Gravitācijas viļņi, ko Alberts Einšteins bija teorētiski pierādījis pirms 100 gadiem, nu ir pierādīti praksē. Par to 2016. gada februāra sākumā paziņoja starptautiskā projekta LIGO pētnieki, atsaucoties uz 2015. gada 14. septembrī fiksēto parādību, ko izraisījusi 1,4 miljardu gaismas gadu attālumā notikusī divu melno caurumu saplūšana. Mēs tikāmies ar fiziķi Vjačeslavu Kaščejevu, lai uzzinātu kaut ko vairāk par gravitācijas teoriju, Einšteina vienādojumiem, kas paredzēja gravitācijas viļņu esamību, un to, ko šis atklājums nozīmē fizikas turpmākajai attīstībai. Intervēja Ilmārs Šlāpins. Video – Ģirts Raģelis. Paldies restorānam "Rīgas atslēga" par viesmīlību.
Šis atklājums ir pierādījis, ka Einšteinam ir taisnība. Bet ko tad īsti Einšteins ir teicis?
Einšteins ir teicis daudz lietu. Ja zinātnei, fizikai ir populārās kultūras ikona, tad tas noteikti ir Einšteins. Ja mēs skatāmies uz fizikālo saturu, tad Einšteina zinātniskais mantojums ir ļoti bagātīgs. Mantojumam, kas attiecas uz kosmosa lietām un viļņiem, ir divas būtiskas daļas. Viena ir pazīstama kā speciālā relativitātes teorija, kas vēsturiski nāca pirmā. Einšteinam ir bijis arī daudz priekšgājēju – Lorencs, Puankarē un citi pētnieki, kuri izstrādājuši atsevišķus elementus. Un otra lielā komponente Einšteina mantojumā ir tā saucamā vispārīgā relativitātes teorija, kurai speciālā bija iedvesma un kura pēc savas būtības ir gravitācijas parādību teorija. Līdz Einšteinam veiksmīga gravitācijas parādību teorija bija Ņūtona gravitācijas teorija, kas ir fizikas kā zinātnes pats sākums. Ņūtonam, atklājot universālo jeb vispasaules gravitācijas likumu, pirmo reizi izdevies atrast matemātiski precīzu sakarību, kura ir attiecināma uz ļoti plašu parādību un ļoti plašu mērogu klasi. Tā ir lielā atskārsme, ka ir cilvēka prātam aptverami un matemātiski izsakāmi likumi, kas darbojas gan cilvēku un ābeļu mērogā, gan Mēness un Zemes mērogā, gan Zemes un Saules mērogā, un to var kvantitatīvi pārbaudīt. Ar to sākās fizika. Šajos manis nosauktajos mērogos gravitācijas izpausme ir statiska tādā nozīmē: ja man ir divi ķermeņi noteiktā attālumā, starp tiem darbojas noteikts pievilkšanās spēks – tas ir tas Ņūtona pievilkšanās spēks. Kad tie ķermeņi kustas, lai aprēķinātu spēku, man ir jāskatās dotajā laika mirklī, kurās vietās viņi ir, bet tas joprojām ir spēks, kura lielumu nosaka šī brīža attālums.
