z tego, co znamy, wyprowadzić to, czego jeszcze nie poznaliśmy.
Świetnym przykładem są fale grawitacyjne. Już w 1916 roku Albert Einstein, bazując na ogólnej teorii względności, przewidział ich istnienie. Matematyka wskazywała, że powinny istnieć niewielkie zmarszczki w czasoprzestrzeni, wywołane masywnymi obiektami, takimi jak zderzające się czarne dziury. Przez prawie sto lat te fale były jedynie teorią – aż w 2015 roku detektor LIGO po raz pierwszy zarejestrował fale grawitacyjne, potwierdzając to, co wcześniej obliczono. Tym samym potwierdziliśmy, że coś, co było tylko przewidywane na papierze, rzeczywiście istnieje. Teraz dochodzimy do głównego bohatera naszej opowieści.
Czym jest grawiton?
Dokładnie tak samo jest z grawitonami, przypuszczamy, że istnieją, a teraz (być może) pojawi się okazja, by je zaobserwować. Nawet jeśli nie uda się bezpośrednio złapać grawitonu, to mamy szansę zaobserwować jego oddziaływanie – coś, co nie da się przypisać innym znanym zjawiskom. Ale zanim przejdziemy do szczegółów, warto zrozumieć, czym w ogóle jest ten tajemniczy grawiton.
Spójrzcie teraz na to tak: każda z czterech podstawowych sił natury – oddziaływanie elektromagnetyczne, silne, słabe i grawitacyjne – ma swoją „cząstkę posłańca”, która przenosi tę siłę. Oddziaływanie elektromagnetyczne? Foton. Oddziaływanie jądrowe? Gluony. Ale co z grawitacją? No właśnie, tu zaczynają się schody, bo całość należy do bardziej skomplikowanej układanki. Sądzimy, że grawitacja również ma swoją cząstkę – nazywamy ją grawitonem. Jest to cząstka hipotetyczna, bo do tej pory nie udało się jej złapać.
Grawiton, jeśli istnieje, powinien być cząstką bezmasową (tak jak foton), o spinie równym 2 – to takie kwantowe cechy, które pozwalają grawitonowi przenosić grawitację. Jeżeli chcecie wiedzieć więcej o tych kwantowych cechach, „zaprzyjaźnijcie się” z pojęciami takimi jak kwantowa teoria pola, model standardowy, bozon czy tensor. Jednak zalecam przygotowanie pewnej ilości leków uspokajających, bo to „ciężki” temat.
Problem polega na tym, że grawitacja jest niezwykle słabą siłą w porównaniu do pozostałych. Nawet jeśli coś oddziałuje grawitacyjnie, to na poziomie kwantowym jest to niemal niezauważalne. Dlatego tak trudno grawiton „złapać”. Fale grawitacyjne udało się wykryć dopiero dzięki kolizjom gigantycznych czarnych dziur – a co dopiero grawiton, który działa na mikroskopijną skalę!
Teraz, teoria zakłada, że grawitony istnieją, bo bez nich nie możemy w pełni wyjaśnić, jak działa grawitacja na poziomie kwantowym. A tak jak z falami grawitacyjnymi, najpierw była matematyka, która mówiła, że coś takiego jak grawiton powinno istnieć, a teraz szukamy dowodów.
Jak naukowcy próbują „schwytać” grawiton?
No dobrze, wiemy już, że grawiton to tajemnicza cząstka, która – jak się przypuszcza – przenosi grawitację. Ale jak w ogóle „złapać” coś, czego nigdy wcześniej nie widzieliśmy? Odpowiedź jest złożona, bo grawitacja będąc tak słabą siłą nie daje o sobie znać tak jak byśmy tego chcieli i to nawet na poziomie kwantowym.
Naukowcy z Uniwersytetu w Sztokholmie opracowali doświadczenie, które może dać nam szansę na złapanie grawitonu. Zbudowali specjalny walec aluminiowy o masie 1800 kilogramów, który jest schładzany do temperatury bliskiej zeru bezwzględnemu. Czemu tak zimno? Bo w ekstremalnie niskich temperaturach materia zaczyna się zachowywać w sposób kwantowy, co pozwala na dokładniejsze badanie jej właściwości.
