Delta mi!

Jedną z konsekwencji teorii względności Einsteina jest wzrost bezwładności ciał w ruchu. W skrócie, im szybciej porusza się ciało, tym trudniej jest zmienić jego prędkość. Ponieważ wielkością będącą miarą bezwładności w fizyce jest masa, kuszącym pomysłem jest, aby tłumaczyć ten efekt wzrostem masy właśnie. Wiele materiałów dotyczących Szczególnej Teorii Względności wprowadza wobec tego podział na "masę spoczynkową", czyli masę, którą ciało ma w bezruchu, i "masę relatywistyczną", czyli masę ciała w ruchu, większą od spoczynkowej...

Zgodnie z obecnym stanem wiedzy (czyli ogólną teorią względności) otaczająca nas przestrzeń, ale także tempo upływu czasu zmieniają się zależnie od obecności i ruchu znajdujących się w pobliżu mas. Czasoprzestrzeń rzeczywiście istnieje jako autonomiczny "obiekt", który marszczy się i wygina (co wiemy z obserwacji fal grawitacyjnych), a także jest "ciągnięta" bądź "wleczona" zgodnie z ruchem obrotowym masywnego ciała.

Nikogo prawdopodobnie nie dziwi fakt, że gdy wyrzucimy jakiś przedmiot, np. piłkę, to tor jego lotu nie będzie linią prostą, tylko zakrzywi się w stronę Ziemi. Interpretujemy to jako konsekwencję oddziaływania grawitacyjnego między tym obiektem a Ziemią. Większość ludzi wie (aczkolwiek ciągle aktywni są przeciwnicy tej tezy), że Ziemia, tak jak inne planety Układu Słonecznego, krąży po orbicie wokół Słońca. Podobnie satelity krążą wokół Ziemi, która zakrzywia tor ich ruchu, tak samo jak zakrzywia tor lotu piłki...

Z pozoru niewinne, zawarte w tytule pytanie od kilku lat wywołuje gorące spory w środowisku kosmologów. Okazuje się bowiem, że aktualna dziś odpowiedź na nie brzmi: zależy, jak mierzyć.

Gdy na przełomie XV i XVI wieku Krzysztof Kolumb przybijał z kolejnymi wyprawami do wybrzeży Ameryki, był przekonany, że są to wybrzeża Azji. W owych czasach określenie swojej pozycji na ziemskim globie nie było tak trywialnie proste jak dziś, kiedy prawie każdy ma w smartfonie odbiornik zdolny do określania aktualnego położenia z dokładnością do kilku metrów. Być może nie każdy wie, że działanie satelitarnych systemów pozycjonowania oparte jest na teorii względności Einsteina, i to zarówno szczególnej (STW), jak i ogólnej (OTW). Takiego zastosowania swojej teorii nie przewidywał zapewne nawet sam jej odkrywca.

Ciemna materia i problem wyjaśnienia jej fizycznej natury to jedna z największych zagadek współczesnej nauki. Materia ta, w przeciwieństwie do znanej nam dobrze materii "świecącej" (lub też, jak kto woli, jasnej), pozostaje wciąż nieuchwytna we wszystkich ziemskich eksperymentach. O istnieniu tej tajemniczej formy materii, która nie oddziałuje elektromagnetycznie ani silnie jądrowo, najbardziej przekonani są astronomowie. Bez ciemnej materii prawie nic, co obserwujemy w sferach niebieskich, nie miałoby sensu i nie dało się wyjaśnić za pomocą znanych nam praw fizyki. Może się wydawać, że istnienie niewidocznej ciemnej materii jest pomysłem rodem z powieści science-fiction. Idea, że może istnieć materia, której nasze zwyczajne zmysły nie mogą uchwycić, jest jednak bardzo stara. Przyjrzyjmy się zatem jej historii.

Albert Einstein udowodnił, że energia i masa są tak ściśle powiązane, że można płacić jedną za drugą, a współczynnikiem wymiany jest kwadrat prędkości światła. Czyż jest prostsza i piękniejsza zależność opisująca nasz świat? Dziwne tylko, że absolwent szkoły średniej, a nawet kończący studia fizyki nie potrafią w sposób elementarny udowodnić, że Pora to zmienić. Przytoczę jedno z najprostszych wyprowadzeń. Opowiem też, jak wspaniale astronomia i fizyka pomogły sobie nawzajem w czasach Einsteina. Dzięki temu rozumiemy, jak Słońce nas oświetla i ogrzewa i jak długo jeszcze będzie to robić.

Ile wynosi suma wewnętrznych kątów w trójkącie? Kwestia ta nurtowała słynnego matematyka Carla Gaussa na tyle, że zadał sobie trud wspinania się na górskie szczyty. Jak wiadomo szczyty są po to, by je zdobywać, jednak błędem alpinistów jest to, że tę piękną metaforę traktują dosłownie. Gauss jednak nie był alpinistą. Chodził po górach nie po to, by "zdobywać szczyty", lecz po to, by przy użyciu urządzeń geodezyjnych mierzyć sumę kątów w gigantycznych trójkątach utworzonych z trzech odległych alpejskich wierzchołków.

