Wrota czwartego wymiaru

- Naukowcy stoją przed nowym rodzajem fizyki. Wszechświat najprawdopodobniej jest wielowymiarowy - mówi Jerzy Rafalski.

Na czym polega głośne odkrycie fal grawitacyjnych, w którym udział mieli także naukowcy z UMK i jakie mogą być tego konsekwencje – tłumaczy znany popularyzator astronomii, Jerzy Rafalski z toruńskiego Planetarium, w rozmowie z Jackiem Kiełpińskim

– Natura lubi fale?

– Przykładem woda. Mamy też fale dźwiękowe, świetlne, fale radiowe. Coś, co się rozprzestrzenia, lubi robić to w postaci zaburzeń. Naukowcy zaczęli się więc zastanawiać, czy wobec tego grawitacja też rozprzestrzenia się w ten sposób. Zadajmy sobie takie pytanie akademickie: co się stanie z Ziemią, gdybyśmy nagle zabrali Słońce? Wiadomo, że światło, czyli ciemność w tym przypadku, doleci do Ziemi dopiero po ośmiu minutach, a więc mieszkańcy Ziemi dowiedzą się, że zabrakło Słońca dopiero po ośmiu minutach. Ale czy Ziemia po zabraniu Słońca nagle odczułaby, że nie ma grawitacji i odleciała gdzieś w przestrzeń? Czy jeszcze przez jakąś chwilę krążyłaby? Pytamy tu o to właśnie, czy grawitacja rozprzestrzenia się falowo. To ostatnie odkrycie pokazuje, że tak.

– Czyli Ziemia, po hipotetycznym zabraniu Słońca, przemieszczałaby się jeszcze przez osiem minut po orbicie?

– Tak. Ziemia przez osiem minut krążyłaby wokół niczego. To zaburzenie grawitacyjne rozprzestrzeniałoby się i dopiero po ośmiu minutach dotarłoby do Ziemi i wówczas planeta zostałaby wystrzelona w kosmos. Cały problem polegał na tym, jak odkryć fale grawitacyjne.

– A wiemy w ogóle, czym jest grawitacja?

– Masa zakrzywia czasoprzestrzeń, tak powiedział Einstein. My tego nie czujemy, ale przy dużych masach światło wcale nie biegnie po liniach prostych. Dlaczego? Bo przestrzeń jest zakrzywiona. Zaobserwowano to przy zaćmieniach Słońca, czy w laboratorium, że światło faktycznie ulega zakrzywieniu przy dużej masie. W takim razie, to masa powoduje zakrzywienie czasoprzestrzeni, grawitacja powoduje zakrzywienie. Należałoby zacząć myśleć wielowymiarowo, by to zrozumieć.

– Na czym technicznie polega to odkrycie?

– Jeżeli mamy cykliczne zaburzenia czasoprzestrzeni, to przestrzeń się kurczy i rozciąga cyklicznie. Jeżeli cała przestrzeń ścieśnia się i rozciąga, to bardzo trudno to zauważyć, by my ścieśniamy się i rozciągamy wraz z tą czasoprzestrzenią, więc nie czujemy, że żyjemy w takim zakrzywieniu. I tu pojawia się pomysł: gdybyśmy bardzo precyzyjnie mierzyli odległości w różnych kierunkach, to przechodząca taka fala z jakiegoś kierunku, na chwilę skurczy naszą przestrzeń i rozciągnie. Przygotowano taki eksperyment. Chodzi o bardzo dokładne mierzenie odległości, do ułamka rozmiaru protonu, w dwóch miejscach na świecie. Mamy w laboratorium bardzo długi kanał i mierzymy jego długość. Jeśli przechodzi przez nas zaburzenie grawitacyjne, to przestrzeń zostanie ściśnięta i rozciągnięta parę razy. Czy kilkadziesiąt razy na sekundę. W ten sposób długość tego kanału się zmieni. Bo cała przestrzeń zostanie ściśnięta i rozciągnięta. I okazało się, że dwa takie urządzenia, położone w różnych miejscach, wykazały, że praktycznie w tym samym momencie nastąpiło cykliczne zaburzenie odległości i to płynące z jednego kierunku. To znaczy, że to zmiażdżenie naszej przestrzeni przybyło gdzieś z kosmosu.

– Co mogło spowodować takie zaburzenie?

