Objav, za ktorý bola udelená Nobelova cena za fyziku, je prelomový

01. nov. 2017 • Fyzikálne vedy

Objav, za ktorý bola udelená Nobelova cena za fyziku, je prelomový

Na počiatku je jednoduché oznámenie: Nobelovu cenu za fyziku v roku 2017 dostáva trojica Rainer Weiss, Barry C. Barish a Kip Thorne. Rozhodujúci experiment prebehol 14. septembra v roku 2015 a išlo o potvrdenie sto rokov starej hypotézy, ktorú priniesol vo všeobecnej teórii relativity Albert Einstein. Použili nápad, ktorý realizoval v roku 1887 Michelson a Morley pri úplne inom experimente. Otázkou je, čo je na tomto tak prelomové, aby trojica fyzikov dostala tak prestížne vedecké ocenenie, hovorí prof. Ing. Peter Ballo, PhD. z Ústavu jadrového a fyzikálneho inžinierstva Slovenskej technickej univerzity v Bratislave. „Nuž, odpoveď znie, úplne všetko a výsledok môže priniesť podobný úžitok, ako priniesol objav teleskopu v sedemnástom storočí alebo rádio teleskopu v storočí dvadsiatom.“

Ako ďalej uvádza vo svojej úvahe, v roku 1916 na základe všeobecnej teórie relativity predpovedal Albert Einstein existenciu gravitačných vĺn. „V tom čase boli fyzici zvyknutí aj na iné teórie od geniálneho Einsteina. Navyše existencia rádiových vĺn bola v tom čase pomerne široko akceptovaná, takže prečo by neexistovali gravitačné vlny? Problém bol v tom, že sám Einstein bol veľmi skeptický, keď sa hovorilo o možnostiach detekcie týchto vĺn, pretože ich amplitúda je neuveriteľne malá. To je spôsobené veľmi slabou gravitačnou interakciou medzi hmotnými telesami. Ten, čo niekedy spadol v dôsledku gravitácie z bicykla, síce tvrdí niečo iné, ale to je dané tým, že nehoda sa udiala v blízkosti hmotnej Zeme. Teda to, že gravitáciu vôbec pozorujeme, je dané veľkou hmotnosťou telies v okolí, ktorých sa pohybujeme. Na to, aby sme pozorovali gravitačné vlnenie spôsobené veľmi vzdialeným zdrojom, musí byť teleso, ktoré vlny vyvoláva veľmi hmotné a naša prijímacia aparatúra neobyčajne citlivá. Trvalo sto rokov, kým sa takúto aparatúru podarilo za miliardu dolárov zostrojiť.“

Prof. Ing. Peter Ballo, PhD. pokračuje, že v noci 12. júla 1887 v pivnici univerzity v Clevelande (štát Ohio) sa Michelson a Morley, zaoberali veľmi tajuplnou činnosťou. „Na hladine tvorenej veľkým množstvom ortuti plával ťažký žulový blok, na ktorom boli precízne umiestnené rozličné optické elementy. Dvojica mužov v tú noc, rovnako ako mnoho nocí pred tým, merali rýchlosť Zeme vzhľadom na vesmírny éter. O sto rokov neskôr Rainer Weiss, Barry C. Barish a Kip Thorne pri detekcii gravitačných vĺn použili rovnakú myšlienku. Zatiaľ čo pôvodný interferometer sa zmestil do univerzitnej pivnice a svetlo počas experimentu prechádzalo vzdialenosť 11 metrov, jeho moderná verzia zaberá plochu okresného mesta a laserový lúč po mnohonásobnom odraze prechádza viac ako tisíc kilometrov. Tento interferometer by sa do pivnice určite nezmestil, a to ich za miliardu dolárov postavili hneď dva, ktoré sú vzdialené od seba tisíce kilometrov. Každý z nich je nesmierne citlivý a zaznamená pohyb auta na vzdialenosť desať kilometrov. Samozrejme, počíta sa záchvev, ktorý zaznamenajú oba prístroje súčasne, pretože len ten je vyvolaný prichádzajúcou gravitačnou vlnou. Hlavným rozdielom medzi nimi je však to, že dávny experiment sa stal slávnym preto, lebo nameral nič, jeho moderná verzia sa preslávila tým, že namerala nemožné, a to opakovane. Nuž, osudy vedy sú zvláštne.“

Náš odborník ešte pridáva, že keď v roku 1610 zostrojil Galileo Galiley prvý ďalekohľad, objavil úplne novú štruktúru okolitého vesmíru. „V roku 1964 pomocou rádioteleskopu objavili Arno Penzias a Robert Woodrow Wilson ozvenu veľkého tresku, ktorý označuje počiatok nášho vesmíru. Keď v roku 2015 trojica mužov Weiss, Barish a Thorne, oživili a namierili gravitačný teleskop do vesmíru, objavili .... Nuž na ten objav si ešte počkáme, ale je dosť možné, že bude stáť za to. Takže udelená Nobelova cena je možno trošku predčasná, ale príbeh, ktorý za ňou stojí je prelomový."