Gdy przez walec przejdzie fala grawitacyjna – takie kosmiczne zmarszczki w czasoprzestrzeni – naukowcy spodziewają się, że wywoła to minimalne drgania na poziomie kwantowym. Specjalne czujniki mają za zadanie wychwycić te drgania. Jeśli się uda, może to być dowód na istnienie grawitonu, bo te kwantowe „skoki” energii nie będą mogły być przypisane żadnemu innemu zjawisku. (więcej na: Focus.pl)
Problem polega na tym, że te drgania są tak niewiarygodnie małe, że obecnie dostępne czujniki są zbyt mało czułe, by je wykryć. Naukowcy jednak są optymistyczni i wierzą, że technologia będzie się dalej rozwijać. Jeśli uda się stworzyć czujniki wystarczająco precyzyjne, może być to moment przełomowy.
Bez prób nigdy się tego nie dowiemy. Między innymi dlatego prowadzone są także inne doświadczenia. Przykładem może być fantastyczny eksperyment LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) i jego europejski odpowiednik Virgo. Ośrodki te są dedykowane badaniu fal grawitacyjnych – subtelnych zmarszczek w czasoprzestrzeni, które powstają na przykład podczas kolizji masywnych obiektów kosmicznych, takich jak czarne dziury. Choć tedetektory nie są w stanie bezpośrednio złapać grawitonu, mogą pośrednio dostarczyć dowodów na jego istnienie, analizując fale grawitacyjne.
LIGO, które znajduje się w Stanach Zjednoczonych, działa na zasadzie interferometrii laserowej – laserowa wiązka jest dzielona i wysyłana w dwóch różnych kierunkach, a po odbiciu od luster łączy się z powrotem. Nawet najmniejsze zmiany w czasie przebycia tej drogi przez światło mogą świadczyć o obecności fali grawitacyjnej. Virgo, europejski odpowiednik LIGO, znajduje się we Włoszech i działa w oparciu o podobne zasady, wspierając globalne poszukiwania. Oba te detektory współpracują, dostarczając niezwykle precyzyjnych danych. Więcej o tych projektach znajdziesz na ich stronach głównych: LIGO (lub na wikipedii i Virgo.
Jednak poszukiwania grawitonu to nie tylko kwestia prostego „znalezienia cząstki”. Wchodzi w grę cały jego „ekosystem”, który zgodnie z teorią supersymetrii, powinien obejmować dodatkowe „towarzyszące” cząstki, takie jak grawitino (partner fermionowy grawitonu) o spinie 1 ½ , a także inne cząstki o różnych spinach. Możliwe więc, że kiedy już złapiemy grawiton, otworzy to drzwi do zupełnie nowego świata cząstek. Zgodnie z ogólną teorią względności grawiton powinien mieć zerową masę, co oznacza, że grawitacja działa na nieskończoną odległość. Ale… kto wie? Może wyjdzie na to, że grawiton ma masę? A wtedy to dopiero zrobi się ciekawie – może wytłumaczy to ciemną materię, białą materię czy inne kosmiczne zagadki?
Z drugiej strony, mamy przykład fotonu, który wciąż nie może zdecydować, czy jest falą, czy cząstką. Może grawiton podzieli ten los i okaże się równie niejednoznaczny. Może będzie zarówno cząstką, jak i falą, w zależności od tego, jak na niego patrzymy. Co więcej, być może okaże się, że szukając grawitonu, odkryjemy coś zupełnie innego – coś, co nawet teraz trudno nam sobie wyobrazić.
Jedno jest pewne: dopóki nie znajdziemy tego, czego szukamy, dopóty nie będziemy pewni, co tak naprawdę odkryjemy!
Dlaczego grawiton jest ważny?