– Wpływ na grawitację ma masa, czyli coś się stało z masą gdzieś w kosmosie. Najmasywniejsze w kosmosie są czarne dziury. Gdyby takie obiekty zderzyły się ze sobą, nastąpiłoby właśnie takie uderzenie w grawitację. Dwie czarne dziury zderzają się ze sobą i następuje potężny impuls grawitacyjny.

– Jak uderzenie w powierzchnię wody?

– Właśnie. Wtedy zaczynają się rozprzestrzeniać zaburzenia na wodzie albo zaburzenia grawitacji. Myślę, że to teoretycznie zostało wyliczone, jaki impuls wystąpił w kosmosie. Zresztą całe zjawisko nastąpiło we wrześniu 2015. Od tego czasu trwało sprawdzanie, czy mamy pewność. Bo to było zjawisko mikroskopijne. Teraz, po kalibracjach, odszumieniu (którego metodykę opracowywali m. in. toruńscy naukowcy), stwierdzono, że te dwa urządzenia faktycznie zadziałały praktycznie w tym samym momencie.

– Nie ma mowy o błędzie?

– Wydaje mi się, że jest to już potwierdzone na sto procent, ale błędu nie można wykluczyć, nauka myliła się wiele razy.

– Jakie może być praktyczne znaczenie tego odkrycia dla ludzkości?

– Naukowcy stoją przed nowym rodzajem fizyki. Wszechświat najprawdopodobniej jest wielowymiarowy. Teraz mówimy, że grawitacja, inaczej masa, powoduje zakrzywienie czasoprzestrzeni, grawitacja to zakrzywienie trójwymiarowej przestrzeni, czyli wchodzimy w wyższe wymiary. Całym problemem jest to, by połączyć makroświat, czyli te największe odległości, z tymi najmniejszymi: elektronami, protonami, cząstkami elementarnymi. Występuje ogromna przepaść pomiędzy teoriami makrokosmosu i mikrokosmosu. Teraz czas zrozumieć wszechświat w wyższych wymiarach. Te fale grawitacyjne, które teraz okryliśmy, to jest tylko efekt czegoś, co się dzieje w wyższych wymiarach. Czyli musimy myśleć w wyższych wymiarach, by zrozumieć, jak ten wszechświat jest skonstruowany. I naprawdę zrozumieć, czym jest grawitacja, a potem, czym jest czas. Bo go nie rozumiemy. Einstein powiedział, że czas jest związany z przestrzenią, ale my tego naprawdę nie rozumiemy, tak jak nie rozumiemy, czym jest tak do końca grawitacja.

– Pierwsze skojarzenie: przyciąganiem…

– Ok. Dla nas dziś grawitacja to tylko przyciąganie. To znaczy, że jeśli stoimy na Ziemi, to Ziemia nas przyciąga, bo grawitacyjnie na nas działa. No to jest pytanie, czy jest działanie odwrotne, czy może być antygrawitacja, coś, co by nas odpychało? To już byłoby naprawdę fajne odkrycie. Ale najpierw musimy zrozumieć, czym jest grawitacja. Może to jest zakrzywienie wyższych wymiarów, których nie rozumiemy?

– Czwarty wymiar?

– My żyjemy w świecie trójwymiarowym, a istota o wymiar wyższa mogłaby powiedzieć: fale, które odkryliście, to tylko zakrzywienia waszej przestrzeni, które przez was przechodzą, ale wy nie rozumiecie czwartego wymiaru. No właśnie, a piąty, a dziesiąty wymiar? Kto wie, czy ich nie jest dużo więcej. Dlatego to jest właśnie powód, by zacząć myśleć wielowymiarowo w nauce. To jest nowa brama do przyszłości.

– Przełom?

– Zdecydowanie tak. Teraz tego nie wykorzystamy, ale uczymy się, na czym polega zniekształcanie przestrzeni. Jeszcze niedawno mówiono – nie jest możliwe dolecieć do bardzo odległych galaktyk. Ale teorie Einsteina mówią, że skoro jest możliwość zakrzywienia czasoprzestrzeni, to w takim razie tę odległość możemy sobie zmiażdżyć. Oczywiście, potrzeba wielkiej masy, czy potężnej energii, ale teoretycznie jest to możliwe. I nagle daleka gwiazda znajdzie się bardzo bliziutko. Teoretycznie jest to możliwe. Dlatego musimy zrozumieć, czym jest w ogóle grawitacja. Jeżeli wiemy już dziś, że grawitacja rozprzestrzenia się falowo, to jest to już duża informacja. Dobry początek.