Eile tulnud uudis, et teadlased Laserinterferomeetri-Gravitatsioonilainete Observatooriumist (LIGO) on tuvastanud gravitatsioonilained, lõi laineid üle kogu maailma. Tegu on ääretult olulise avastusega, mitte ainult LIGO teadlaste jaoks vaid teadusele selle laiemas mõttes.
Tartu ülikooli füüsika instituudi vanemteadurja teadusfilosoofPiret Kuusk ütleb intervjuus, et tänu avastusele saame ilmselt lähemalt tundma õppida väga varast universumit, kuidmustiauke me veel sellest eksperimendist hoolimata "näinud" ei ole.
Gravitatsioonilainete tuvastamine on teadlaste seas juba mitu kuud (ja tegelikult aastat) palju kuulujutte ja põnevust tekitanud. Mis selle teema nii oluliseks teeb?
Selle teema juures on intrigeeriv tema saja-aastane ajalugu. Albert Einstein lahendas oma võrrandid lineaarses lähenduses juba 1916. aastal ja leidis tasalainelised lahendid, mis liiguvad ruumis valguse kiirusega.Kuid tema arvutused näitasid, et reaalsete kehade korral on gravitatsioonilainete poolt kantav energia nii tühiselt väike, et seda pole lootustki registreerida.
Teema tõusis taas päevakorda alles 1959. aastal, kui Joseph Weber Marylandi ülikoolis (USA) ehitas detektori ja väitis, et on kosmosest tulevaid gravitatsioonilaineid registreerinud.Ükski teine uurimisrühm tema tulemusi ei kinnitanud ja seetõttu ei jäänud keegi tema väiteid uskuma.
1980ndatel avastasid J. Taylor ja R. Hulse kaksikpulsari, mille perioodi vähenemist ajas näitasid täpsed vaatlused ja mida tõlgendati kui kaksiksüsteemi energia vähenemist gravitatsioonikiirguse tõttu.Olgugi et nad said selle tulemuse eest 1993. aastal Nobeli füüsikapreemia, ei loetud seda gravitatsioonilainete olemasolu otseseks tõendiks. Nüüd siis väidetakse, et LIGO registreeris gravitatsioonilainete signaali, mis täpselt 100 aastat pärast Einsteini artiklit otseselt tõendab nende olemasolu.
Laineid aegruumis on väga keeruline ette kujutada. Oskate te ehk gravitatsioonilaineid arusaadavamalt kirjeldada? On need nagu lained vees?
Üldrelatiivsusteooria võrrandid on oluliselt mittelineaarsed. Harilikud lained nagu nt veelained või elektromagnetlained alluvad lineaarsetele võrranditele ja on seetõttu palju lihtsama käitumisega kui gravitatsioonilained. Näiteks kahe laine kohtumisel nende amplituudid lihtsalt summeeruvad.
Einstein oma 1916. aasta arvutustes vaatas nõrka gravitatsioonivälja, mis allub lineaarsetele võrranditele. Sellistel nõrkadel gravitatsioonilainetel on palju ühist veelainetega ja valguslainetega. Kuid sellised gravitatsioonilained, mida on vähegi lootust detekteerida, tekivad väga tugevate gravitatsiooniväljade piirkonnas, kus lineaarne lähend ei kehti. Selliseid protsesse saab visualiseerida numbriliste lahendite ja arvutisimulatsioonide abil, mida viimasel veerandsajandil on ka palju tehtud.
LIGO teadlaste simulatsioonid näitasid, et lained pärinevad kahelt liitunud mustalt augult. Kas see on esimene kord kui me oleme „näinud“ sellist mustade aukude süsteemi?
LIGO ei „näinud“ musti auke, gravitatsioonilainete signaali päritolu tuletati signaali kujust ja sellest, et senised arvutisimulatsioonid kahe musta augu kokkusulamisest on näidanud analoogilise kujuga signaale.
Minu jaoks tähendab musta augu „nägemine“ seda, et on tehtud kindlaks lõkspinna olemasolu. Seda pole siiani veel suudetud, kuigi ideid, kuidas seda teha, on esitatud.
Mis avastusi võimaldavad LIGO teadlastelt tulnud ja edaspidi tulevad andmed veel teha? Mis küsimusi need tõstatavad?
Seni on LIGO tuvastanud ainult ühe signaali, 14. septembril 2015, ja see tõstatab küsimuse, miks pole rohkem signaale registreeritud järgmise viie kuu jooksul.
Oletades, et edaspidi (ja teiste detektorite valmimisel) uusi signaale siiski registreeritakse, on kõige huvitavam ehk võimalus midagi teada saada väga varase universumi kohta ajavahemikus Suurest Paugust kuni kosmilise mikrolaine-taustkiirguse ehk reliktkiirguse tekkeni. Nimelt enne reliktkiirguse teket oli kosmiline mateeria plasmaolekus, mis ei ole elektromagnetkiirtele läbipaistev, seegaelektromagnetiliste kiirguste abil ei saa põhimõtteliselt piiluda reliktkiirguse taha.
Kuid gravitatsioonikiirgusele on plasma läbipaistev ja selle abil võiks saada otsest teavet varases universumis toimunu kohta.
Higgsi boson ja gravitatsioonilained on leitud. Mis on järgmine suur küsimus füüsikas, millele me juba praegu aktiivselt vastust otsime? Võib see vastus tulla lähiaastatel?
Higgsi boson ja gravitatsioonikiirgus on tähised, millega märgistatakse kahte suurt alusfüüsika valdkonda: mikromaailma füüsika, mida kirjeldab kvantväljateooria alusel nn alusosakeste standardmudel, ja universumi füüsika, mida kirjeldab üldrelatiivsusteoorial baseeruv kosmoloogia kooskõlamudel.
Kahjuks pole kvantväljateooria ja üldrelatiivsusteooria põhiprintsiibid ühitatavad: kvantteoorias valitseb Heisenbergi määramatuse printsiip, mis ei lase korraga täpselt anda osakese asukohta ja kiirust, üldrelatiivsusteoorias aga kirjeldatakse osakeste liikumist piki trajektoore, kus nii asukoht kui ka kiirus on põhimõtteliselt kuitahes täpselt määratavad.
Seetõttu öeldakse vahel, et tänapäeva teoreetiline alusfüüsika on skisofreeniliselt lõhestunud; isegi kui mõni teoreetik töötab nii kvantteooria kui ka relatiivsusteooria alal, peab ta oma arutluste ja arvutuste aluseks võtma ühe kahest teineteisele vasturääkivate põhiprintsiipidega mõistesüsteemist ning teise vähemalt ajutiselt maha salgama.
Teooriat, mis mõlemad teooriad mõistusepäraselt ühendaks, nimetatakse kvantgravitatsiooniteooriaks ja seda teooriat ei ole veel olemas. On küll mitmel viisil proovitud seda teha, aga rahuldavat tulemust seni ei ole.
Kui kellelgi on veel küsimusi, mis pole vastuseid saanud, siis 16. veebruaril kell 16:15 toimub Physicumis (Ravila 14c, Tartu) auditooriumis A106 teoreetilise füüsika seminar, kusTÜ Füüsika Instituudi teadlased Piret Kuusk,Margus Saal,Peeter Tenjes,Laur Järvja Manuel Hohman räägivad gravitatsioonilainetest pikemalt.
Avafoto: LIGO. Portree: Oop
