Ogólna teoria względności [ General relativity- GR ], zwana często “Teorią grawitacji”, to najpiękniejsza teoria nowożytnej fizyki.
“Teoria grawitacji Einsteina odznacza się wewnętrzną doskonałością – powiedział w roku 1978 Paul Dirac. Herman Weyl uznał ogólną teorię względności Einsteina za najwspanialszy przykład potęgi spekulatywnego myślenia. Landau i Lifszyc uważali ja za najpiękniejszą ze wszystkich teorii fizycznych.
W przyszłym roku obchodzić będziemy 100 - lecie jej istnienia. Przez owe sto lat, GR uzyskała empiryczne potwierdzenie swoich głównych hipotez , poczynając od krzywoliniowego toru rozchodzenia się światła w pobliżu wielkich mas , np. gwiazd.
Jednak przez cały ten czas, idea Alberta Einsteina istnienia w przyrodzie fal grawitacyjnych , nie została empirycznie potwierdzona ,mimo że teoria warunków ich powstawania i własności jest już od dawna przedmiotem studiów studentów wydziałów fizyki, oraz jest referowana w podręcznikach akademickich.
Ostatnie zdanie było prawdziwe do dnia 17 marca 2014 roku.
Bowiem w tym dniu, w mediach światowych ukazał się komunikat o tym, że międzynarodowy zespół badawczy astronomów i fizyków, pracujący od trzech lat - pod kierownictwem naukowym i organizacyjnym prof.Jana Kovaca, z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics – z zastosowaniem teleskopu + układu kilkuset polarymetrów [całość o kryptonimie BICEP 2] , zainstalowanym na Biegunie Południowym[ tam zimne, suche powietrze oferuje szczególnie stabilne warunki oglądania ] , odkrył fale grawitacyjne , które rozprzestrzeniały się w fazie początkowej Big Bangu [ w j. angielskim “ Primordial Gravitational Waves].
Teleskop BICEP 2 na Biegunie Południowym [wiki.en.org]
Prof. Jan Kovac
Aby zrozumieć, dlaczego dopiero teraz można było dowieść istnienia fal grawitacyjnych i to nie: aktualnie istniejących fal [ chociaż jesteśmy przekonani, że aktualnie w rozmaitych miejscach czasoprzestrzeni powstają i rozchodzą się te fale], lecz powstałych we wczesnej historii wszechświata, muszę czytelnikowi przypomnieć telegraficznie paradygmat kosmologii o akronimie “Big Bang”.
Centralną hipotezą kosmologii współczesnej jest , iż nasz wszechświat powstał [13,772 mld lat temu]w akcie wybuchu mikrostanu punktowego nieznanego rodzaju substancji. W przedziale czasu od zera do 10^(-45) s [ era Plancka] ta substancja tworzyła osobliwość w sensie ogólnej teorii względności. BB zapoczątkował pojawienie się czasu, przestrzeni, energii, oddziaływań .
W czasie 10−36 s po Wielkim Wybuchu i do 10−33–10−32 s po nim, trwała era inflacji zwiększając liniowe rozmiary Wszechświata o czynnik co najmniej 1026, a jego objętość o czynnik co najmniej 1078.
Według GR grawitacja jest krzywizną czasoprzestrzeni. Tym samym ,ekspandujący wykładniczo wszechświat jest potężną perturbacją czasoprzestrzeni czyli pierwotną falą grawitacyjną.. Dudniąca czasporzestrzeń była wypełniona gęstą, gorącą mieszaniną kwarków, antykwarków i gluonów . Pod koniec 10^(-4)s obecne w niej fotony silnie oddziaływały z elektronami, protonami , neutronami i atomami i nie rozprzestrzeniały się swobodnie: wszechświat był ciemny, coraz większy i coraz zimniejszy.
Po upływie ok.300 000 lat ekspansji i przy temperaturze ok.3000 K, fotony nie mają już energii dostatecznej do oddziaływania z atomami i stając się swobodnymi, utworzyły tzw. promieniowanie tła [ lub inna nazwa- promieniowanie reliktowe [CMB], które pod dziś dzień wypełnia dostępną naszemu badaniu czasoprzestrzeń .
Badając jego własności [ od momentu przypadkowego odkrycia w roku 1947] poznajemy tym samym stan wszechświata z okresu jego “niemowlęctwa”.