Doc. RNDr. Vladimír Balek, CSc. z Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave (Oddelenie teoretickej fyziky) vidí dvojaký prínos v objave trojice vedcov Rainer Weiss, Barry C. Barish a Kip Thorne. „Predovšetkým sa potvrdilo, že gravitácia nepôsobí okamžite na diaľku, ale sa šíri od bodu k bodu rovnako ako elektromagnetizmus. Je pravda, že o tom asi nikto vážne nepochyboval. Gravitácia sa týmto spôsobom opisuje vo všeobecnej teórii relativity a tá za sto rokov od svojho vzniku veľakrát osvedčila svoju správnosť. Ale impulzy v gravitačnom poli, ktoré by k nám doputovali cez priepasť kozmického priestoru a rukolapne nám predviedli, že rýchlosť šírenia sa gravitačného pôsobenia je konečná, pred 15. septembrom 2015, keď sa objav udial, nikto nezachytil. Vďaka tomu, že sa to vedcom z experimentu LIGO podarilo, vieme, že v istom zásadnom bode, ktorý sa týka povahy gravitácie – jednej zo štyroch fundamentálnych interakcií – , sme sa nemýlili. Lenže na pozorovanie gravitačných vĺn sa dá pozerať aj ináč: nie že sme ´objavili vlny´, ale že sme ´vďaka vlnám objavili nový, doteraz neznámy dej vo vesmíre´. A to je druhý veľký prínos LIGA: že sme boli po prvý raz svedkami toho, ako sa dve masívne čierne diery, ktoré obiehajú v tesnej blízkosti okolo seba, postupne k sebe približujú, až napokon splynú.“

Odborník pripomína, že si treba uvedomiť, aký nesmierne slabý bol signál, ktorý prístroje z experimentu LIGO zaznamenali. „Gravitačné vlny spôsobili výchylku na úrovni tisíciny polomeru protónu na úseku s dĺžkou 4 km. Do takej blízkosti sa dostávajú kvarky, stavebné kamene protónov a neutrónov, pri zrážkach častíc na veľkých urýchľovačoch. Tu išlo o výchylku predmetov bežnej veľkosti, dvojice zrkadiel s priemerom štvrť metra, ktoré boli voľne uchytené na koncoch rúry s odčerpaným vzduchom v tvare písmena L. (Tie rúry boli dve, jedna na jednom konci USA a druhá na druhom konci. Tým objav získal na dôveryhodnosti, navyše sa porovnaním signálov dalo zhruba určiť, odkiaľ vlny prišli.) Zrkadlá boli vybrúsené s presnosťou na atómy – ale tá výchylka je veľmi, veľmi malá ešte aj v porovnaní s rozmermi atómu.“

Kráľovská švédska akadémia vied (The Royal Swedish Academy of Sciences) 3. 10. 2017 ohlásila mená laureátov na Nobelovu cenu za fyziku. Polovica ceny poputuje Rainerovi Weissovi (Nemecko) a druhú polovicu si rozdelia Barry C. Barish a Kip S. Thorne (obaja USA) za projekt LIGO/VIRGO kolaborácie, t. j. detekciu a pozorovanie gravitačných vĺn.

„Dňa 14. septembra 2015 boli po prvý raz pozorované gravitačné vlny vesmíru. Vlny, ktoré pred sto rokmi predpovedal Albert Einstein, pochádzali z kolízie medzi dvoma čiernymi dierami. Trvalo 1,3 miliardy rokov, kým sa vlny dostali na detektor LIGO (Laser Interferometer Gravitational – Wave Observatory) v USA,“ uvádza Kráľovská švédska akadémia vied vo svojej tlačovej správe.

