Foto: Privatni album/YouTube/Wikipedia

NOBELOVA nagrada za fiziku za 2017. godinu dodijeljena je za otkriće gravitacijskih valova.

Kako smo pisali na Indexu, ovo je otkriće još prošle godine bilo spominjano kao jedan od mogućih favorita.

Švedska kraljevska akademija, odlučila je nagradu dodijeliti Raineru Weissu, Barryju Barishu i Kipu Thorneu, koji su najviše pridonijeli otkriću (na slici dolje redom).

Sva trojica članovi su kolaboracije LIGO-Virgo u kojoj radi više od tisuću znanstvenika. Ona je u veljači prošle godine objavila da je po prvi put zabilježila gravitacijske valove nastale u srazu dviju crnih rupa.  Prof. Weiss dobit će pola iznosa od oko milijun dolara, a Barish i Thorne drugu polovicu. Da je nagrada dodijeljena prošle godine, vjerojatno bi jedan dio dobio i škotski znanstvenik Ron Drever koji je, nažalost, umro u ožujku ove godine.

Novopečeni nobelovci najzaslužniji su za razvoj ultra-preciznog sustava detektora utemeljenih na laserima koji je omogućio otkrivanje minijaturnih nabora u prostor vremenu.

Govoreći na konferenciji za novinare Olga Botner iz Švedske kraljevske akademije znanosti rekla je: „Prvo otkriće gravitacijskih valova predstavlja kamen temeljac – prozor u svemir“.

Za nas je posebno zanimljivo to što je u istraživanjima sudjelovao i Damir Buškulić, fizičar podrijetlom iz Zadra koji živi i predaje u Francuskoj, a radi na detektoru Virgo u Italiji. On je za Index u više navrata komentirao i tumačio fiziku koja stoji iza otkrića.

Gravitacijski valovi stvoreni u srazu dviju crnih rupa prvi put su zabilježeni 2015. godine, a njihovo otkriće proglašeno je jednim od najvažnijih u astronomiji 21. stoljeća. Od tada do danas zabilježeni su još tri puta.

Otkriće koje je potvrdilo Einsteinova predviđanja

Otkriće je, među ostalim, potvrdilo predviđanja Einsteinove opće teorije relativnosti prema kojima bi kretanje tijela trebalo uzrokovati stvaranje gravitacijskih valova, odnosno nabora u prostor vremenu.

Prema teoriji relativnosti gravitacija se očituje kao iskrivljenje u prostor vremenu. Pojednostavnjeno govoreći neko veliko tijelo iskrivit će prostor vrijeme oko sebe na sličan način kao što će neka teška kugla svojom težinom iskriviti gumenu opnu ako je postavimo na nju. Ako po istoj toj iskrivljenoj gumi zakotrljamo neku manju kuglu, ona se neće kretati potpuno pravocrtno, već će u nastaloj udubini kružiti oko velike kugle. Na sličan način možemo zamisliti kruženje planeta oko zvijezde. Ova teorija promijenila je ranije shvaćanje gravitacijske sile koje se moglo vizualizirati kao da su zvijezda i planet povezani nekim nevidljivim konopcem.

Nastajanje gravitacijskih valova možemo razumjeti ako zamislimo neko veliko tijelo koje se kreće kroz prostor vrijeme. Ono će poput čamca koji uzrokuje iskrivljenje i stvaranje valova u moru uzrokovati mreškanje, odnosno stvaranje valova u prostor vremenu.

Einstein je još 2016. predvidio postojanje gravitacijskih valova. No on je izračunao da će ti nabori biti toliko sićušni da nije vjerovao da će ljudi ikada moći konstruirati dovoljno osjetljive uređaje koji bi ih mogli otkrivati.

U tome se ipak prevario. Stotinjak godina kasnije, ponajviše zahvaljujući nagrađenim fizičarima, konstruirana su dva detektora - sastavni dijelovi eksperimenta LIGO, jedan na jednom, a drugi na drugom kraju SAD-a. Nešto kasnije na istu razinu osjetljivosti doveden je i Virgo u Italiji, nedaleko od Pise.

Kako se otkrivaju gravitacijski valovi?

Kako smo već objasnili, gravitacijski valovi predstavljaju deformacije, odnosno mreškanja u prostor vremenu. Zbog toga će se prostor kroz koji prolazi gravitacijski val izduživati i skraćivati. Te promjene su izuzetno male, mjere se u milijardinkama atoma. No trojac fizičara ipak je našao rješenje za njihovo mjerenje.

Evo kako su to učinili (grafika dolje). Detektori koji mjere gravitacijske valove koriste svjetlost lasera. Ova svjetlost dijeli se kroz polupropusna zrcala i usmjerava u dva kraka pod pravim kutom (pogledajte sliku jednog kraka gore). U normalnim okolnostima, bez gravitacijskih valova, amplitude svjetlosti podešene su tako da se međusobno zbrajaju interferencijom – kada jedna ima maksimum i druga ima maksimum pa je rezultat jače svjetlo (1).

No kada naiđe gravitacijski val, on će malo izdužiti, odnosno skratiti prostor, a time i dužine krakova. Budući da su valne duljine svjetlosti minijaturne, da je svaki krak dug četiri kilometra, te da svjetlost kroz njih prolazi više puta, čak i mala promjena u dužini kraka na kraju će se moći zabilježiti - dovest će do poremećaja koji može učiniti da se faze poništavaju (2).

Detektor LIGO, izgrađen u SAD-u 2002., vrijedan oko milijardu dolara, sastoji se od dva golema detektora sa po dva kraka koji su međusobno udaljeni oko 3.000 km. Jedan je smješten u saveznoj državi Louisiani, a drugi u Washingtonu. Na isti način funkcionira i Virgo u Italiji. Kada sva tri rade zajedno, uz pomoć triangulacije, mogu preciznije otkrivati izvore gravitacijskih valova nego što je to moguće samo s dva. U tom smislu ova velika kolaboracija sa svojim otkrićima predstavlja kamen temeljac za gravitacijsku astronomiju.