2016 Balandžio 10

Gravitacinės bangos

Šimtmečio paieškos ir įvykis GW150914

veidas.lt

"Shutterstock" nuotr.

Dovaidas PABIRŽIS

„Pavargo įrašytojas nuo balto triukšmo niekų. Kur jūs, tos bangos, pasakykite, būkite geros. Mėlynoje žvaigždėje, mano džiaugsme, mėlynojoje žvaigždėje, juodojoje skylėje, mano džiaugsme, juodojoje skylėje… Tai kur ta žvaigždė, kur ta skylė, nors kokia? Ir į kur man anteną nukreipti, sakykite, į kur?“ – gravitacinių bangų paieškas apdainavo Ukrainos bardas, Lietuvos fiziko prof. Kazimiero Pyrago mokinys Igoris Žukas.

Ši „Liūdna gravitacinių bangų gaudytojo daina“ gimė 1978-ųjų birželio 11 dieną. Šį kū­rinį prie daviklių tuo metu budėjęs I.Žu­­kas parašė netrukus po to, kai gravitacinių bangų ieškanti Weberio tipo antena Kijeve už­fiksavo stiprų signalą. Tačiau tai dar nebuvo is­torinis gravitacinių bangų atradimas – signalo ne­patvirtino jokia kita antena. Jau vėliau moks­lininkai iškėlė hipotezę, kad 1978-aisiais greičiausiai už­fiksavo neskelbtą Kinijos atominės bombos bandymą.

I.Žukas dar kartą „Liūdną gravitacinių ban­gų gaudytojo dainą“ į „YouTube“ įkėlė šių me­tų vasario 22-ąją. Tik šįsyk minorines bardo gai­das užbaigia čaižus stipraus signalo garsas. Tik­riausiai panašus į tą, kurį praėjusių metų rug­sėjį skleidė per 3 tūkst. kilometrų atstumu vie­nas nuo kito nutolę JAV „Ligo“ detektoriai, vie­nu metu užfiksavę signalus, kurie mokslinėje literatūroje žymimi kaip GW150914 įvykiai. An­tenos buvo sužadintos tuo pačiu šviesos grei­čiu sklindančio signalo – gravitacinių ban­gų.

Primena raibulius vandenyje

Gravitacinės bangos – tai raibulius vandenyje primenantys iškraipymai, sklindantys kosmoso erdvėlaikyje. Panašiai kaip į vandenį įmestas akmenėlis sukelia jo paviršiuje raibulius, taip bangų pavidalu sklindančius gravitacinius raibulius sukelia labai masyvūs reiškiniai: žvaigždžių sprogimai, juodųjų skylių susijungimai ar didelių masių patekimas į juodąją žvaigždę.

Susijungusių juodųjų skylių skersmuo siekė maždaug 150 kilometrų, o masė – 30 kartų didesnė nei Saulės.

Pirmąjį gravitacinių bangų signalą mokslininkai užfiksavo pernai rugsėjį, tačiau prireikė daug laiko įsitikinti, kad tai tikrai yra gravitacinės bangos, kurių poveikio dydis sudaro vos vieną tūkstantąją protono dalį. Mokslininkų užfiksuotas bangas sukėlė juodųjų skylių susijungimas, įvykęs maždaug 1,3 mlrd. šviesmečių nuo Žemės. Mūsų galaktikos matmuo yra apie 100 tūkst. šviesmečių, taigi GW150914 yra išspinduliuotas kitoje galaktikoje. Susijungusių juodųjų skylių skersmuo siekė maždaug 150 kilometrų, o masė – 30 kartų didesnė nei Saulės.

Panaudojimo galimybės kol kas miglotos

Gravitacines bangas bendrojoje reliatyvumo teorijoje prieš šimtmetį numatė Albertas Einsteinas. Tai buvo paskutinė iki galo nepatvirtinta bendrosios reliatyvumo teorijos hipotezė. Pasak A.Einsteino, gravitacinės bangos yra labai silpni gravitacinio lauko trikdžiai, ku­riuos sukelia mechaninių kūnų judėjimas su pa­greičiu. Šie trikdžiai erdvėje sklinda šviesos grei­čiu. Kitaip nei elektromagnetinių bangų trik­džiai, jie perneša labai mažą energiją.

