Mały Gość: Grawitacja kojarzyła mi się zawsze z przyciąganiem ziemskim. Teraz, po ostatnim odkryciu, zupełnie nie rozumiem, czym są te dziwne fale.

Karol Wójcicki: Zanim wyjaśnię, czym są fale grawitacyjne, powiem, dlaczego to odkrycie jest tak ważne. Człowiek postrzega świat różnymi zmysłami. Możemy kogoś zobaczyć za pomocą oczu, możemy usłyszeć dzięki uszom, możemy poczuć dotyk czy zapach. Astronomowie też potrzebują różnych zmysłów, by odkrywać wszechświat. Do tej pory mieli w zasadzie tylko dwa zmysły, a właściwie jeden, czyli fale elektromagnetyczne.

Co to oznacza?

Dzięki teleskopom astronomowie mogli widzieć światło. Ale są też takie obiekty, których nie można zobaczyć, bo nie świecą, tylko wysyłają w kosmos na przykład fale radiowe.

Czyli tak jak w radiu: nie widać, ale słychać?

Rzeczywiście, w telewizorze widzimy obraz i słyszymy dźwięk. Gdy włączymy radio, słyszymy tylko głos. Podobnie jest w kosmosie. Niektóre obiekty nie wysyłają światła, tylko różnego rodzaje fale: radiowe, mikrofalowe, gamma czy rentgenowskie, które możemy jakby usłyszeć. Odbieramy od nich informacje, tylko w innej formie.

Okazuje się, że zmysłów używanych przez astronomów zrobiło się całkiem sporo…

Tak, ale gdy będziemy uważać na lekcjach fizyki, okaże się, że wszystkie te fale to jedno i to samo. Ogólnie nazywamy je falami elektromagnetycznymi. Astronomowie od dawna marzyli, aby mieć coś jeszcze do badań kosmosu.

To coś jeszcze to fale grawitacyjne?

Dokładnie. O istnieniu tego nowego nośnika informacji mówił pan, który żył 100 lat temu. Nazywał się Albert Einstein. Naukowcy wiele lat szukali potwierdzenia, czy takie fale w ogóle istnieją.

I dopiero teraz okazało się, że Einstein się nie mylił?

Fale grawitacyjne są bardzo delikatne i niezwykle trudno je wykryć. Dopiero we wrześniu 2015 roku zbudowano gigantyczne urządzenie, dzięki któremu udało się je zaobserwować i potwierdzić teorię Einsteina. Ale nie tylko. Naukowcy przede wszystkim będą mogli poznawać zupełnie nieznane jeszcze zjawiska i wydarzenia, nawet bardzo odległe.

Na czym polega tajemnica fal grawitacyjnych?

Najprościej wyobrazić sobie duże spokojne jezioro, do którego wrzucamy nagle wielki kamień. Gdy kamień wpadnie do wody, tafla jeziora się porusza, powstają fale. Świat, w którym żyjemy, to, co nas otacza, Księżyc, planety, gwiazdy, ale i przestrzeń między nimi, nazywamy czasoprzestrzenią. Można ją w pewnym sensie porównać do takiej tafli jeziora, na którą rzucono kamień, czyli powstało jakieś niezwykle silne wydarzenie gdzieś daleko w kosmosie.

Czy Einstein też tak tłumaczył zjawisko fal grawitacyjnych?

Albert Einstein dowodził, że czasoprzestrzeń przypomina trampolinę, również pozornie płaską i spokojną. Ale co się stanie, gdy na trampolinę nagle wejdzie dziecko?

Trampolina się ugnie.

Dokładnie. Gdy położymy na niej kulkę, ta trampolina zacznie się poruszać, a kulka stoczy się w miejsce, gdzie stoi dziecko. W ten sposób Einstein tłumaczył siłę znaną od dawna, którą nazywamy grawitacją. Siłę, która sprawia, że przedmioty się przyciągają, że Ziemia nas przyciąga. Planety, które działają na siebie, są jak dzieci na trampolinie. Uginają czasoprzestrzeń i obiekty zaczynają się do siebie zbliżać. Na tym polega grawitacja. Einstein wyliczył, że musi istnieć takie zjawisko, które spowoduje drganie i falowanie czasoprzestrzeni, bo kiedy dziecko zacznie biec po trampolinie, rozpędzać się lub zwalniać, trampolina będzie pod nim drgała i lekko falowała. Trzeba było sprawdzić, czy wszechświat zachowuje się tak samo, czy bardzo masywne obiekty, takie jak na przykład czarna dziura, poruszając się coraz szybciej lub coraz wolniej, sprawiają, że przestrzeń dookoła nich zaczyna drgać i zaczynają rozchodzić się fale.

