Ovogodišnju Nobelovu nagradu za fiziku dobili su Rainer Weiss, Barry C. Barish i Kip S. Thorne ‘za ključne doprinose detektoru LIGO i za opažanje gravitacijskih valova’. Bilo je to za očekivati. Prvo izravno opažanje gravitacijskih valova, koje se dogodilo 14. rujna 2015. a bilo je objavljeno 11. veljače 2016. godine, odmah je dobilo status epohalnog otkrića. Od tada pa do danas LIGO je gravitacijske valove detektirao još tri puta. Sada možemo prilično pouzdano reći da je otvoren ‘novi prozor u svemir’ i da nas u bliskoj budućnosti čeka mnoštvo novih spoznaja.

Gravitacijski valovi

Vjetar koji zapuše nad mirnom površinom vode uzrokuje mreškanje, pravilne nabore na površini koji putuju u smjeru vjetra. Pravilne putujuće nabore na vodi uzrokuje i kamen koji je u nju bačen. Razlika je u obliku mreškajuće strukture, no zajedničko im je to što se poremećaj širi kroz prostor i pritom nosi energiju. Pojavu, naravno, nazivamo valom. Val je jedna od temeljnih koncepcija u fizici. Osim što su ga precizno matematički definirali, kao uostalom i svaki drugi pojam u fizici, fizičari su pojam vala proširili daleko izvan svakodnevnog iskustva. Istim matematičkim izrazima kojima možemo opisati valove na vodi možemo opisati i druge mehaničke valove, primjerice valove na užetu ili zvučne valove ili seizmičke valove. Ljepota i moć fizike leže u tome što isti matematički opis možemo koristiti i za pojave koje nisu izravno opazive našim osjetilima, ali su opazive znanstvenim instrumentima (produžecima naših osjetila). Ciljam na elektromagnetske valove za čije širenje nije potreban medij. Ono što u elektromagnetskom valu titra i prenosi energiju kroz prostor jesu električno i magnetsko polje, apstraktni entiteti koje smo u fiziku bili uveli u nekim drugim kontekstima. Jedna od manifestacija elektromagnetskih valova je vidljiva svjetlost. Druge manifestacije su primjerice: radiovalovi, ultraljubičasta svjetlost, rendgensko zračenje i gama-zračenje. Osim što zahvaljujući njima vidimo neposredni svijet oko sebe, elektromagnetski valovi su i prenositelji informacija na temelju kojih smo prikupili većinu današnjeg znanja o svemiru.

Konačno, kao zadnji korak u priči o valovima, koji traži još veću razinu apstrakcije, dolaze gravitacijski valovi. I to su mreškanja koja se šire i prenose energiju. Ali nisu titranja nekog svojstva u prostoru. To su titranja prostora samog! U modernoj fizici prostor nije ništavilo, praznina u koju možemo smjestiti objekte. Jezikom teatra, prostor nije prazna pozornica nego glavni glumac u predstavi zvanoj stvarnost. Materija zakrivljuje prostor, a zakrivljeni prostor određuje kako će se materija u njemu gibati. To je najkraći opis Einsteinove opće teorije relativnosti koja je, između ostalog, predvidjela i postojanje gravitacijskih valova.

Detektor LIGO

Neposredno nakon što je došao do konačnog oblika jednadžbi polja svoje opće teorije relativnosti – koja je zapravo geometrijska teorija gravitacije – sam je Einstein predvidio postojanje gravitacijskih valova. Bilo je to 1916. godine. Pod određenim uvjetima intenzivne dinamike velikih masa u malom dijelu prostora, prostor biva zatitran, a onda se to titranje prostora prenosi dalje u okolinu. Slično kao što kamen bačen na površinu jezera zatitra vodu na mjestu upada pa se onda ti titraji prenose sve dalje i dalje. Analogija s kamenom dobra je za razumijevanje činjenice da intenzitet valova (snaga podijeljena s površinom) opada s udaljenošću. Kamen vodi predaje određenu energiju, a tu energiju valovi odnose. Kako se energija s vremenom raspodjeljuje na sve veću površinu, intenzitet pada. A intenzitet je proporcionalan visini vala (što u fizici nazivamo amplitudom). Dakle što dulje putuju, valovi postaju sve manji i manji. To jednako vrijedi za sve vrste valova, kako valove na vodi tako i za gravitacijske valove.

Einstein se pitao kakav bi intenzitet imali gravitacijski valovi koje uzrokuje neka daleka kozmička kataklizma, recimo eksplozija velike zvijezde. Za takve račune treba znati tipične udaljenosti, veličine i energije kozmičkih objekata, što nije problem. Problem je, međutim, što račun i s najoptimističnijim procjenama daje fantastično mali intenzitet gravitacijskih valova: sićušno, sićušno titranje prostora ovdje na Zemlji uzrokovano velikim titranjem prostora negdje daleko u svemiru. Einstein je zaključio da je to učinak toliko ispod svake mogućnosti mjerenja i da gravitacijske valove nikad nećemo moći izravno opaziti. Bio je to krivi zaključak. Fizičari su kasnije ne samo smislili način kako izravno detektirati gravitacijske valove nego su tu ideju uspješno i realizirali. Bit metode svodi se na mjerenje sićušnog pomicanja velike mase u detektoru na Zemlji, uzrokovanog prolaskom gravitacijskog vala kroz taj detektor. U analogiji s valovima na vodi, to je kao da netko s mirnog broda daleko na pučini u more baci kamen, a netko drugi na obali pokušava opaziti valiće koje je uzrokovao taj kamen. Prvo, trebalo bi izračunati koliko bi mali ti valići trebali biti i kakav bi bio njihov oblik. Drugo, trebalo bi smisliti kako mjeriti veličinu valića i ono što je za svaki eksperiment najvažnije, kako razlikovati valiće koji su nastali zbog bacanja kamena s broda (što predstavlja signal) od drugih valova iz drugih izvora (što predstavlja šum). Jedan od lukavih načina da se eliminira signal iz drugih izvora jest taj da se izgrade dva, međusobno udaljena, detektora. S obzirom na to da je brzina valova konačna, razlika u vremenima dolaska signala može se povezati s položajem izvora.

Prema tim načelima dizajniran je i detektor LIGO. Iz opće teorije relativnosti predviđena je amplituda gravitacijskog vala i oblik promjene amplitude za pretpostavljeni događaj, konkretno za stapanje dviju velikih crnih rupa koje spiralno padaju jedna na drugu. LIGO se sastoji od dva detektora međusobno udaljena 3000 kilometara, a svaki od njih ima pažljivo izoliran uteg mase 40 kilograma čiji se sitni pomaci neprestano prate. To se radi s laserskim zrakama koje se odbijaju od zrcala postavljenog na uteg, prolaze kroz dva okomita kraka dugačka četiri kilometra, te se vraćaju na senzor. Stručni naziv za taj detektorski sustav je interferometar, a preciznost pomaka koju je uređaj u stanju opaziti odgovara tisućinki promjera protona, jedne od čestica atomske jezgre.

Tridesetak godina trebalo je da se LIGO usavrši do te mjere da postane sposoban opažati gravitacijske valove. Čovječanstvo je ostvarilo ono što je jedan od najgenijalnijih fizičara smatrao nemogućim. Nikad ne reci nikad.