Dabar, atradus gravitacines bangas, apie mus supantį pasaulį turėsime an­trą informacijos kanalą.

„Gravitacinės bangos yra antras nepriklausomas informacinis kanalas. Pirmasis yra elektro­magnetinės bangos, be kurių naudojimo šian­dien civilizuotas žmogus negali įsivaizduoti sa­vo gyvenimo, nes tai reiškia gyvenimą be te­le­vizijos ar kompiuterių. Visa tai buvo sukurta praėjus keliems šimtams metų po jų atradimo – elektromagnetinio lauko teorijos sukūrimo, Her­co eksperimento. Dabar, atradus gravitacines bangas, apie mus supantį pasaulį turėsime an­trą informacijos kanalą“, – aiškina K.Py­ra­gas.

Tačiau, pasak fiziko, kalbėti apie praktinį gravitacinių bangų panaudojimą žmonių gyvenime kol kas galima tik mokslinės fantastikos srityje. Priežastis paprasta: palyginti su elektromagnetinėmis bangomis, gravitacinės bangos yra labai silpnos. Būtent todėl mokslininkams prireikė tiek daug metų, kol pagaliau pavyko sukurti pakankamai jautrius detektorius, gebančius šias bangas užfiksuoti.

Jeigu vietoje esančių fun­­damentalių konstantų nurodysime kitus dy­džius ar dydžius su paklaida, tai egzistuojanti vi­satos pusiausvyra sugrius ir tokia, kokią da­bar ją stebime, ji nebegalės to­­liau egzistuoti.

Kodėl šios bangos tokios silpnos? K.Pyrago aiškinimu, tai iš esmės filosofinis klausimais, nes tai yra fundamentalus dydis ir tokį jį nustatė gamta. „Šiandien fizikai iš dalies atsako, ko­dėl fundamentinės pasaulį nusakančios konstantos yra būtent tokio dydžio, pavyzdžiui, šviesos greitis yra būtent toks, o ne ki­toks. Mokslininkai parodė, kad jeigu vietoje esančių fun­­damentalių konstantų nurodysime kitus dy­džius ar dydžius su paklaida, tai egzistuojanti vi­satos pusiausvyra sugrius ir tokia, kokią da­bar ją stebime, ji nebegalės to­­liau egzistuoti. Pavyzdžiui, visos žvaigždės su­degs labai greitai“, – pasakoja mokslininkas.

Kol kas svarstoma, kad gravitacinės bangos gali pasitarnauti atskleidžiant kai kuriuos žmonėms dar menkai pažįstamus reiškinius. Pa­vyz­džiui, nustatyti, kokiu greičiu plečiasi visata ar­ba kas vyksta juodųjų skylių viduje. Priešingai nei elektromagnetinės ar rentgeno bangos, ku­rios gali sklisti tik tam tikromis konkrečiomis sąlygomis, gravitacinės bangos išsiskiria ir tuo, kad jų signalui niekas negali sutrukdyti.

Bangų ieškojo šimtmetį

Amžių trukusį gravitacinių bangų ieškojimo kelią galima suskirstyti bent į penkis skirtingus eta­­pus. Kai A.Einsteinas aprašė šias bangas kaip naują fizikinį fenomeną, niekas neįsivaizdavo, kad tokį mažą energijos srautą įmanoma pamatuoti. Netrukus įsitikinta, kad gravitacinis Herco tipo eksperimentas, kurio metu sukuriamas bangų generatorius ir detektorius, Žemės sąlygomis yra neįmanomas.

Ju­piteris, skriejanti savo orbita aplink Sau­lę, gra­vitacinėmis bangomis išspinduliuoja vos apie 5,3 kW energijos srautą – tiek, kiek už­tektų įžiebti 5 kilovatų elektros lemputę.

