No dok se Higgs godinama najavljivao u popularnim člancima i emisijama, tako da je u razvijenom svijetu bilo malo pismenih ljudi s temeljnim obrazovanjem koji za njega nisu čuli prije nego što je konačno pronađen, gravitacijski valovi nisu stekli istu razinu popularnosti. O njima se u medijima nešto više govorilo tek u posljednjih nekoliko godina.

Mnogima stoga vjerojatno još uvijek nije jasno zašto je to otkriće toliko važno i vrijedno Nobelove nagrade.

Odgovor na ovo pitanje pokušali su nam dati dvojica hrvatskih uglednih fizičara – jedan teoretičar i jedan eksperimentalac.

Potvrda Einsteinovog predviđanja

Jučer i danas nerijetko se moglo čuti kako je eksperiment LIGO konačno potvrdio Einsteinovu opću teoriju relativnosti. To baš i nije sasvim točno. Ona je zapravo do danas potvrđena mnogo puta na mnogo načina. Točnije bi bilo reći da je LIGO potvrdio posljednje važno predviđanje koja proizlazi iz nje.

Dr. sc. Davor Horvatić sa Zavoda za teorijsku fiziku čestica i polja na PMF-u kaže da je otkriće istodobno fascinantno jer je nevjerojatno da smo tako nešto uspjeli mjeriti, ali i da se teorija relativnosti, koja nas toliko fascinira i koja je promijenila naš pogled na strukturu prostorvremena, već duže vrijeme primjenjuje u svakodnevnom životu.

'Primjerice GPS uređaji za pozicioniranje na kartama pomoću mobitela računaju s efektima teorije relativnosti. Bez uračunavanja njezinih efekata u komunikaciji između satelita i naših mobitela ne bismo mogli dobiti točnu lokaciju na Zemlji jer vrijeme drugačije protječe za satelite koji jure na velikim visinama, a drugačije za nas', kaže Horvatić.

No iako se gravitacijski valovi smatraju predikcijom teorije relativnosti, naš teorijski fizičar kaže da čak ni sam Einstein nije bio potpuno siguran što bi o tome mislio.

'Einstein nije očekivao da ćemo ikada moći registrirati gravitacijske valove. Štoviše, u jednom je trenutku čak bio uvjeren da oni ne postoje. U vezi s time postoji jedna zanimljiva anegdota za koju sam saznao zahvaljujući kolegi filozofu znanosti Borisu Kožnjaku. On kaže da je Einstein gravitacijske valove predvidio 1916. godine u svojoj općoj teoriji relativnosti. No, 1936. zajedno s Nathanom Rosenom napisao je članak u kojem je tvrdio da gravitacijski valovi zapravo ne postoje, odnosno da su oni samo matematički artefakt bez fizikalnog značaja. Kada su poslali članak u časopis 'Physical Review', tadašnji urednik John Tate napravio je nešto na što Einstein nije bio navikao – proslijedio je članak na recenziju. To mu se u Njemačkoj nikada prije nije dogodilo. Einstein je bio jako uvrijeđen, pa je napisao pismo uredniku u kojem se požalio da članak nije poslao na recenziju već za objavljivanje! Uslijedila je prepiska, no u njoj je najvažnije to da je recenzent na deset stranica opisao i argumentirao kako je Einstein napravio pogrešku u računu koristeći krivu prostorno-vremensku metriku. Einstein je članak konačno povukao i objavio ga u slabijem časopisu Journal of the Franklin Institute, s time da je međuvremenu ispravio navedene greške. Tako je eto anonimni recenzent spasio Einsteina od bruke', ispričao je Horvatić.

'Naravno, gravitacijski valovi jesu pretkazani teorijom relativnosti, a divno je da imamo izravnu potvrdu tog njezinog predviđanja. Do sada su bili otkriveni samo neizravno, kroz gubljenje energije u binarnim sustavima neutronskih zvijezda, pulsara i sličnih tijela golemih masa. Sada imamo izravan dokaz', naglasio je.

Dr. sc. Ivica Puljak, profesor na FESB-u koji je radio na otkrivanju Higgsa u CERN-u, kaže da je zgodno da je Einstein predvidio postojanje gravitacijskih valova 1916., točno prije 100 godina.

'Tom prilikom genijalni je znanstvenik izrazio sasvim opravdanu sumnju u mogućnost da će se oni ikada registrirati jer je preciznost potrebna za to nevjerojatna – potrebno je mjeriti udaljenosti na skali 100.000 puta manjoj od protona. On je vjerovao da to nikada nećemo moći. No ovo otkriće je potvrda da znanost i tehnologija napreduju puno brže nego što smo mislili. Ja volim reći da to pokazuje da je znanost fantastičnija od svake znanstvene fantastike', rekao je Puljak.

Sasvim drugačiji prozor u svemir

Drugi važan doprinos novog otkrića jest činjenica da s njime počinje nova era astronomije – detektori gravitacijskih valova omogućit će istraživanja svemira i pojava u njemu na način na koji to do danas nije bilo moguće.

'Teoretičari naprosto uživaju u brojkama koje proizlaze iz ovog istraživanja. Iz ovog jednog događaja mogu izračunati kolika je bila masa svake od crnih rupa koje su se sudarile, mogu doznati njihovu konačnu masu nakon što su se spojile pa čak i razliku u masama koja se oslobodila u obliku eksplozije energije koja je bila veća od ukupne svjetlosne energije koju emitiraju sve zvijezde u vidljivom svemiru zajedno', rekao je Horvatić.

