Marcin JAKUBOWSKI: "Pustka, która przestała być nudna"

TSF Jazz Radio

Pustka, która przestała być nudna

Marcin JAKUBOWSKI

Fizyk w Instytucie Fizyki Maxa Plancka w Greifswaldzie zamujący się badaniami nad syntezą termojądrową. Ukończył studia na Wydziale Matematyki, Fizyki i Informatyki Uniwersytetu Opolskiego, doktoryzował na Uniwersytecie w Bochum prowadząc jednocześnie badania w Forschungszentrum Jülich. Pracował w kilku największych ośrodkach zajmujących się badaniami nad syntezą termojądrową, m.in. w General Atomics w San Diego i National Institute for Fusion Science w Japonii, gdzie wielokrotnie był profesorem wizytującym. Na Twitterze zainicjował stream #PięknoNauki.

Ryc.: Fabien Clairefond

zobacz inne teksty autora

Ponad 100 lat temu przestrzeń była nudną, statyczną pustką — zaledwie tłem dla ekscytujących interakcji pomiędzy cząstkami, gwiazdami i polami elektromagnetycznymi. Fizycy poszukiwali czegoś, co mogłoby nadać jej jakiś sens, ale wysiłki te — np. hipoteza o istnieniu eteru — spełzły na niczym. Dopiero Albert Einstein w listopadzie 1915 roku pokazał światu, że przestrzeń jest równie ekscytująca i egzotyczna, jak wnętrze jądra atomowego.

.Jego szczególna teoria względności, którą ogłosił w 1905 roku, połączyła materię z energią i pokazała, że czas jest ściśle związany z przestrzenią. Nowa teoria, nazwana teorią względności, postulowała, że prawa fizyki są takie same dla wszystkich swobodnie poruszających się obserwatorów. Światło ma zawsze taką samą prędkość, niezależnie od ruchu obserwatora. To czas i przestrzeń są względne, każdy z obserwatorów ma swoją własną miarę czasu.

W tych dniach mija dokładnie 100 lat od publikacji artykułu, w którym Einstein ogłosił założenia ogólnej teorii względności.

Publikacja, która powstała jako odpowiedź na jedno z tzw. „głupich pytań”, jest jednym z najdonioślejszych wytworów ludzkiego umysłu.

.Pytanie było następujące: dlaczego nie ma masy ujemnej? Skoro mamy dwa bieguny magnesów, dodatnie i ujemne ładunki elektryczne, to dlaczego masa jest zawsze dodatnia?

Otóż grawitacja nie jest taką siłą jak te, którymi przyciąga magnes lub naelektryzowany grzebień. Oddziaływanie grawitacyjne to nic innego jak skłonność obiektu — gdy nie działają na niego żadne siły — do poruszania się po linii prostej. Tyle że ta prosta linia (moglibyśmy nazwać ją też krzywą geodezyjną) leży w czterowymiarowej czasoprzestrzeni, a nie w trójwymiarowej, dostępnej naszym zmysłom.

.Niezbyt zrozumiałe? Spróbujmy inaczej.

Spacetime_curvature

.Gdybyśmy uprościli czasoprzestrzeń do dwóch wymiarów, tak jak na obrazku powyżej, zakrzywienie czasoprzestrzeni przez kulę ziemską wyglądałoby jak zagłębienie. W rzeczywistości czasoprzestrzeń jest czterowymiarowa i przedstawić ją można tylko z wykorzystaniem równań matematycznych.

Planety (w ogólności wszystkie ciała obdarzone masą) nie przyciągają się — raczej zakrzywiają czasoprzestrzeń i poruszają się po liniach, które powstają w wyniku takich zakrzywień. Satelita krąży wokół Ziemi, bo ta zakrzywia czasoprzestrzeń wokół siebie. Wszystko: piłka podrzucona do góry, lecący ptak, jadący rowerzysta (a także Ty, Czytelniku siedzący przed komputerem) porusza się w przestrzeni czterowymiarowej, zakrzywionej przede wszystkim przez masę Ziemi i oczywiście Słońca.  Słońce swoją olbrzymią masą zakrzywia czasoprzestrzeń tak, że w strefie jego przyciągania znajduje się planeta karłowata o „fantazyjnej” nazwie V774104, oddalona od Słońca ponad 100 razy bardziej niż Ziemia! To jednak nic w porównaniu z czarnymi dziurami, które zakrzywiają czasoprzestrzeń tak bardzo, że nawet światło nie jest w stanie uciec z ich wnętrza (stąd ich nazwa). Każdy obiekt obdarzony masą zakrzywia w większym lub mniejszym stopniu czasoprzestrzeń.

.Teoria Einsteina nie tylko tłumaczy prawa Newtona, ale sprawdza się też tam, gdzie równania tego ostatniego zawodzą (dlatego jest ich uogólnieniem). Wyjaśnia, jak powstają czarne dziury (dość powszechnie występujące w kosmosie, dzięki czemu stały się takim samym obiektem badań jak kwazary lub gwiazdy neutronowe) i dlaczego wszechświat się rozszerza. Dopuszcza możliwość istnienia tzw. tuneli czasoprzestrzennych, którymi moglibyśmy pokonywać ogromne odległości w przestrzeni i czasie. Dzięki tej mającej już 100 lat teorii astronomowie odkryli soczewkowanie grawitacyjne, co pozwala nam badać najodleglejsze galaktyki. Ogólna teoria względności ma też zastosowanie czysto praktyczne. Otóż sygnał z satelitów, dzięki któremu używamy urządzeń nawigacyjnych, musi uwzględniać poprawkę wynikającą z wpływu zakrzywienia czasoprzestrzeni na umieszczone na tych satelitach zegary.

Przykład soczewkowania grawitacyjnego, w którym galaktyka LRG 3-757 zniekształca obraz dalszej galaktyki — przypomina on niebieski okrąg. Einstein przewidział to zjawisko w latach 30. XX w., ale astronomom udało się zaobserwować je dopiero pod koniec lat 70.

A_Horseshoe_Einstein_Ring_from_Hubble-2

.Przestrzeń, którą pokazał nam Einstein, nie jest nudna i statyczna. Jest dynamiczna i pełna niesamowitych obiektów, które dziś obserwujemy przez teleskopy. Mechanika kwantowa i teoria względności pozwalają nam uchwycić to, co jest niedostępne dla naszych zmysłów i intuicji, które wyewoluowały w taki sposób, by zapewnić nam przetrwanie, a nie możliwość badania czasoprzestrzeni. Na szczęście mamy też matematykę.

Marcin Jakubowski

Pierwszy raz na Wszystko Co Najważniejsze?

Aby nie ominąć istotnych tekstów, raz w tygodniu w niedzielę rano wysyłamy newsletter. Zapraszamy do zapisania się:

Magazyn idei "Wszystko Co Najważniejsze" oczekuje na Państwa w EMPIKach w całym kraju, w Księgarni Polskiej w Paryżu na Saint-Germain, naprawdę dobrych księgarniach w Polsce i ośrodkach polonijnych, a także w miejscach najważniejszych debat, dyskusji, kongresów i miejscach wykuwania idei.

Aktualne oraz wcześniejsze wydania dostępne są także wysyłkowo.

zamawiam