Pavyzdžiui, jei paimtume metalinį strypą, ku­rio ilgis yra apie 20 metrų, spindulys – vienas me­t­ras, o medžiagos tankis sudaro 7,8 g/cm3, ir jį suktume aplink jam statmeną ašį maksimaliu kam­piniu greičiu (kol strypas nesubyra dėl iš­centrinių jėgų), jo gravitacinių bangų spindulia­vimo galia būtų vos 2,2•10–22-uoju erg/s.

Didžiausia Saulės sistemos pla­neta Ju­piteris, skriejanti savo orbita aplink Sau­lę, gra­vitacinėmis bangomis išspinduliuoja vos apie 5,3 kW energijos srautą – tiek, kiek už­tektų įžiebti 5 kilovatų elektros lemputę. Žinodami šias charakteristikas, mokslininkai ilgą laiką di­desnio dėmesio gravitacinių bangų paieškoms neteikė.

Naujas gravitacinių bangų paieškų etapas siejamas su JAV fiziku Josephu Weberiu (1919–2000), kuris nuėjo kitu keliu: įsitikinęs, kad stiprių gravitacinių bangų sukurti eksperimentu Žemės sąlygomis neįmanoma, mokslininkas ėmėsi kurti šių bangų imtuvą ir ieškoti jų skleidėjų visatoje. Tuo metu jau diskutuota, kad di­desnes gravitacines bangas gali sukelti dvinarės žvaigždės, masės, krintančios į juodąją skylę, ir panašūs procesai.

J.Weberis sukūrė dvi gravitacines antenas, vie­na jų buvo pastatyta netoli Niujorko, kita – prie Čikagos. Šiomis antenomis, kitaip dar va­dinamomis rezonansinio tipo antenomis, mėginama fiksuoti kliūtį sutikusių gravitacinių ban­gų deformacijų virpesius. Jie labai silpni, todėl tokie matavimai yra labai jautrūs bet kokiam iš­orės poveikiui.

Neatsiliko ir SSRS

Panašiu metu (1972–1974 m.) Weberio tipo an­tenos buvo sukonstruotos ir Maskvoje bei Ki­jeve. Ukrainos mokslų akademijos Teorinės fi­zikos institute šiam projektui vadovavo bū­tent K.Pyragas.

Gausi Pyragų šeima, 10 brolių ir seserų, bu­vo ištremta į Sibirą. K.Pyragas mokyklą baigė Kazachstano Karagandos srityje, vėliau studi­ja­vo branduolinę fiziką Almatoje. Tuo metu ten vis dar dirbo nemaža dalis karo metais iš Mask­vos perkeltos profesūros, todėl mokslo lygis ten buvo gana aukštas.

Po dvejų metų mokslų Kazimieras susidomė­jo bendrąja reliatyvumo teorija. Almatoje stip­rių šios srities mokslininkų nebuvo, todėl jis ėmėsi ieškoti, kur galėtų tęsti studijas. Su­ži­no­jo, kad Kazanėje dirba Lenino premijos laurea­tas prof. Aleksejus Petrovas. Po trumpo po­kal­bio šis naująjį mokinį sutiko priimti.

Kazanėje K.Pyragas baigė studijas, įstojo į as­pirantūrą, apgynė kandidato disertaciją. A.Pe­trovą tuomet pakvietė į Kijevą, kur buvo pa­statytas naujas modernus teorinės fizikos ins­titutas, vienintelis toks tuometėje Sovietų Są­jungoje. Instituto faktinis vadovas buvo di­rek­toriaus pavaduotojas Vitalijus Šelestas – pirmojo Uk­­­rainos komunistų partijos sekretoriaus Pet­ro Šelesto sūnus. Tai lėmė, kad institutas iš es­mės turėjo neribotų galimybių ir iš­teklių: Ki­jevo užmiestyje buvo pastatytas viešbutis, resto­ranas, prabangus gyvenamasis na­mas. O kad tyrimai neprasidėtų nuo nulio, A.Petrovui bu­vo leista pasikviesti keletą kolegų. Taip Kijeve atsidūrė ir K.Pyragas.

