Objašnjeno i razumljivo: Šta je zapravo naučno otkriće vijeka?

Prije 100 godina, 20. marta 1916., Albert Ajnštajn je predstavio opštu teoriju relativiteta. Riječ je o jednom od najvećih dostignuća fizike 20. vijeka, ali, što zapravo ona podrazumijeva?

Ukratko – opšta teorija relativiteta nam opisuje i gravitaciju i kako ona zaista funkcioniše. Svakako, Ajnštajn nije bio prvi koji nam je otkrio pozadinu misteriozne gravitacije, to je bio Isak Njutn još u 17. vijeku, ali, Njutnovi zakoni funkcionisali su jako dobro ako ih primjenjujemo na relativno manjem prostoru. Recimo, ako mjerimo silu gravitacije objekta kojeg bacimo s vrha visoke zgrade ili čak ako mjerimo gravitaciju pri odlasku na Mjesec.

Sve su to, u kontekstu svemira koji nas okružje, ipak vrlo mali prostori. Problem s Njutnom je da njegovi zakoni počinju da daju pogrešna mjerila ako govorimo o zaista ogromnim prostorima i izuzetno udaljenim tijelima kao što su recimo planeta Zemlja i Sunce.

Na koji je način Ajnštajn objasnio gravitaciju svojom opštom teorijom relativiteta? Tako što nam je objasnio da je ono što mi percipiramo kao silu gravitacije zapravo nešto što proizlazi iz zakrivljenosti vremena i prostora. Što to znači? Kako vrijeme i prostor mogu biti “zakrivljeni”? Polako, moramo ići korak po korak ako želimo razumjeti ovo kompleksno pitanje.

Dakle, gravitacija, svi znamo što je gravitacija. Sve “pada” prema dolje, stvari oko nas, bića oko nas, mi sami. Kao da nas nešto “vuče” prema dolje, prema zemlji… Toga smo svi svjesni, dakle znamo kako djeluje gravitacija, ali niko od nas zapravo ne zna “što je” gravitacija. Otkuda ona? Zašto nas vuče prema centru Zemlje? 

Uz sve teorije, ako ćemo biti iskreni, još ne znamo fundamentalno što je to gravitacija, mada znamo jako puno o tome kako se ona ponaša.

Evo što znamo: Gravitacija je sila koja privlači između dvije mase, dva tijela. Gravitacija nije samo sila koja privlači objekte na Zemlji – gravitacija je privlačna sila koja postoji između svih objekata, u cijelom svemiru. 

Isak Njutn (1642 -1727) je otkrio da gravitacija postoji između svih objekata. Ona utiče na jabuku da padne s drveta i ona nas “drži” na površini jer bismo bez nje odletjeli u svemir. Ta ista gravitacija postoji svugdje u svemiru. Ona djeluje i između dvije podatomske čestice i između dvije zvijezde, planete i galaksije. Gravitacija je zaslužna za kompleksnost svemira.

Efekti gravitacije šire se iz svakog objekta prema svemiru i to u svim pravcima. Koliko daleko? Beskonačno daleko. Naravno, snaga gravitacione sile naglo slabi s daljinom. Npr., mi ljudi nikada nijesmo svjesni Sunčeve gravitacije jer snaga kojom nas ona povlači prema sebi je toliko mala zbog udaljenosti između Zemlje i Sunca. Ipak, upravo je Sunčeva gravitacija zaslužna za činjenicu da se naša Zemlja nalazi u orbiti!

Isto tako nijesmo svjesni ni gravitacione sile koju Mjesec ima na nas i sve oko nas, ali ima – Mjesečeva gravitacija “povlači” naša mora i okeane k sebi pa zato i imamo plimu i osjeku. Mjesec ima manju masu od Zemlje pa je i gravitacija na njemu manja.

Što određuje snagu gravitacije? Jednostavno je – što je objekt masivniji veća će biti i njegova gravitacija. Što Vam vaga kaže kada se mjerite? Vaga Vam zapravo govori koliko gravitacije djeluje na Vaše tijelo.

Kako je Ajnštajn unaprijedio Njutnove zakone? Tako što je svojom teorijom konstatovao da gravitacija zapravo nije sila već posljedica zakrivljenosti vremena i prostora. Znači, ponovo smo tu, kod te “zakrivljenosti”, a sada ćemo je pokušati i objasniti.

