Kad posmatramo talase na obali mora, misli nam obično odlutaju u pravcu beskrajnog i večnog jer - kaže pisac Mobi Dika - “meditacija i voda su venčani zauvek”.
Njutnova teorija univerzalne gravitacije, od svog nastanka pre 330 godina do danas, navodi se kao uzor logičkog i jasnog razmišljanja i zaključivanja. Ona kaže da se dva tela konačne mase uzajamno privlače silom koja je srazmerna proizvodu njihovih masa i obrnuto sraznerna kvadratu njihovih rastojanja. Ovo važi za sva tela u kosmosu, bez razlike. Matematički, ta privlačna sila se izračunava po sledećoj formuli:
Konstanta proporcionalnosti, “G” u gornjoj formuli, se zove univerzalna gravitaciona konstanta. Ovom formulom, Njutn nam je dao način da izračunamo silu gravitacionog privlačenja izmedju dva tela (ili više tela – sile se prosto sabiraju) i ona se i danas uspešno koristi kada se, na primer, proračunavaju putanje planeta oko Sunca, ili planira putanja svemirske letilice koju želimo da pošaljemo na Mars, itd. Pomoću te formule lako se izračuna sila gravitacionog privlačenja izmedju Zemlje i Sunca tako što se na mesto jedne mase (m1) stavi masa Zemlje, na mesto druge (m2) masa Sunca i na mesto rastojanja stavi rastojanje izmedju Zemlje i Sunca (oko 150 miliona kilometara) i dobije se sila od oko 3.5x10^22N. Njutn nam je, dakle, dao formulu, ali nije objasnio odakle potiče ili šta je uzrok gravitacionog privlačenja izmedju tela konačne mase.
Pre 100 godina je to objašnjenje dao Ajnštajn koji je, u svojoj Opštoj Teoriji Relativnosti (OTR), pokazao da prisustvo mase u prostoru deformiše prostor, slično kao što lopta za kuglanje stavljena na ravnu elastičnu podlogu ugiba i deformiše tu podlogu, i telo koja se nalazi dovoljno blizu tog ugibljenja se u njega slije kao voda što se sliva niz strminu ili u slivnik.
Druga stvar koja nije jasna u Njutnovoj formuli je takodje važna za razumevanje gravitacije, sile koja vlada svemirom. Naime, zamislimo da se, na primer, masa Sunca, nekim čudom ili magijom, odjednom udvostruči. Sila gravitacionog privlačenja izmedju Zemlje i Sunca će se, prema Njutnovoj formuli, takodje udvostučiti pošto je ta sila srazmerna masi Sunca. Koliko vremena je potrebno da prodje da mi na Zemlji tu promenu sile privlačnosti Sunca osetimo?
Prema Njutnovoj teoriji ta promena se oseti trenutno. Medjutim, OTR kaže da se takva promena, ili poremećaj, prostire brzinom svetlosti, pa bi mi na Zemlji “saznali” da nas Sunce jače privlači tek posle približno 8 minuta od trenutka promene. Planete koje su još dalje od Sunca za tu promenu bi “saznale” kasnije. Govoreći jezikom OTR-a, promena mase izaziva promenu iskrivljenja prostora u blizini te mase, i ta se promena širi u svim pravcima brzinom svetlosti.
Razume se, udvostručenje gravitacione sile Sunca bi imalo značajne posledice po naš život na Zemlji: mi bi spiralnom putanjom počeli da padamo na Sunce i u njemu se najzad istopili. Nebeska tela koja su mnogo dalje, u drugoj galaksiji recimo, bi takvu promenu na Suncu jedva i osetila.
Nekoliko decenija su se vodile rasprave o tome kako se promena deformacije prostora na nekom mestu u kosmosu širi kroz prostor. U početku je Ajnštajn verovao da se promena prostire u vidu gravitacionih talasa , ali je kasnije to objašnjenje odbacio tvrdeći da gravitacioni talasi ne mogu da se proizvedu. Drugi naučnici su takodje razmišljali o ovom problemu, i najzad je došlo do saglasnosti da pod odredjenim okolnostima gravitacioni talasi mogu da se pojave: recimo oni mogu da nastanu prilikom stapanja dve crne rupe (nebeska tela ogromne gustine i tako jake gravitacione sile koja ni svetlosti ne dozvoljava da se “otrgne”) kada se one, kružeći jedna oko druge, najzad spoje. Takva situacija, veruje se, proizvodi jake gravitacione talase koji bi mogli da se detektuju i na velikim rastojanjima od izvora. Kompjuterska simulacija tog događaja je prikazana na slici dole:
Ostao je, medjutim, problem da se u kosmosu najpre uoči takva situacija stapanja crnih rupa i detektuju gravitacioni talasi. To su, zapravo, dva problema – dogadjaj i njegova detekcija. Za tu situaciju nam je potrebna analogija.