Mokslo varžybos tarp dviejų pasaulių

1969-aisiais J.Weberiui paskelbus, kad jis už­­­registravo signalus, kuriuos su dideliu patikimumu galima traktuoti kaip gravitacinių bangų atradimą, sovietai, abejodami šiuo atradimu, nutarė tai patikrinti. Žymus fizikas Vla­di­mi­ras Braginskis iš Maskvos universiteto kartu su A.Petrovu nu­tarė pastatyti analogiškas antenas Maskvoje ir Kijeve.

Kaip ir visos šio tipo antenos, Patono institu­te pagaminta Kijevo antena buvo apie 1,5 m il­gio, 70 cm diametro (apie 1,5 t svorio) švaraus aliu­minio ritinys. Jo pagrindinis savųjų virpesių daž­nis buvo apie 1,6 tūkst. Hz.

Tačiau netrukus įsitikinta, kad tokios antenos fiksavo tik vadinamuosius Brauno triukšmus, kurių antenos ilgio sąlygotas triukšmas yra mažesnis nei atomo branduolio matmenų dy­dis, tačiau nepakankamas gravitacinėms ban­­goms aptikti. Arba jau minėtus kinų atominių bombų bandymus. Mokslininkai stengėsi Brau­no triukšmus slopinti – anteną labai atšaldant, izoliuojant, gaminant ją iš monokristalų. Tačiau visi šie bandymai norimo rezultato nedavė.

Tuomet manyta, kad šios antenos pasiekė šiuo­laikinių supertikslių matavimų maksimumą, kurio nepakanka norint įsitikinti gravitacinių bangų egzistavimu. Maskvos ir Kijevo antenoms jų neužfiksavus, V.Braginskis iš karto spau­doje paskelbė: amerikiečiai neteisūs, jokių gra­vitacinių bangų neatrasta.

Visa tai skamba kaip eilinė propagandinė šal­tojo karo dvikova tarp SSRS ir JAV. Nuolat be­sivaržydamos įvairiose gyvenimo srityse, prade­dant kosmoso užkariavimu ir baigiant šachma­tais, šįkart didžiosios valstybės surėmė pe­čius moksle? Vis dėlto, K.Pyrago teigimu, čia didelių nutylėtų paslapčių tarp abiejų pusių ne­buvo, todėl ir slapta pritaikyti atradimus ko­kio­je nors praktinėje srityje didelių vilčių ne­puo­se­lėta. Kita vertus, fiziko pasakojimu, dirbantiems Kijeve mokslininkams kilo minčių, kad itin jautrios antenos gali būti pasitelktos slaptiems ginklų bandymams kituose planetos kam­peliuose fiksuoti.

Lauktos antenos kosmose neprireikė

Baigiantis šaltajam karui, devintajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje visame pasaulyje ma­siškai pradėti gaminti gravitacinių bangų de­­­­­tektoriai, turtingos Vakarų valstybės tam sky­­­rė nemažai lėšų. Atsirado ir skirtingos jų tech­­­no­lo­gijos. Italai sukūrė kur kas jautresnę 2,3 tonos svo­rio anteną „Nautilus“, kuri pagamin­ta iš spe­cialios markės aliuminio. Tokios an­tenos da­bar veikia JAV, Vokietijoje, Bra­zi­lijoje ir kitur, vienas moderniausių sferinių de­tek­torių pastatytas Olandijoje, Leideno universitete.

Šiandien sukurta ir nemažai lazerinių gravitacinių bangų detektorių, kuriuose naudojama vadinamoji Maikelsono interferometro technologija, galinti registruoti ir žemo dažnio gravitacines bangas. Antžeminės tokio pobūdžio antenos veikia Japonijoje, Anglijoje, Pran­cū­zi­joje, JAV ir kitose šalyse. O šiuo metu rengiama­­me projekte „Lisa“ lazerinę gravitacinių ban­­­­gų anteną ketinama iškelti kosmose, taip dar reikšmingai padidinant jos jautrumą. Ta­čiau projektas vis atidėliojamas ir šiuo metu jo pradžia numatoma tik 2034-aisiais. Būtent tuomet mokslo bendruomenė ir tikėjosi aptikti gra­vitacines bangas.