Dakle, Njutn je govorio kako je gravitacija fundamentalna sila – nešto što djeluje iz svakog predmeta na svaki predmet. Svako od nas ima svoju gravitacionu silu, svaka zvijezda i svaki atom.

Tu stupa Ajnštajn i njegova revolucionarna nova ideja o gravitaciji. Da, i on je smatrao da masa ime veze s gravitacijom, ali kako? Na način da je sam svemir savijen, zakrivljen, oko te mase, recimo oko zvijezde ili planete. Dakle, zvijezda ili planeta bi na neki način stvorila udubljenje u koje bi svaki objekt, ako bi došao dovoljno blizu, jednostavno upao. 

Kako to objasniti da ima smisla? Recimo to ovako – masa poručuje prostoru kako da se zakrivi oko nje dok prostor poručuje masi kako da se kreće. Iz toga proizlazi da gravitacija zapravo nije sila, već zakrivljenost prostora, ali ne samo prostora već – kako nas Ajnštajn uči – i vremena, odnosno koncepta koji ujedinjuje i prostor i vrijeme, a taj koncept se naziva jednostavno “prostor-vrijeme” ili prostor-vrijeme kontinuum (beskonačnost).

Nećemo ulaziti baš preduboko u ovaj koncept jer bi nam trebalo dosta vremena za sva pojašnjenja, no spomenimo kako prostor ima 3 dimenzije (dužina, širina, visina) dok vrijeme ima samo jednu (ono jednostavno “ide” i to je to), što znači da prostor-vrijeme ima četiri dimenzije.

Ovo nam zapravo puno govori i o genijalnosti samog Ajnštajna koji je, stavljajući ove dvije ideje zajedno, prostor i vrijeme, shvatio kako su zapravo prostor i vrijeme relativni. Što to znači? To znači, u suštini, da za objekt koji se kreće vrijeme prolazi sporije nego za onaj objekt koji miruje.

Zvuči apsurdno? Naravno da nam ta ideja zvuči apsurdno, ako se snažno zatrčimo nećemo postići da kazaljka na našem ručnom satu počne kucati sporije. Neće se usporiti ni ako se vozimo avionom. No, moramo pritom imati na umu da se mi, u poređenju s recimo brzinom svjetlosti, zapravo krećemo užasno sporo.

Fenomen kojeg je prvi otkrio Ajnštajn juče je potvrđen. Naučnici su precizne satove stavili u svemirske rakete velike brzine i kada su se vratili na Zemlju ti satovi su pokazivali kako kasne za satovima na Zemlji. Kašnjenje je bilo minijaturno, ali to nema veze – Ajnštajnova teorija je dokazana. 

To je ogromna stvar koju još i danas teško možemo laički razumjeti, ali koja u potpunosti mijenja našu percepciju o svemiru, ali i vremenu. Koncept će kasnije biti popularizovan u nizu romana i filmova s centralnom temom putovanja kroz vrijeme (o toj temi mogli bismo opširnije jednom drugom prilikom).

Dakle, prije nego krenemo na glavnu stvar, što smo do sada naučili? Njutn nam je rekao puno o rudimentarnoj gravitaciji, onakvoj kakvom je doživljavamo “prostim okom” oko sebe, ali Ajnštajn je išao korak dalje i dokazao da postoji tzv. prostor-vrijeme kontinuum, odnosno da se prostor zakrivljuje oko mase i da od tamo proizlazi gravitacija.

Njutnovo objašnjenje pomaže nam da shvatimo gravitaciju “oko nas”, ali ne i u bespućima svemira, njegovi zakoni tamo daju pogrešne rezultate, ali Ajnštajn je to riješio nadogradnjom o zakrivljenom prostoru.

Sada dolazimo do ključnog trenutka, do aktualne istorijske spoznaje koja je potvrdila da je Ajnštajnova teorija tačna sve ovo vrijeme. Naime, Ajnštajn je tvrdio da se pri zakrivljenju tog prostora dešavaju tzv. gravitacijski talasi koji titraju, plove iz izvora zakrivljenja prema spolja.

Ti gravitacijski talasi, predviđao je Ajnštajn daleke 1916., transportuju energiju i gravitacionu radijaciju.