Konieczność istnienia ciemnej materii (patrz np. Delta 11/2018) to nie koniec niespodzianek, jakie przyszykowały nam obserwacje Wszechświata. Od 20 lat wiemy, że dla pełnego wyjaśnienia składu kosmosu musimy dodać również ciemną energię. To ona miałaby być odpowiedzialna za odkryte w 1998 roku przyspieszanie ekspansji Wszechświata...

Kosmologowie uważają, że około ćwierci gęstości energii wypełniającej wszechświat stanowi tzw. ciemna materia - substancja nieoddziałująca lub bardzo słabo oddziałująca ze znaną materią, a w szczególności zupełnie przezroczysta dla światła. Są liczne i ważne powody, by pogląd ten podzielać...

Podróże w kosmos to marzenie większości dzieci i licznej grupy dorosłych (wliczając autora). Niestety, okazję do zrealizowania tych marzeń miała, jak na razie, bardzo nieliczna grupa ludzi, a najdalsze loty załogowe odbyte do tej pory to te z przełomu lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych dwudziestego wieku w ramach programu Apollo, dzięki któremu ludzie kilkukrotnie lądowali na Księżycu. Z kolei najdłuższe pobyty w przestrzeni kosmicznej były udziałem załóg stacji kosmicznych krążących na niskiej orbicie okołoziemskiej (kilkaset km nad jej powierzchnią) i trwały kilka miesięcy...

Znany matematyk i filozof angielski, Lord Bertrand Russell, jest autorem książeczki ABC teorii względności. Napisał w niej jak to bardzo wielu ludzi wie, że Einstein zrobił coś wielkiego - a jednocześnie mało kto wie, co to konkretnie jest. To samo można powiedzieć o teoriach eteru i o doświadczeniu Michelsona-Morleya - historycznie poprzedzających szczególną teorię względności. Bardzo wielu ludzi zainteresowanych fizyką o nich słyszało, ale zwykle nie poświęca się im tyle uwagi, ile potrzeba, aby zrozumieć historyczne korzenie szczególnej teorii względności (STW) i co zadecydowało o jej sukcesie.

Pamiętajcie, aby patrzeć w górę na gwiazdy, a nie w dół na swoje stopy. Starajcie się zrozumieć to, co widzicie i zastanawiajcie się, dlaczego Wszechświat istnieje. Bądźcie ciekawi. Jakkolwiek życie wyda się wam trudne, zawsze jest coś, co możecie zrobić i co może się wam udać. Liczy się to, że się nie poddajecie.
Stephen Hawking

Grawitacja jest jednym z czterech podstawowych oddziaływań znanych fizykom. Mimo że doświadczamy jej w codziennym życiu, jej natura jest najsłabiej zbadana zwłaszcza w warunkach odbiegających od ziemskich. Obserwacje Kosmosu pozwalają nam na śledzenie procesów zachodzących w ogromnych, nieosiągalnych na Ziemi polach grawitacyjnych, i w ten sposób testować nasze teorie. Jak do tej pory świetnie sprawdza się ogólna teoria względności Einsteina: opis sposobu, w jaki masy zakrzywiają wokół siebie przestrzeń i zmieniają tempo, w jakim płynie czas. Jeśli masy poruszają się w czasoprzestrzeni z przyśpieszeniem, to faluje ona i drga proporcjonalnie do wielkości mas i szybkości ich ruchu. Zmienne w czasie zachowanie się odległości i przepływu czasu w czasoprzestrzeni, wywołane ruchem mas, nazywamy falami grawitacyjnymi.

Ponad 300 lat temu Newton sformułował teorię grawitacyjnego przyciągania się ciał i tym samym wprowadził do fizyki pojęcie pola grawitacyjnego. Pole to wypełnia przestrzeń wokół masywnych ciał i przekazuje pomiędzy nimi informacje, dzięki czemu masy "wiedzą", z jaką siłą mają się przyciągać. W ogólnej teorii względności pole grawitacyjne jest natomiast wyznaczane przez rozwiązania równań Einsteina, a prawdziwy powód siły grawitacyjnej jest związany z efektem deformacji czterowymiarowej czasoprzestrzeni: siła grawitacyjna nie istnieje, a efekt przyciągania się ciał jest złudzeniem wywołanym przez ich swobodny ruch w zakrzywionej czasoprzestrzeni.

Skończona prędkość światła oznacza, że im dalsze obiekty astrofizyczne obserwujemy, tym są one młodsze. Obecnie przyjęty i potwierdzony przez liczne obserwacje model kosmologiczny, tzw. model Wielkiego Wybuchu postuluje skończony wiek Wszechświata wynoszący około 13,8 mld lat. Można zadać zatem pytanie, czy możemy zaobserwować promieniowanie wyemitowane na początku Wszechświata i zobaczyć sam początek?

