Συλλαμβάνοντας τη βαρύτητα

Πηγή: The Guardian, 5 Νοεμβρίου 2005

Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι είναι στα πρόθυρα της μέτρησης των βαρυτικών κυμάτων, ένα από τα πιο άπιαστα φαινόμενα στο σύμπαν, για πρώτη φορά.

Ο Αλβέρτος Αϊνστάιν πρόβλεψε την ύπαρξη αυτών των κυμάτων στην εργασία του για τη γενική θεωρία της σχετικότητάς του. Υποστήριξε ότι όταν επιταχύνεται μια μάζα, αναγκάζει τον χωροχρονικό ιστό γύρω της να τεντώνεται και να συμπιέζεται. Τα κύματα αυτά δεν έχουν φανερωθεί μέχρι τώρα στους επιστήμονες για έναν απλό λόγο: η βαρύτητα είναι μια τέτοια ασθενής δύναμη, που παράγει εξαιρετικά μικροσκοπικά κύματα και κανένα όργανο δεν είναι αρκετά ευαίσθητο για να τα ανιχνεύσει.

Αλλά αυτός ο περιορισμός μπορεί σύντομα να τελειώνει. Την περασμένη εβδομάδα οι επιστήμονες στο Hanford ξεκίνησαν ένα πείραμα - το Ligo - κόστους 350 εκατομμυρίων δολαρίων, και είναι βέβαιοι ότι θα βρουν τα πρώτα αποδεικτικά στοιχεία για την ύπαρξη αυτών των άπιαστων κυμάτων του Einstein. Τον προσεχή μήνα, το Ligo θα ενωθεί με το Geo 600 έναν ανιχνευτή στο Αννόβερο, που κοστίζει 7 εκατ. € και έχει οργανωθεί από επιστήμονες των πανεπιστημίων της Γλασκώβης, του Κάρντιφ, του Μπέρμιγχαμ και του Αννόβερου.

Η πρώτη προσπάθεια να ανιχνευθούν τα κύματα έγινε κατά τη δεκαετία του '60 από το φυσικό Joseph Weber στο πανεπιστήμιο Μέρυλαντ. Το πείραμά του περιλάμβανε την αιώρηση μιας στήλης αλουμινίου βάρους 1 τόνου σε ένα κενό και περίμενε, εάν υπήρχαν διερχόμενα κύματα βαρύτητας, να την αναγκάσουν να 'ταλαντωθεί'. Δυστυχώς, πήρε πάρα πολλά ψεύτικα σήματα και το πείραμα του δυσφημήθηκε.

Εντούτοις, τα κύματα έχουν μετρηθεί μόνο έμμεσα. Ο Russell Hulse και ο Joseph Taylor Junior, στο Πανεπιστήμιο Princeton, κέρδισαν το βραβείο Νόμπελ το 1993 για την παρατήρησή τους ότι η απόσταση μεταξύ ενός ζεύγους άστρων νετρονίων μειωνόταν λόγω της ενέργειας που μεταφέρθηκε από τα κύματα βαρύτητας.

Όμως, οι σύγχρονοι ανιχνευτές χρησιμοποιούν λέιζερ για να μετρήσουν την αλλαγή στην απόσταση που προκαλείται από τα κύματα της βαρύτητας μεταξύ δύο δοκιμαστικών μαζών. Τα συστήματα Ligo και Geo 600 είναι τόσο ευαίσθητα, που μπορούν να ανιχνεύσουν οποιαδήποτε μεταβολή στην απόσταση που είναι μικρότερη από το 1/3000 του πλάτους ενός πρωτονίου - ή λιγότερο από το ένα 10^-23 του μέτρου. Οι επιστήμονες ξέρουν ότι για μια οποιαδήποτε αληθινή παρατήρηση των κυμάτων της βαρύτητας θα χρειαστούν ταυτόχρονες καταγραφές σε όλους τους ανιχνευτές.

Αλλά ποτέ δεν ήταν τόσο βέβαιοι. "Τα πειράματα φτάνουν ακριβώς στο στάδιο όπου είναι δυνατή η λήψη των πρώτων αποτελεσμάτων", λέει ο Jim Hough του πανεπιστημίου της Γλασκώβης. Είναι μια εμπιστοσύνη που εξέπληξε την εταιρεία στοιχημάτων Ladbrokes. Πέρυσι τον Αύγουστο, το περιοδικό New Scientist ρώτησε τους μπούκερς για τις πιθανότητες που είχαν οι επιστήμονες να ανακαλύψουν τα κύματα της βαρύτητας έως το 2010, και αυτοί έδωσαν πιθανότητα 500 προς ένα, προτρέποντας τους επιστήμονες να βάλουν στοιχήματα.