Proszę jeszcze wytłumaczyć: co to jest czarna dziura?

Czarna dziura to niezwykle masywny obiekt. Jak bardzo? Najlepiej wytłumaczyć to prostym przykładem. Gdy podrzucimy na Ziemi kamień, ten spadnie. Żeby odleciał w kosmos, musimy go podrzucić z prędkością 7,9 km/s. To tak zwana prędkość ucieczki – do takiej prędkości muszą rozpędzać się rakiety, żeby odlecieć z Ziemi w kosmos. Im masywniejsza planeta, tym prędkość ucieczki jest większa. W Układzie Słonecznym najbardziej trzeba się rozpędzić, żeby uciec ze Słońca. Czarna dziu- ra to taki masywny obiekt, że jego prędkość ucieczki jest większa od prędkości światła. A że nic nie może poruszać się szybciej od światła, do czarnej dziury wszystko może wpaść, ale nic nie może już wylecieć. Nawet światło. Dlatego jest czarna.

Jak fale grawitacyjne działają na naszą Ziemię?

Naukowcy podejrzewali, że fala grawitacyjna, docierając do jakiegoś obiektu, delikatnie zmieni jego kształt. To działa trochę jak galaretka. Gdy ją delikatnie natniemy i zaczniemy nią trząść, nacięcie stanie się lekko pofalowane. Zacznie się zwiększać albo zmniejszać. Fale grawitacyjne działają podobnie na Ziemię. Sprawiają, że nasza planeta trochę się kurczy i rozpręża.

Czy takie kurczenie się Ziemi nie powoduje na przykład pękania domów?

Nie, ponieważ te zmiany są bardzo malutkie, o czym od dawna wiedzieliśmy. Tak delikatne, że potrzebne było niezwykle precyzyjne urządzenie o nazwie LIGO. Wykorzystuje ono potężny laser, którego promień rozdzielono na dwa kierunki. Biegną one na odległość 4 km, odbijają się od luster i spotykają w tym samym miejscu. Urządzenie mierzy, czy obie wiązki przebyły dokładnie taką samą drogę.

I co się okazało?

14 września wiązka lasera w jednym z ramion wydłużyła się na ułamek sekundy o jedną milionową milionowej części metra. Tyle wystarczyło, by potwierdzić istnienie fal grawitacyjnych.

Czy tak niewielkie odchylenie nie mogło być spowodowane wybuchem petardy albo przejazdem pociągu?

Urządzenie jest schowane pod ziemią. A poza tym, aby nie było wątpliwości, tysiące kilometrów dalej znajduje się drugie takie samo urządzenie, które w tym samym czasie zanotowało takie samo zjawisko. Mamy więc pewność, że przez Ziemię przeszła fala grawitacyjna, a Ziemia na ułamek sekundy stała się najpierw trochę większa, potem trochę mniejsza, jak ta nasza galaretka.

Co spowodowało pojawienie się fali grawitacyjnej? Co było tym biegnącym dzieckiem po trampolinie?

Naukowcom udało się wyliczyć, że tak delikatną falę spowodowało jedno z najpotężniejszych zjawisk, jakie kiedykolwiek zaobserwowali astronomowie. Dwie wielkie czarne dziury, dużo masywniejsze od naszego Słońca, krążyły sobie w czasoprzestrzeni i w pewnym momencie zderzyły się ze sobą i połączyły. Doszło do niewyobrażalnej eksplozji. Kiedy wybucha bomba atomowa, mówimy o sile kilku megaton trotylu. Energia ze zderzenia dwóch czarnych dziur była tak wielka, że takiej liczby ton trotylu nie bylibyśmy w stanie nazwać, tyle miałaby zer. Wystarczy dodać, że była dziesięć razy większa niż energia wyprodukowana w tym samych czasie przez cały pozostały wszechświat.