Poszukiwanie cząstek ciemnej materii to chyba najlepiej doświadczalnie umotywowana droga wyjścia poza ramy Modelu Standardowego. Grawitacyjny wpływ ciemnej materii jest udokumentowany dla galaktyk, ich gromad, olbrzymich struktur kosmicznych i całego Wszechświata. Nie wiadomo, z czego ciemna materia się składa, ale możliwość, że są to słabo (lub bardzo słabo) oddziałujące cząstki jest na tyle atrakcyjna, że liczba eksperymentów służących ich poszukiwaniu stale rośnie.

Według ogólnej teorii względności grawitacja jest skutkiem zakrzywiania się czterowymiarowej czasoprzestrzeni wokół masywnych obiektów. Mniej masywne ciała poruszają się wokół bardziej masywnych po liniach geodezyjnych (liniach "najprostszych" w zakrzywionej przestrzeni), co np. w przypadku planet w Układzie Słonecznym daje wrażenie ruchu po orbitach eliptycznych. Na swobodnie poruszające się ciała nie działa żadna siła: ich trajektorie są wynikiem geometrii.

Kiedy pewna dwudziestoletnia absolwentka żeńskiego kolegium Vassar wysyłała w 1948 roku podanie o przyjęcie na studia doktoranckie na Uniwersytecie w Princeton, nie robiła sobie zapewne wielkich nadziei. Nic dziwnego, równouprawnienie płci dotarło na ten szczebel edukacji dopiero w roku 1975. Nie zniechęciło to naszej bohaterki, która ostatecznie zdecydowała się kształcić na Uniwersytetach Cornella i Georgetown pod kierunkiem takich tuzów współczesnej fizyki jak Hans Bethe, Richard Feynman czy George Gamow. Po uzyskaniu stopnia naukowego Vera Rubin, bo o niej tu mowa, została astronomem w Instytucie Carnegiego. Tam poznała Kenta Forda, konstruktora niezwykle czułego spektrofotometru, czyli przyrządu pozwalającego rozdzielać światło gwiazd na poszczególne kolory.

Spośród wszystkich innych nauk matematyka przede wszystkim z jednego powodu cieszy się szczególnym poważaniem: jej twierdzenia są bezwzględnie pewne i niezaprzeczalne, podczas gdy twierdzenia wszystkich innych nauk są do pewnego stopnia przedmiotem sporu i wciąż narażone na obalenie wskutek odkrycia nowych faktów. Mimo to badacz, pracujący na innych polach, nie miałby jeszcze powodu zazdrościć matematykowi, gdyby jego wywody nie odnosiły się do przedmiotów rzeczywistych, lecz tylko do tworów naszej wyobraźni...

Do wykonania jednej z najbardziej podstawowych obserwacji kosmologicznych nie trzeba wielkich teleskopów, nie trzeba wielu nocy obserwacji. Wystarczy jedna gwiaździsta noc... i chwila zastanowienia. Zastanowienia nad tym, dlaczego niebo jest gwiaździste.

Czternastego września 2015 roku dwa detektory LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) w Stanach Zjednoczonych (L1 w Livingston w stanie Luizjana i H1 w Hanford w stanie Waszyngton) zarejestrowały po raz pierwszy w historii fale grawitacyjne, czyli zaburzenia czasoprzestrzeni przewidziane przez Einsteina w 1916 roku. Fale powstały w wyniku zapadnięcia się układu podwójnego gwiazdowych czarnych dziur i powstania jednej, masywniejszej i szybko rotującej czarnej dziury. Oznacza to potwierdzenie przewidywań ogólnej teorii względności oraz stanowi bezpośrednią obserwację czarnych dziur i układów podwójnych czarnych dziur. Co najważniejsze, a podniosły ton jest tu akurat na miejscu, obserwacja ta otwiera zupełnie nowe okno obserwacyjne na Wszechświat.

Z czego składa się wszechświat? Jeżeli wierzyć temu, co setki kosmologów piszą w najpoważniejszych czasopismach naukowych, znana nam materia tzw. barionowa odpowiada za zaledwie 5% gęstości energii we wszechświecie, a pozostała część to tzw. ciemna materia i ciemna energia. O tych tajemniczych substancjach niewiele da się obecnie powiedzieć, poza tym, że ciemna materia zachowuje się jak pył niewidzialnych, masywnych cząstek, ciemna energia zaś ma pewne unikalne, ale bardzo konkretne własności, które powodują przyspieszone rozszerzanie się wszechświata.

Patrząc wstecz na rozwój podstawowych pojęć tworzących język, w którym współczesna fizyka opisuje otaczający nas świat, dostrzegamy ogromną rolę zasady zachowania energii...