Sto godina kasnije, dobili smo potvrdu – Ajnštajn je, još jednom, bio u pravu! 

Kako je bio u pravu? Kako znamo? Znamo, danas znamo, jer otkrili smo postojanje gravitacionih talasa! Kako smo ih otkrili? Jesmo li ih vidjeli? Još bolje, čuli smo ih.

Pojasnimo to. Ovo je priča o drugoj galaksiji, milijardu ili i više svjetlosnih godina dalekoj, i dvije crne rupe. Kada govorimo o crnim rupama, nemojte da vas ime prevari, crna rupa je sve samo ne prazna – zamislite zvijezdu 10 puta masiviniju od našeg Sunca zgusnutu na prostor veličine grada Zagreba. Rezultat je izuzetno snažno gravitaciono polje – ono je toliko snažno da čak ni svjetlost iz njega ne može pobjeći, jer tolikom snagom privlači sve oko sebe, pa čak i samu svjetlost.

Dakle, te dvije crne rupe, već same po sebi ekstremno nabijene gravitacijskom snagom, su se sudarile. Što se desilo? Protreslo se samo tkivo prostor-vremena koji ih je okruživao. 

I što se onda desilo? Desilo se to da su gravitacioni talasi – o kojima je Ajnštajn teoretisao da postoje – eksplodirali prema svemiru ogromnom snagom, putujući sve dalje i dalje… sve do nas, sve do Zemlje. 

Srećom po nas, zadnjih godina smo ipak toliko napredovali da smo odlučili uložiti trud u istraživanje Ajnštajnovih genijalnih teorija. S tim ciljem su u SAD-u izgrađene dvije ogromne “slušaonice”, odnosno dva velika kompleksa koja su imala za cilj slušati zvukove koji nam dolaze iz svemira, tačnije zvukove koji bi mogli potvrditi postojanje upravo gravitacionih talasa.

Puni naziv ovih velikih kompleksa je Laserski Inteferometarski Opservatorij za Gravitacijske Talase ili LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Kako izgleda? Uz centralnu stanicu svaki opservatorij ima dva kraka (u obliku slova L), s vakuumskim sistemima, dužine od po 4 kilometra. Nadalje, dva opservatorija – jedan u Livingstonu, američkoj saveznoj državi Luizijana, a drugi u Hanfordu, američkoj saveznoj državi Vašington – udaljena su tačno 3,002 kilometra. Zašto? Izračunato je kako je ovo razlika u vremenu dolaska gravitacijskih talasa od oko 10 milisekundi.

Opservatoriji su izgrađeni prije desetak godina, ali tek ove godine su unaprijeđeni s novom tehnologijom i ona je odmah urodila plodom.

Kolosalna svemirska kolizija, ogromna eksplozija koja se desila u trenutku kada su se sudarile i spojile dvije crne rupe, proizvela je toliko snažno podrthavanje koje je putovalo kroz svemir, daleko, daleko, sve do nas… Naravno, dok ovo podrhtavanje prevali toliki put, tolike milione svjetlosnih godina, ono je već toliko suptilno i tiho da taj kozmički šapat – o kojem se do sada pričalo samo u teoriji – eventualno možemo čuti samo uz najnapredniju opremu.

To se danas dogodilo – čuli smo taj nemir, prvi put. Ajnštajn je bio u pravu, gravitacioni talasi postoje, a mi možemo uistinu reći da smo svjedoci nečega što je prekrasno i očaravajuće.

Čujte kako zvuči gravitacioni talas koji nam dolazi iz nekih dalekih, dalekih svemirskih prostranstava – poslušajte, prvi put u istoriji, zvuk koji nastaje sudarom dvije crne rupe: 

Što se mijenja nakon ovoga? Sve. Pogled prema svemiru više nikad neće biti isti jer ljudi su do sada imali prilike, donekle, gledati svemir, a, od sada ga prvi put i čuju. Čuti svemir je nova izuzetna sposobnost, nešto kao skener svemira, sposobnost kojom ćemo moći pronaći tijela za koja smo samo zamišljali da u svemiru negdje možda postoje, ali i ona do kojih još nije došla ni naša spoznaja ni naša mašta.

Tekst preuzet sa Advance.hr