Gravitační vlny

   

Základní kámen k poznání prostoročasu položil v roce 1873 skotský fyzik James Clerk Maxwell. Na jeho práci navázal Albert Einstein. V roce 1905 zformuloval speciální teorii relativity a v roce 1916 obecnou teorii relativity, čili teorii gravitace. Americký astrofyzik a relativista John Wheeler popsal překrásně interakci prostoru, času a hmoty plynoucí z Einsteinovy obecné teorie relativity tak, že „hmota říká prostoru a času jak se mají zakřivit, zatímco prostor a čas říkají hmotě, jak se má pohybovat“. V přírodě existují čtyři základní interakce - silná, slabá, elektromagnetická a gravitační. Albert Einstein se do konce života snažil svoji teorii gravitace spojit s teorií elektromagnetickou, čili spojit makrosvět s mikrosvětem a vytvořit obecnou jednotnou teorii všeho. Nicméně to se mu nepodařilo a dodnes máme v podstatě dva standardní modely popisující fungování vesmíru, jeden pro velké objekty a druhý pro malé. Po druhé světové válce se však podařilo vytvořit několik průlomových teorií vysvětlujících některé základní přírodní zákonitosti. V roce 1948 formuloval Richard Feynman svoji „neobyčejnou teorii světla a látky“ (elektromagnetická interakce), v roce 1967 publikoval Steven Weinbeg teorii sjednocení slabé a elektromagnetické interakce a poslední velká teoretická práce přišla v roce 1974 a pojednává o sjednocení silné a slabé interakce. Vznikl tak tzv. standardní model mikrosvěta. Od té doby žádná nová velká fundamentální teorie nepřišla, nicméně velký úspěch byl zaznamenán v oblasti pozorování a experimentu, kde byly bezezbytku potvrzeny stávající teorie. Příkladem může být detekce Higgsova bosonu, který byl předpovězen v roce 1964, pozorován v roce 2012 a Nobelova cena za něj byla udělena v roce 2013, nebo gravitační vlny, které byly předpovězeny Einsteinem v rámci obecné teorie relativity v roce 1916, detekovány v roce 2015 a následně oceněny Nobelovou cenou v roce 2017.

Albert Einstein věděl, jak vypadají elektromagnetické vlny a připadlo mu přirozené, že by měly existovat i gravitační vlny. Z teorie plyne, že stejně jako vlna elektromagnetická i gravitační vlna je příčná a kmitá ve směru kolmém na směr šíření. Stejně jako elektromagnetická vlna má dva vektory na sebe kolmé, tak i gravitační vlna má dvě polarizace, avšak skloněné vůči sobě o 45°. Einstein věděl, že jeho řešení gravitačních vln není zcela přesné a snažil se najít exaktní řešení. Navrhl však řešení obsahující singularitu, na základě kterého začal sám pochybovat o smysluplnosti svého vlastního řešení. Einsteinova velikost však spočívá také v tom, že svůj původní závěr opravil na základě práce Howarda Robertsona, který ukázal, že teorie gravitačních vln má i přes výskyt singularity smysl.

Teoreticky můžeme gravitační vlny vysílat i my sami, například když zatočíme rukou, ovšem takovéto vlny jsou zanedbatelně slabé. Stejně tak neobyčejně slabé jsou i gravitační vlny, které vytváří naše Země při oběhu kolem Slunce. Proto se nemusíme bát, že bychom se z důvodu úbytku energie odnášené gravitačními vlnami postupně po spirále zřítili do Slunce. Měřitelné jsou pouze takové vlny, které vznikají kolem velmi hmotných a rychle obíhajících těles, jako jsou například černé díry, nebo neutronové hvězdy. V šedesátých letech byly navrženy experimenty pro detekci gravitačních vln. Průkopníkem v této oblasti byl Joseph Weber. V roce 1972 se mu podařila zaznamenat jediná koincidence, která se však již nikdy nezopakovala. Dnes se soudí, že relativní citlivost jeho aparatury byla nedostatečná. Stejně tak proběhla snaha o nepřímou detekci reliktních gravitačních vln z raného vesmíru na observatoři BICEP na jižním pólu v roce 2014. Srovnání s měřením sondy Planck však také gravitační vlny nepotvrdilo. A tak první, skutečně prokazatelná detekce gravitačních vln, byla učiněna až v roce 2015 na superpřesné interferometrické aparatuře LIGO. Od předpovědi existence gravitačních vln uplynulo téměř sto let… V současné době pracuje vedle amerického experimentu LIGO rovněž evropská observatoř VIRGO. Detekce gravitačních vln je disciplína, která přesahuje hranice států, kontinentů i vědeckých oborů. Pod každou publikací průchodu gravitační vlny jsou podepsány stovky vědců a odborníků. Vyvíjí se také nové aparatury a způsoby detekce. Dnes už je zaznamenáno 11 průchodů gravitačních vln a další budou nepochybně následovat. Stojíme na prahu nové éry astronomie. Doposud zkoumali astronomové vesmír v různých oborech elektromagnetického záření a pomocí různých částic přicházejících z kosmu. Dnes můžeme díky gravitačním vlnám sledovat přímo záhyby prostoročasu. Kam nás tato cesta zavede a jaké báječné objevy nás čekají, můžeme jen hádat.

Ve své přednášce nás nechal prof. RNDr. Jan Novotný, CSc. nahlédnou také trošku pod pokličku vědecké práce relativistického fyzika.

Bylo toho mnohem více, o čem nám prof. Jan Novotný ve své přednášce vyprávěl, než se vejde do tohoto článku. Přestože téma nebylo úplně jednoduché, přednáška byla neobyčejně zajímavá a těšila se zaslouženému zájmu.

Po přednášce následovalo pozorování hvězdné oblohy. Během večera se začalo zatahovat a kolem Měsíce se vykreslila krásná barevná lunární korona vznikající ohybem bílého světla na kapičkách vody v oblaku.