Detektor LIGO je spoločný projekt, do ktorého bola zapojená viac ako tisícka vedcov z viac ako dvadsiatich krajín. Spoločne doriešili víziu, ktorá je takmer päťdesiat rokov stará. Laureáti Nobelovej ceny 2017 sa svojím nadšením a odhodlaním stali neoceniteľnými pre úspech LIGO, tvrdí Kráľovská švédska akadémia vied. „Priekopníci Rainer Weiss a Kip S. Thorne spolu s Barrym C. Barishom, vedcom a lídrom, ktorý doviedol projekt do úspešného konca, zabezpečili, že štyri desaťročia úsilia viedli k záveru, že gravitačné vlny bolo konečne možné pozorovať.“

Doc. RNDr. Vladimír Balek, CSc. je presvedčený, že by sa mali budovať ďalšie laboratóriá typu LIGO (jedno – laboratórium VIRGO v Taliansku – už uviedli do chodu, aj sa podieľalo na poslednom, v poradí štvrtom pozorovaní gravitačných vĺn) a mali by sa v nich zdokonaľovať prístroje, aby sa nahromadilo čo najviac údajov o objektoch vo vesmíre schopných vysielať gravitačné vlny na vlnových dĺžkach niekoľko tisíc kilometrov, na ktoré sú tieto prístroje citlivé. „Objavom gravitačných vĺn sa nám otvorilo nové okno do vesmíru, tak by sme to mali využiť. Nielen na to, aby sme si potvrdili, čo už vieme. Chceli by sme sa dozvedieť o vesmíre, ktorého čiastkou sme, čo najviac, a cez nové okno môžeme uvidieť veci, o ktorých zatiaľ netušíme. V histórii astronómie sa viackrát stalo, že len čo vedci zostrojili nový prístroj, ktorý sa zásadne líšil od predchádzajúcich alebo ich aspoň v nejakom parametri výrazne prevyšoval, objavili na ňom niečo, čo nečakali. Napr. v roku 1977 sa na poli blízko Cambridgu zjavila podivuhodná konštrukcia zaberajúca skoro dva hektáre, zložená z tyčiek, medzi ktorými boli naťahané drôty. Postavili ju študenti a bol to rádiový ďalekohľad s dovtedy nevídaným časovým rozlíšením. Nuž a hneď nato, ako sa na ňom spustili pozorovania, zachytil krátke pravidelné impulzy. Bol to pulzar – rotujúca neutrónová hviezda so silným magnetickým poľom, vysielajúce usmernené rádiové žiarenie. Mimochodom, pulzarom vďačíme za prvé pozorovanie gravitačných vĺn, ktoré však bolo, na rozdiel od toho z LIGO, nepriame. Zaslúžil sa oň dvojný pulzar – dvojica neutrónových hviezd obiehajúcich okolo seba. Vlny od nich sme nezachytili, na to sú príliš slabé, ale že ich tieto hviezdy vysielajú, o tom sme sa presvedčili z nepatrného skracovania ich periódy obiehania.“

Čo by doc. RNDr. Vladimír Balek, CSc. v závere zaželal laureátom Nobelovej ceny? „Všetci traja majú zjavne gény dlhovekosti. Najmladší z nich, teoretický fyzik Kip Thorne, ktorý sa nedávno predstavil širšej verejnosti ako spoluautor námetu a vedecký konzultant filmu Interstellar, má 77 rokov, ďalší dvaja sú 81- a 85-roční. Takže by som im zaželal, aby sa dožili toho, ako gravitačná astronómia prinesie objav nového druhu kozmických objektov, ktorý spôsobí prevrat v našich predstavách o vesmíre.“

 

Informácie poskytli: prof. Ing. Peter Ballo, PhD. z Ústavu jadrového a fyzikálneho inžinierstva Slovenskej technickej univerzity v Bratislave a doc. RNDr. Vladimír Balek, CSc. z Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave, Oddelenie teoretickej fyziky

Spracovala: Slávka Cigáňová (Habrmanová), NCP VaT pri CVTI SR

Viac informácií a foto

Uverejnila: VČ

Súvisiace:

Hore
kúpa časopisov jún 2016
Atmosféra počas TVT 2017
Publikácie Veda v CENTRE
Aurelium - centrum vedy
CVTI SR 80. výročie
QUARK
Prechod VK na VND
TVT 2017 články
TAG QUARK
TAG Ženy vo vede
TAG Spektrum vedy
TAG Slovenská veda
TAG História
TAG Rozhovor
TAG Publikácia
TAG Zaujímavosti vo vede
TAG Centrum vedy
TAG Mládež
banner záhrady
Zaujímavosti vo vede
Antarktída je najjužnejší svetadiel, kontinent s najdrsnejším podnebím na Zemi.
Zistite viac