Pamiętajcie jednak, że to, co mamy dzisiaj – teorie, którymi się posługujemy – to wciąż zlepek różnych modeli, które nie do końca zostały zbadane i zweryfikowane. Wiele z nich istnieje po to, by to, co obserwujemy, pasowało do innych teorii. I tu pojawia się pytanie: co, jeśli okaże się, że któraś z tych teorii nie uzyska potwierdzenia? To byłby jeszcze mały problem. Ale co, jeśli zostanie całkowicie wykluczona? Czy to, co wiemy o wszechświecie, rozsypie się jak domek z kart?
Teraz pomyślmy: co, jeśli opanujemy wiedzę o grawitacji? Jeśli naukowcy w pełni zrozumieją, jak działa grawitacja na poziomie kwantowym i będą w stanie manipulować tą siłą, nasze codzienne życie może zmienić się w sposób, który dzisiaj wydaje się science fiction.
Podróże międzygwiezdne? Manipulacja grawitacją mogłaby umożliwić szybkie i efektywne przemieszczanie się po wszechświecie. Wyobraźcie sobie, że moglibyśmy tworzyć sztuczną grawitację na statkach kosmicznych albo że potrafilibyśmy zgiąć przestrzeń wokół siebie, skracając czas podróży na odległe planety. To, co dzisiaj wydaje się technologią przyszłości, mogłoby stać się codziennością.
Teleportacja? Choć także brzmi jak coś wyciągnięte z filmu science fiction to pełna kontrola nad grawitacją mogłaby prowadzić do ułatwienia teleportacji. Jednak to tak złożony problem, że wymaga osobnej publikacji, którą z przyjemnością kiedyś się zajmę. W grę wchodzą tutaj nie tylko manipulacje energią, ale także kwantowe przesyłanie informacji. Przenoszenie ruchu i pędu oraz innych sił fizycznych – to będzie wyzwanie!
Ciemna materia i ciemna energia: Zrozumienie grawitacji na poziomie kwantowym mogłoby również otworzyć drzwi do wyjaśnienia innych wielkich zagadek wszechświata, takich jak ciemna materia i ciemna energia. I teraz coś po czym zakręci się Wam w głowie. Przypuszcza się że ciemnej energii jest 68,3% we wszechświecie, ciemnej materii 26,8% a tylko 4,9% to zwykła materia. Tyle, że są to przypuszczenia a niektóre teorie przedstawiają te ilości inaczej.
Opanowanie grawitacji mogłoby pozwolić nam na wykorzystanie tych nieznanych energii, które obecnie są poza naszym zasięgiem. Lub chociaż ich zrozumienie.
Technologie codziennego użytku: Jeśli nauczymy się manipulować grawitacją, moglibyśmy wynaleźć urządzenia do antygrawitacji. Tu jednak wtrącę małą dygresję – mam pewne obawy co do określenia „antygrawitacja”. Bardziej prawdopodobne jest, że uda się zniwelować grawitację lub w razie potrzeby ją wzmocnić, ale siła przeciwstawna do grawitacji może nie istnieć w dosłownym tego słowa znaczeniu. Zatem zamiast myśleć o „odpychaniu”, możemy wyobrażać sobie technologię, która modyfikuje grawitację w taki sposób, aby dostosować jej siłę do naszych potrzeb – na przykład lewitujące pojazdy, unoszące się budynki czy wydajne systemy transportowe.
Najogólniej mówiąc: jeśli zrozumiemy grawitację, to, co dzisiaj wydaje się fantazją, jutro może być codziennością. Z jednej strony „będzie się działo” i zarazem nieco przerażający scenariusz, który pokazuje, jak wiele jeszcze mamy do odkrycia.
Czy odkrycie grawitonu jest bliskie?
Chciałbym Wam rzec, że coś odkryjemy. Chciałbym Wam potwierdzić, że to będzie coś wielkiego. Powiem jednak, że może to być kapiszon, który niewiele pokaże. Może to być też „gamechanger”, który udowodni, że wszyscy się myliliśmy, a całość wygląda zupełnie inaczej. Wtedy sporo teorii się posypie.
