General Relativity and Gravitation, Gravitational Waves, czyli konferencje Fizyki w Polsce
Polska fizyka nie skończyła się na Koperniku i trzeba przyznać, że ma się całkiem dobrze. Polacy nie tylko są najlepsi w tworzeniu marsjańskich łazików, lecz także pomagają w odkryciu fal grawitacyjnych (Andrzej Królak). W lipcu 2013 roku w Warszawie obradowało ponad 900 fizyków z 50 krajów na połączonych konferencjach: the 20th International Conference on General Relativity and Gravitation oraz the 10th Amaldi Conference on Gravitational Waves. Czy nowoczesna fizyka ma wpływ na nasze życie i czy konferencje na jej temat są warte uwagi?
Teoria względności – podstawy
Od czasów jabłka Newtona teoria grawitacji znacznie się skomplikowała. Okazało się, że to siła, która nie tylko utrzymuje nas na ziemi, ale również zakrzywia przestrzeń, światło, a nawet czas. Wiedza ta ma bezpośredni wpływ na technologie, z których korzystamy codziennie.
Doskonałym przykładem praktycznego wykorzystania teorii względności jest system GPS. Satelity nawigacyjne krążące nad Ziemią umożliwiają precyzyjne określenie pozycji, ale ich działanie opiera się na założeniach wynikających wprost z odkryć Einsteina. Czas na powierzchni planety i czas w pędzącej satelicie płynie w różnym tempie – różnica wynika z dwóch zjawisk opisanych przez teorię względności.
Pierwszym z nich jest efekt związany z dużą prędkością orbitalną satelitów. Zgodnie ze Szczególną Teorią Względności zegar na orbicie ziemskiej pracuje nieco wolniej niż identyczny zegar na powierzchni Ziemi. Drugim czynnikiem jest zakrzywienie czasoprzestrzeni opisane przez Ogólną Teorię Względności – im dalej od masywnego ciała (w tym przypadku Ziemi), tym szybciej upływa czas. Zegar na orbicie, będąc dalej od centrum grawitacji, odmierza sekundy szybciej niż zegar naziemny.
W praktyce oba te efekty nie znoszą się całkowicie, lecz sumują w określony sposób. Gdyby inżynierowie nie uwzględnili korekt wynikających z teorii względności, każdego dnia błąd w pomiarach GPS powiększałby się o kolejne 10 km. System nawigacyjny stałby się bezużyteczny w ciągu zaledwie kilku godzin, co pokazuje jak fundamentalne znaczenie ma współczesna fizyka teoretyczna dla codziennych zastosowań technologicznych.
Znaczenie odkrycia fal grawitacyjnych
Potwierdzenie istnienia fal grawitacyjnych wymusiło rewizję wielu założeń współczesnej fizyki. W międzynarodowym zespole badawczym uczestniczyło dziewięciu naukowców z Polski, których pracami koordynował prof. Andrzej Królak. To odkrycie otworzyło nowy rozdział w astronomii obserwacyjnej.
Fale grawitacyjne powstają w wyniku zjawisk związanych z ogromnymi masami poruszającymi się z przyspieszeniem. Wszechświat można porównać do rozciągniętej membrany, na której każdy masywny obiekt tworzy wgłębienie. Kiedy dwa takie obiekty – na przykład czarne dziury – orbitują wokół wspólnego środka masy, ich ruch generuje zaburzenia w tkance czasoprzestrzeni, które rozprzestrzeniają się podobnie do fal na wodzie.
Najlepszym modelem analogowym jest powierzchnia jeziora z unoszącymi się na niej plamami oleju. Gdy przez taką plamę przechodzi fala, na krótką chwilę ulega ona wydłużeniu w jednym kierunku i ściśnięciu w drugim, by natychmiast powrócić do pierwotnego kształtu. Identyczny efekt wywołują fale grawitacyjne przemierzające kosmos – każdy obiekt na ich drodze doznaje mikroskopijnych, ale mierzalnych deformacji w prostopadłych kierunkach.
Znaczenie tego odkrycia wykracza poza samo potwierdzenie przewidywań Einsteina. Fale grawitacyjne przenoszą informacje o wydarzeniach, które są niewidoczne dla tradycyjnych teleskopów optycznych czy radiowych. Dzięki detektorom takim jak LIGO naukowcy mogą teraz obserwować kolizje czarnych dziur odległych o miliardy lat świetlnych, co daje wgląd w najbardziej ekstremalne procesy zachodzące we Wszechświecie. To narzędzie umożliwia badanie kosmosu w zupełnie nowy sposób, niezależny od promieniowania elektromagnetycznego.
Warszawskie spotkanie fizyków
Przez siedem dni lipca 2013 roku stolica Polski stała się centrum światowej fizyki teoretycznej. Połączone konferencje 20th International Conference on General Relativity and Gravitation oraz 10th Amaldi Conference on Gravitational Waves zgromadziły ponad 900 uczestników z pięćdziesięciu krajów. Tego rodzaju spotkania pełnią funkcję weryfikacyjną – naukowcy prezentują wyniki swoich eksperymentów i modeli teoretycznych, poddając je krytycznej ocenie międzynarodowej społeczności badawczej.
Jednym z najbardziej oczekiwanych wykładów była prezentacja prof. Carlo Rovelliego, uznanego specjalisty w dziedzinie pętlowej grawitacji kwantowej. Jego wykład Quanta of Space dotyczył dyskretnej struktury czasoprzestrzeni na poziomie długości Plancka – skali, na której klasyczne pojęcie ciągłej przestrzeni traci sens. W programie konferencji znalazły się również sesje poświęcone geometrii wszechświata oraz mostom Einsteina-Rosena, hipotetycznym tunelom łączącym odległe regiony czasoprzestrzeni.
Polska gościła to prestiżowe wydarzenie po raz drugi w historii. Pierwsza edycja odbyła się w 1962 roku i uczestniczył w niej Richard Feynman, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki. Powrót konferencji do Warszawy po pół wieku potwierdził pozycję polskich ośrodków naukowych na mapie światowej fizyki teoretycznej.
Warto przywołać słowa Carla Sagana: Żyjemy w społeczeństwie fundamentalnie uzależnionym od nauki i technologii, w którym mało kto ma jakiekolwiek pojęcie o nauce i technologii. Konferencje takie jak te opisane powyżej spełniają podwójną rolę – nie tylko przyspieszają wymianę wiedzy między specjalistami, ale także kształtują publiczny dyskurs o miejscu nauki w cywilizacji. Zrozumienie podstaw fizyki przestaje być abstrakcyjną ciekawostką, gdy uświadomimy sobie, że bez niej nie funkcjonowałyby systemy nawigacyjne, satelity komunikacyjne czy detektory wykorzystywane w medycynie obrazowej.