Αργότερα με τις ανακοινώσεις του καθηγητή Hough, οι πιθανότητες είχαν μειωθεί 100 προς ένα. Ενώ αργά εκείνο το απόγευμα της ανακοίνωσης, έπεσαν στο έξι προς ένα, και μέχρι το τέλος της επόμενης ημέρας, η εταιρεία στοιχημάτων Ladbrokes είχε σταματήσει τα στοιχήματα.

Η ανίχνευση των κυμάτων της βαρύτητας θα έχει βαθιές επιπτώσεις στην κοσμολογία. Θα δώσουν στους κοσμολόγους την ευκαιρία να κατανοήσουν καλύτερα το σύμπαν αμέσως μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη.

Στα πρώτα-πρώτα εκατό χιλιάδες χρόνια του Κόσμου, το σύμπαν ήταν τόσο πυκνό και καυτό που η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία όπως το φως δεν μπορούσε να διαπεράσει σε μεγάλη απόσταση. Κατά συνέπεια, δεν υπάρχει τίποτα από τότε που να φθάσει στη γη και δεν υπάρχει τρόπος να γίνει κατανοητό άμεσα το τότε Σύμπαν. Αλλά τα κύματα της βαρύτητας μπόρεσαν να περάσουν μέσω του σύμπαντος ανεμπόδιστα και μπορούν σήμερα να δώσουν ένα νέο παράθυρο στον πρώιμο Κόσμο.

Τι είναι τα κύματα βαρύτητας;

Βαρυτικά κύματα από αντικείμενα

Είναι οι κυματισμοί (αναταράξεις) που δημιουργούνται μέσα στο χώρο και χρόνο (χωρόχρονο) του Σύμπαντος. Πάντως, θεωρούμε ότι τα βαρυτικά κύματα εκπέμπονται είτε από μαύρες τρύπες είτε από συμπαγείς αστέρες που περιστρέφονται ο ένας γύρω από τον άλλο. Έτσι, δημιουργούνται παραμορφώσεις στο χωρόχρονο, που εμφανίζονται ως ταλαντώσεις (όπως ακριβώς οι κυματισμοί στην επιφάνεια του νερού μιας λίμνης μετά τη ρίψη πέτρας) γύρω από τα αντικείμενα αυτά.

Αυτοί οι αόρατοι κυματισμοί ταξιδεύουν προς τη Γη και μεταφέρουν μαζί τους πολύτιμες πληροφορίες για τη βίαιη προέλευσή τους και τη φύση της βαρύτητας, που συνεχίζει μέχρι σήμερα να κρύβει μυστήρια.

Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν είχε προβλέψει την ύπαρξη των κυμάτων βαρύτητας το 1916 στη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, αλλά μονάχα τώρα ο άνθρωπος έχει την τεχνολογία που θα του επιτρέψει την ανίχνευσή τους.

Παρ' όλο που τα συγκεκριμένα αυτά κύματα δεν έχουν ανιχνευτεί άμεσα, η επίδρασή τους πάνω σε ένα διπλό σύστημα πάλσαρ (δύο άστρα νετρονίων -υπέρπυκνα άστρα αποτελούμενα ολοκληρωτικά από νετρόνια- σε μεταξύ τους τροχιά) έχει μετρηθεί με μεγάλη ακρίβεια και συμφωνεί πλήρως με τη θεωρία περί κυμάτων βαρύτητας.

Συμβολόμετρο

Είναι ευαίσθητο όργανο με πολύ μεγάλη ακρίβεια που μπορεί να συγκριθεί μόνο με την διακριτική ικανότητα των ηλεκτρονικών μικροσκοπίων. Σε αυτό το όργανο, μιά αρχική δέσμη φωτός με τη βοήθεια ημιδιαφανούς κατόπτρου χωρίζεται στα δύο, που μετά την ανάκλαση τους σε δύο κάτοπτρα επιστρέφουν πάλι στο διαχωριστή δέσμης, που τώρα έχει το ρόλο του συνθέτη, όπου οι δύο δέσμες συμβάλλουν και ανάλογα δίνουν κροσσούς συμβολής ομόκεντρους κύκλους ή ελαφρά καμπύλες γραμμές κλπ.