Sami zgotowaliśmy sobie ten los. Wyobraźcie sobie salę pełną naukowców podczas ogłoszenia wyników. Nie z jakiejś chęci zobaczenia porażki – wręcz przeciwnie, z ciekawości zobaczenia konsternacji na twarzach ludzi, którzy po latach badań nagle widzą, jak wiele się zmieni. Jedni rzucą papierami, stwierdzając, że „stracili lata pracy,” inni zajrzą w notatki, próbując zrozumieć, „przecież to nie możliwe.” Jeszcze inni powiedzą: „Hmm, zgadza się, ale co z tym elementem, który teraz nie ma sensu?” Słowem, czekają nas ciekawe „konsekwencje” – i, szczerze mówiąc, to one mogą być trudniejsze do przewidzenia niż same wyniki badań.
Pamiętajcie, że wiele teorii z „tej innej fizyki” – i nie tylko – zawiera nieznane zmienne, które tylko przypuszczalnie mają tam być. Co więcej, każdy nowy naukowiec dorzuca swojego magicznego „iXa” do równań, aby lepiej wszystko dopasować. Ta gmatwanina teorii, ustalonych, ale nie zawsze dowiedzionych stałych i tajemniczych sił wprowadzonych do równań tylko po to, by np. „przypadkiem” nie wyszło nam zero tam, gdzie na oko powinno być coś „na plus.”
I wiecie co? Normalny człowiek, który chce coś z tego zrozumieć, często stwierdza po krótkiej analizie: „wstawcie sobie różne raczej niecenzuralne słówa”
Choć nauka daje nam narzędzia do badania coraz bardziej złożonych aspektów wszechświata, fizyka kwantowa – a więc i relatywistyczna – pozostaje wiedzą, która wciąż wykracza poza pełne zrozumienie. Mamy teorie, które „coś” przewidują, projektujemy eksperymenty, które próbują złapać to nieuchwytne „coś.” Ale często jesteśmy jak detektywi – zmuszeni szukać poszlak, a nie bezpośrednich dowodów – bo chwilowo się nie da.
Bywa, że naukowcy tak bardzo chcą znaleźć odpowiedź na nurtujący ich dylemat, że szukają tego tajemniczego „X” i podstawiają różne wartości, aż wszystko zaczyna się zgadzać. Taka metoda może prowadzić do przełomowych odkryć, ale równie dobrze może wpędzić nas w ślepe zaułki. Może komplikujemy sobie życie naukowe, tworząc coraz bardziej złożone modele? A może po prostu tak mało jeszcze wiemy o wszechświecie, że jesteśmy zmuszeni do komplikowania rzeczywistości w nadziei na znalezienie tej jednej, prostej odpowiedzi – zunifikowanej teorii wszystkiego.
Tylko co, jeśli ta teoria albo wcale nie istnieje, albo okaże się tak prosta, że nawet nie pomyśleliśmy, żeby spojrzeć w jej kierunku?
Tak, udało mi się połączyć fizykę kwantową z filozofią! Właśnie to podejście – zadawanie pytań o naturę rzeczywistości, prawdę, której szukamy, i potencjalne konsekwencje, jeśli wszystko, co wiemy, nagle stanie pod znakiem zapytania – to elementy, które łączą te dwie dziedziny.
Fizyka kwantowa sama w sobie zmusza nas do rewizji wielu klasycznych założeń o naturze wszechświata, co już samo w sobie jest filozoficznym wyzwaniem. Czy nasze zrozumienie rzeczywistości jest tylko uproszczeniem większej, bardziej skomplikowanej prawdy? Czy w ogóle istnieje ostateczna teoria wszystkiego, czy może zawsze będziemy odkrywać kolejne warstwy, które tylko jeszcze bardziej komplikują obraz?
Delikatnie uchylając drzwi do fizyki poznaliśmy elementy epistemologii (czyli pytania o to, co i jak możemy wiedzieć) oraz ontologii (czyli pytania o naturę istnienia i struktury wszechświata). To nieuniknione, że fizyka, zwłaszcza na poziomie kwantowym, często prowadzi nas do filozoficznych wniosków. Badajcie! Szukajcie! I Nie bójcie się wiedzieć.
Ja zapraszam Was zarówno na mój blog jak i na np. Focus.pl
Do następnego artykułu
Aleksander Marcin Sanetra