'Astronomi su najviše uzbuđeni zbog činjenice da ulazimo u novu eru promatranja svemira u kojoj ćemo moći gledati ekstremne događaje koje ranije nismo mogli. Među ostalim spominje se i mogućnost otkrivanja tragova velikog praska u kojem je nastao svemir. Kao i svi valovi i gravitacijski valovi otkrivat će se u različitim područjima frekvencija. Primjerice vidljivu svjetlost gledamo očima, a radio valove antenama. Za svaku valnu duljinu imamu drugu vrstu antene. Slično vrijedi i za gravitacijske valove. Neke, s određenim frekvencijama otkrili smo u LIGO-u, neke druge otkrit ćemo detektorima koje ćemo postaviti u svemir, a one valove nižih frekvencija, kakvi su vjerojatno zaostali od velikog praska, morat ćemo tražiti neizravno kao u projektu BICEP. Konačno, kada se dovrši unapređenje detektora Virgo u Italiji imat ćemo tri instrumenta raspoređena na Zemlji pa ćemo triangulacijom moći preciznije utvrđivati položaj izvora valova na nebu. Naravno, razdaljina detektora na Zemlji nije jako velika u usporedbi s milijardama svjetlosnih godina koliko će često biti udaljena tijela i događaji koje ćemo gledati. No ipak, ako utvrdimo lokaciju izvora s pogreškom od kojih milijun svjetlosnih godina, bit će to neznatna greška', pojasnio je naš teorijski fizičar.

Puljak kaže da je uspjeh detektora gravitacijskih valova učinio ono što se događalo više puta u povijesti – otvorio je sasvim novi prozor za promatranje svemira.

'Prije nekoliko stotina godina svemir smo gledali samo u optičkom dijelu spektra. Potom smo shvatili da se elektromagnetski spektar prostire mnogo šire - od radio valova do gama zraka, pa smo postupno ovladavali tehnologijama za promatranje neba u brojnim drugim dijelovima spektra. Svaki put kada smo otvorili novi prozor, zabilježili smo nove pojave i naučili nove stvari o svemiru. Kroz ovaj prozor moći ćemo gledati objekte koji su golemi ili koji su se formirali u ranom svemiru. Primjerice to su kvantne fluktuacije u kojima je vjerojatno nastao svemir, eksplozije supernova, supermasivne crne rupe u središtima galaksija, njihove međusobne reakcije ili događaji u kojima crne rupe gutaju neke objekte itd. Treba očekivati da će se uz LIGO i Virgo graditi novi interferometri - jedan se već planira u Indiji. Konačno njihova mjerenja moći će se kombinirati s ostalim metodama promatranja. Najspektakularnije od svega bit će vjerojatno kada oko 2030. na nekoliko milijuna kilometara od Zemlje lansiramo novu generaciju interferometra koji se zove LISA. Uz njegovu pomoć moći ćemo sve vidjeti još mnogo detaljnije', rekao je Puljak.

Sveti gral fizike – objedinjenje teorija svega

U komentarima LIGO-va otkrića neki od fizičara dali su također nagovijestiti da bi istraživanja gravitacijskih valova mogla pomoći u onome što se često naziva svetim gralom fizike – pronalasku jedinstvene teorije koja bi objedinila kvantnu fiziku i teoriju relativnosti. Kvantna odlično opisuje mikrosvijet- molekule, atome i subatomske čestice, a relativnost odobro opisuje velike stvari gravitacijske interakcije velikih tijela, velike mase, njihov utjecaj na prosorvrijeme itd. No njih do danas nitko nije uspio objediniti, a postoje situacije u kojima bi obje trebale biti na djelu – primjerice u opisivanju pojava u ranim fazama velikog praska kada je u minijaturnim dimenzijama za koju je nadležna kvantna, postojala koncentrirana golema masa koja je u domeni relativnosti.

Horvatić kaže da je ideja o objedinjenju svih sila u jedinstvenu bila vrlo popularna u zadnjih 40-ak godina no da je ona danas ostavljena malo postrani jer je postalo jasno da prvo trebamo dobro shvatiti standardni model.

'Ipak svi znamo da standardni model nije zadnja riječ u fizici. Novo otkriće tu nam pomaže jer omogućuje da postavimo granicu na masu gravitona, hipotetske kvantne čestice gravitacijskog polja. U četvrtak je bilo govora da bi to mogla biti masa od 10 na -52 grama ili 10 na -22 MeV. Dakle, moći ćemo sve preciznije predviđati moguću masu gravitona, a time ćemo dobiti nove uvide u područja fizike koja još nismo istražili koja se tiču i kvantne fizike i relativnosti', kaže Horvatić.

Puljak kaže da nam dosadašnje znanstveno iskustvo govori bi se dvije teorije trebale nekako moći objediniti u jednu te da je to ultimativni cilj znanstvenika.

'Kako su te dvije teorije vrlo različite, baš kao i njihovo opisivanje prirode, mi za sada nemamo dobar koncept za njihovo objedinjavanje. Imamo različite ideje, no one nisu dovoljno jake da bi se mogle testirati, a znamo da u znanosti prihvaćamo samo one koje se mogu testirati. Ovo otkriće daje nam nadu da ćemo moći bolje razumjeti gravitaciju i teoriju relativnosti koja je opisuje te da ćemo možda otkriti neke fenomene koji će nas odvesti dalje na putu prema teoriji svega', poručio je Puljak.