Zamislimo sebe da se nalazimo na obali ogromnog potpuno mirnog jezera, u mrkloj noći bez daška vetra. Na dalekoj obali jezera se nalazi neko dete koje ponekad baci kamen u vodu. Mi znamo da bi takav kamen proizveo talase i da će se oni širiti površinom jezera, i da će stići do nas. Ako je daleka obala jezera gde se nalazi dete veoma veoma daleko, ili kamenčić koje je dete bacilo veoma mali, onda bi talasi koje do nas stignu bili mali, mali, praktično neprimetni za nas. Tada ne bi ni znali da se jezero uzburkalo.
Obrnuto, ako dete baci veći kamen u vodu, ili pridje bliže nama, onda postoji način da detektujemo te talase. Na primer, mogli bi da postavimo plovak u vodu i posmatramo kako se plovak kreće kada talas naidje. Ako bi postavili dva plovka u vodu, jedan bliže nama a drugi dalje na nekom rastojanju, i izmerili kada je počelo ljuljanje jednog plovka, a potom drugog, onda bi na osnovu vremena koje protekne izmedju početka pomeranja dva plovka, i znajući restojanje medju njima, mogli da izračunamo i brzinu talasa koji do naše obale dolaze.
Upravo ovakav koncept je upotrebljen kod merenja i detekcije gravitacionih talasa koji su nedavno (15. Septembra, 2015. godine) došli i u naš kraj kosmosa. Na rastojanju od 1.3 milijarde svetlosnih godina daleko od nas došlo je do spiralnog spajanja dve crne rupe (svaka oko 30 puta masivnija od Sunca) od kojih je nastala jedna, oko 60 puta masivnija od mase Sunca, i tom prilikom oslobodila se energija, u vidu gravitacionog talasa koji je brzinom svetlosti krenuo kroz vasionu. Posle oko 1.3 milijarde godina, taj talas je stigao do nas kao maleno uznemirenje prostora. Na slici dole je šematski prikazano prostiranje gravitacionog talasa.
Način detekcije ovog poremećaja prostora zahteva posebnu fiziku (i poseban blog), ali ja se neću na tome sada zadržavati. Dovoljno je reći da se detektor zapravo sastojao od dva identična detektora na rastojanju od oko 3000km – jedan u državi Vašington, drugi u državi Luizijani. Na njegovom osmišljavanju i konstrukciji se radilo oko 45 godina.
Kada su najzad analizirani podaci i eliminisane sve zamislive greške, sledeći rezultat je objavljen: 1.3 milijarde svetlosnih godina daleko u svemiru došlo je do spiralnog kruženja i konačnog spajanja crnih rupa; taj dogadjaj je deformisao prostor i proizveo gravitacioni talas koji je brzinom svetlosti, posle putovanja i slabljenja tokom 1.3 milijarde godina, došao do Zemlje gde je detektovan pomoću detektora čija je izgradnja dovršena nedavno. Da se ovaj dogadjaj desio mnogo bliže Zemlji, njegova snaga bi mogla da nas uništi; da se desio mnogo dalje od 1.3 milijarde svetlosnih godina, on bi toliko oslabio da uopšte ne bi bili u stanju da tako slab signal detektujemo. Imamo sreću da živimo u kosmičkom trenutku kada se kosmička kataklizma desila na bezbednom rastojanju od Zemlje, i kada smo na takvom nivou tehnološkog razvoja da taj signal možemo da detektujemo.
Ovi rezultati, objavljeni pre nekoliko dana, pokazali su da: (i) crne rupe postoje, (ii) je gravitacija posledica zakrivljenja prostora i da se gravitaciona interakcija prenosi gravitacionim talasima i (iii) da je brzina prostiranja tih talasa jednaka brzini svetlosti.
Ali, više od svega, važno je još naglasiti: mi smo do sada kosmos ispitivali i osluškivali pomoću elektromagnetskih talasa koji do nas dolaze (svetlosti, radiotalasa, X-zraka, gama-zraka). Sada, po prvi put u istoriji naše civilizacije, imamo mogućnost da dogadjaje u svemiru pratimo detektujući gravitacione talase koji do naše kosmičke obale stižu.
To otvara sasvim novo i neistraženo poglavlje u atronomiji.
*Beleška na margini: naslov ovog bloga je pozajmljen. Drama “A matter of gravity” (napisala Enid Bagnold) je igrana na Brodveju, 1976. godine sa Ketrin Hepbern u glavnoj ulozi.