Szczególnie interesujące – dla tematyki tego wpisu- jest badanie stanu i rozkładu polaryzacji promieniowania CMB. Dlatego , że w 1997 roku prof.Marc Kamionkowski [niezwykła postać we współczesnej fizyce i astronomii] z zespołem, w pracy opublikowanej w Review Letters [1] ,sformułował hipotezę i wykazał teoretycznie jej racjonalne podstawy, że “Primordial Gravitational Waves”[pierwotne fale grawitacyjne z fazy inflacyjnej] musiały zniekształcić w ściśle określony sposób ,polaryzację promieniowanie reliktowego CMB.
Prof.Marc Kamionkowski,fizyk,kosmolog,Johns Hopkins University,Baltimore [USA]
Wcześniej , noblista Subrahmanyan Chandrasekhar w pracy [2] pokazał ,że inflacyjna faza ewolucji wszechświata musiała obfitować w tzw. uderzeniowe fale grawitacyjne .
Hipotezę tą podjęli dwaj super-kwantowcy L.Krauss i F.Wilczek [ ten drugi to noblista] w pracy [3] pokazując elementarną metodą stosowaną w dydaktyce fizyki ,tzw. metodą analizy wymiarowej ,że wpływ Primordial Gravitational Waves na postać polaryzacji CMB może mieć naturę oddziaływania grawitonów na fotony promieniowania tła. Tym samym pojawił horyzont możliwości ustrzelenia za jednym strzałem [wykrycie i zbadanie zniekształceń polaryzacji CMB] podwójnego “zwierza”, a mianowicie wykrycia :kwantowego charakteru tych fal.
Jednak już przed przystąpieniem do obserwacji i pomiarów zniekształceń polaryzacji CMB fizycy hipotetycznie wiedzieli ,że mogą być dwie przyczyny tych zniekształceń ,dające dwie różne formy zwane modami .
Mod-E wywołany jest zmiennością gęstości materii, a mod-B wywołany jest falą grawitacyjną.
Mody zniekształceń polaryzacji promieniowania elektromagnetycznego reliktowego ,uzyskane na drodze analiz matematycznych są pokazane na rys.5
rys.5
Po dwóch latach pomiarów formy polaryzacji promieniowania CMB, zespół BICEP 2 uzyskał wykresy charakterystyczne dla modu-B ! Detektory BICEP 2 zarejestrowały wyjątkowo silny sygnał B-mode polaryzacji ,przekraczający przewyższający statystyczny próg istotności pomiaru 5-sigma. Rys.6 zaczerpnięty z pracy [4,5]
rys.6
rys.7
Tym samym fale grawitacyjne, polegające na rozprzestrzenianiu się zniekształceń czasoprzestrzeni ,które powstały pod koniec fazy inflacyjnej ewolucji wszechświata, dostępnego naszemu poznaniu, zostały odkryte doświadczalnie za pośrednictwem obserwacji i pomiarów modu-B polaryzacji promieniowania tła . Jest to niezaprzeczalny triumf ogólnej teorii względności, dzieła życia Alberta Einsteina.
Co wcale nie oznacza, że brak stanowiska krytycznego wobec odkrycia BICEP 2 w środowisku światowym astrofizyki. Wielu czeka na wyniki zaprojektowanych pomiarów tego samego zjawiska przez misję satelity Planck. Znany kosmolog , Neil Turok z Perimeter Institute, autor hipotezy cyklicznego “big bangu” sugeruje ,że zniekształcenie postaci polaryzacji promieniowania tła może być wywołane innym, aktualnie działającym czynnikiem ,np. pyłem galaktycznym [ zobacz 6].
Literatura
[1] M.Kamionkowski,A.Kosowsky,A.Stebbins, Statistics of Cosmic Microwave Background Polarization, Review Letters 78 (11), 2058,1997, arXiv : astro-ph/9611125v1
[2] S.Chandrasekhar,The Mathematical Theory of Black Holes,Oxford,1983
[3] L.M.Krauss, F.Wilczek,Using Cosmology to Establish the Quantization of Gravity 19.01.2014, Physical Review D ,Feb. 20, 2014, arXiv:1309.5343
[5] Bicep 2 : Detection Of B-mode Polarization at Degree Angular Scales,arXiv : 1403.3985