Tuvāk Saulei gravitācija ir spēcīgāka, tāpēc Merkurs ap Sauli riņķo ātrāk nekā tur, kur esam mēs, kur ir Zeme – tā riņķo lēnāk, bet, teiksim, Jupiters riņķo vēl lēnāk. Visas šīs lietas varēja kvantitatīvi izrēķināt no Ņūtona teorijas. Te es gribētu stāstu turpināt, būvējot analoģiju ar elektrības un magnētisma parādībām, kuras pēc Ņūtona, 18. un 19. gadsimtā, pa daļām atšķetinājuši vairāki zinātnieki, formulējot arī empīriskus, bet kvantitatīvus likumus, kas sākotnēji runāja tikai par statiskām lietām. Kādā nozīmē statiskām lietām? Arī elektrība ir pazīstama kā pievilkšanās vai atgrūšanās spēks starp diviem dažādiem ķermeņiem, kuri, vienādi lādējot, pievelkas. Un, starp citu, atkarība no attāluma ir tieši tāda pati kā gravitācijas statiskajam spēkam. Vēlāk tika atklāts: ja lādiņi ir kustībā, starp tiem ir cita rakstura spēks – magnētiskais spēks. Arī, teiksim, ampēra spēks ir spēks starp divām nemainīgām strāvām. Vairāki elektrības un magnētisma likumi tika salikti kopā Džeimsa Maksvela teorijā 19. gadsimta beigās, un patiesībā Einšteina devums gravitācijas viļņu atklāšanā ir ļoti līdzīgs Maksvela devumam radioviļņu atklāšanā. Abos gadījumos tā ir tieši matemātiska simetrija. Iekšējs likumu nepretrunīgums lika viņiem to papildināt vai noformulēt tik elegantā veidā. Tas nav pamanāms, ja mēs skatāmies uz konkrētajām izpausmēm. Ko ir izdarījis Maksvels? Viņš ir uzrakstījis tā saucamo Maksvela vienādojumu sistēmu, no kuras kā speciāli gadījumi izrietēja visi viņam līdz šim zināmie elektrības magnētisma likumi, bet kur bijis arī papildu loceklis, tā saucamā Maksvela nobīdes strāva, kuras iekļaušana, no vienas puses, šajos vienādojumos ļāva saskatīt pilnīgu simetriju starp elektriskajām un magnētiskajām parādībām, no otras puses – noveda pie ļoti tieša matemātiska secinājuma, ka arī bez lādiņiem ir iespējami elektromagnētiskie viļņi. Par viļņiem mēs runājam tad, kad kaut kas mainās laikā un telpā, kad mums ir dinamika, tiek pārnesta enerģija; arī tad, kad to vairs neietekmē šos viļņus un šo enerģiju radījušo lādiņu kustība. Tas bija ļoti pārsteidzošs secinājums pašam Maksvelam un viņa laikabiedriem, un, par laimi, tajā brīdī pietiekami precīzi tika izmērīts gaismas izplatīšanās ātrums, jo līdz šim punktam zinātnes vēsturē nebija nekādu tiešo liecību, ka gaismas daba ir saistīta ar elektrību magnētismu, jo frekvenču mērogi ir tik radikāli atšķirīgi, ka ar ikdienas vielām, ikdienas mērogos pierādīt, ka gaisma ir elektromagnētiskais vilnis, ir ļoti, ļoti grūti. Tas, ko Maksvels secināja, kas bija tas lielais "vau!": viņš paņēma divas konstantes – vienu elektrisko, vienu magnētisko –, kur vērtības bija zināmas no statiskiem eksperimentiem ar lādiņiem un strāvām, ielika no saviem vienādojumiem izrietošajā formulā, izrēķināja, ar kādu ātrumu šiem viļņiem ir jāizplatās, un dabūja skaitli, kas ir ļoti tuvs gaismas ātrumam. Tad, protams, radās lielā hipotēze, ka gaisma ir tādas pašas dabas vilnis. Bet tas arī nozīmēja, ka, izmantojot Maksvela vienādojumus un īstajā veidā iešūpinot lādiņus, mēs varam radīt šos pašus viļņus pie pavisam citām frekvencēm. Tie viļņi ir pazīstami kā radioviļņi, un šo viļņu eksperimentāla atklāšana sekoja vairākus gadus pēc Maksvela vienādojumu publicēšanas. Henriks Hercs bija motivēts tieši ar Maksvela disertāciju, un viņa izaicinājums bija šos viļņu reģistrēt.
Šeit it tā analoģija – Einšteins ir paredzējis gravitācijas viļņus, kuri tagad eksperimentāli ir atklāti arī tiešā veidā. Tas stāsts ir mazliet bagātāks ar detaļām, bet koncepcija ir tieši tāda pati – atslēga, kas ļāva mums paredzēt šādu viļņu esamību, teorētiski nāk no šo likumu iekšējās simetrijas. Vēlākais eksperimentālais apstiprinājums, protams, ir lielais triumfs pieejai, ka pasaulē valda strikti definējami, matemātiski nepretrunīgi likumi.
4