Tačiau, kaip sako K.Pyragas, gamta mėgsta pateikti staigmenų. Būtent tai ir įvyko pernai rugsėjo 14-ąją, 9 val. 50 minučių, kai skirtingose „Ligo“ laboratorijose buvo užregistruoti signalai. Šie detektoriai įmontuoti ilguose tuneliuose, kur interferometrais, sudarytais iš lazerių ir veidrodžių, ieškoma erdvėlaikį iškreipiančių kosminių raibulių. Laboratorijų darbą visame pasaulyje stebi beveik tūkstantis mokslininkų iš 16 valstybių. Maždaug tiek mokslininkų sudaro ir vasarį pasirodžiusio gravitacinių bangų atradimą aprašančio mokslinio straips­nio autorių sąrašą.

Beveik nėra abejonių, kad už šį atradimą bus skirta Nobelio premija fizikos mokslų srityje, nors 1993-iaisiais Nobelio premija jau buvo skirta fizikams Russellui Alanui Hulse’ui ir Jo­sep­hui Hootonui Taylorui, kurie atrado naujus pulsarus, suteikusius naujų galimybių tyrinėti gravitaciją bei teoriškai patvirtinusius A.Eins­tei­no aprašytas, I.Žuko apdainuotas ir K.Py­ra­go visą gyvenimą tyrinėtas gravitacines bangas.

Reliatyvumo teorijos pagrindus sukūrė iš Lietuvos kilęs mokslininkas

Hermanas Minkovskis (1864–1909) – Kauno priemiestyje Aleksote gimęs žydų kilmės matematikas ir fizikas, vienas reliatyvumo teorijos pradininkų. Kelerius metus pasimokęs Kauno gubernijos gimnazijoje, 1872 m. jis su šeima persikraustė į Karaliaučių. Baigęs gimnaziją būsimasis fizikas įstojo į Karaliaučiaus universitetą, vėliau mokėsi Berlyne. Baigęs mokslus H.Minkovskis dirbo dėstytoju Bonoje, Karaliaučiuje, Ciuriche ir kituose Europos miestuose. Būtent Šveicarijoje jis dėstė matematiką būsimajam reliatyvumo teorijos kūrėjui Albertui Einsteinui.

H.Minkovskis sukūrė matematinį modelį, kuris leido laiką ir erdvę aprašyti ta pačia lygtimi, ir tai padėjo pamatus bendrosios reliatyvumo teorijos atsiradimui. Jis iškėlė hipotezę apie erdvės ir laiko vienybę bei nustatė jos geometrinę struktūrą. 1905 m., jau būdamas žymūs mokslininkas, H.Minkovskis apsilankė gimtajame Aleksote ir Kauno gimnazijoje.

1922 m. Fredos gatvė buvo pavadinta H.Minkovskio vardu. Nacių ir sovietų okupacijos metais pavadinimas buvo pakeistas. 1989 m. šiai gatvei suteiktas brolių Hermano ir Oskaro Minkovskių vardas.

Mokslininko brolis Oskaras (1858–1931) – garsus vokiečių gydytojas terapeutas, patologas ir fiziologas, įrodęs, kad kasa gamina medžiagą, kuri išsiskiria tiesiai į kraują, padėjęs atskleisti cukrinio diabeto priežastį ir atrasti insuliną.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Daugiau šia tema:
Skelbimas

Komentarai (1)

  1. as as rašo:

    Puiku


Komentuoti

Žurnalas "Veidas"

Pirk šį numerį PDF

"Veido" reitingai

Gimnazijų reitingas 2016
Pirk šį straipsnį PDF
Skelbimas

VEIDAS.LT klausimas

  • Koks kriterijus Jums yra svarbiausias, renkantis partiją, už kurią balsuosite Seimo rinkimuose?

    Apklausos rezultatai

    Loading ... Loading ...