Žiarenie z vesmíru sú tiež vlny. Elektromagnetické. Najbežnejším príkladom takých vĺn je svetlo, preto začneme naše rozprávanie o objave gravitačných vĺn tak, že si povieme, čo je svetlo a ako sa šíri.
To, čo kmitá v priestore, ktorým k nám prichádza svetlo, nie sú čiastočky nejakej látky, ako keď sa vo vzduchu šíri zvuk. Hoci si to fyzici dlho mysleli. (Mali pre tú látku aj názov, volali ju éter. A keďže sa v nej mali šíriť aj rádiové vlny, dodnes hovoríme o rozhlase, že „vysiela v éteri”.) Svetlo sú vlny elektromagnetického poľa. Môžeme si to predstaviť tak, že v priestore kmitajú dve šípky, elektrická a magnetická, kolmé na smer šírenia sa svetla aj jedna na druhú. Kmity šípiek sú tiež istý druh pohybu, hoci bez materiálneho nosiča. Pohybu kolmo na smer šírenia sa vlny. Takže je to ako keď chytíme gumovú hadicu, ktorá leží na zemi, a začneme ňou triasť. Hadica sa hýbe do strán a vlna postupuje dopredu.
Na rozdiel od hadice položenej na zemi, môže svetlo kmitať vo veľa rôznych smeroch. Každý, čo je kolmý na smer, v ktorom sa svetlo šíri, je dobrý. Pod smerom kmitov pritom rozumieme smer elektrickej šípky. Tá zodpovedá za prenos energie, keďže uvádza do pohybu náboje, čo stoja svetlu v ceste. Ak elektrickú šípku premietneme do hocijakého smeru kolmého na smer šírenia sa svetla, dozvieme sa, koľko energie na ten smer pripadá. A keď niektorý smer prevažuje, hovoríme, že svetlo je polarizované.
Čo sme si povedali o svetle, platí o každom žiarení. Aj o tom z vesmíru. Žiarení prichádzajúcom z dávnych čias, keď bol vesmír zaplnený horúcim plynom. Vtedy to boli vlny z blízkej infračervenej oblasti s dĺžkou okolo mikrometra, ale ako sa vesmír rozpínal, naťahovali sa, takže dnes merajú tisíckrát viac – okolo milimetra. Popri týchto krátkych vlnách brázdili priestor v prvom období vesmíru aj ďalšie vlny, ktoré boli, naopak, veľmi dlhé: zvukové a možno aj gravitačné. A zanechali po sebe správu v podobe polarizácie tých krátkych. Preto ak chceme zachytiť gravitačné vlny, môžeme na to ísť tak, že zmeriame polarizáciu rádiových vĺn z vesmíru a vyčleníme z nej „gravitačnú” časť. Ako sa čitateľ azda dočítal v článku z minulého týždňa – aj .týždňa –, podarilo sa to v nedávnom experimente BICEP2, konanom na južnom póle. (Dvojka znamená, že šlo o druhú, vylepšenú verziu, a „P” je tam za polarizáciu.) V článku sa o tom písalo ako o zachytení signálu z VGA – Veľkej gravitačnej antény. Teraz sa pozrieme, ako taká VGA funguje. Začneme tým, že zabudneme na vlny z vesmíru aj na južný pól a budeme sa venovať len a len rozptylu svetla. Najprv vo vzduchu a potom v horúcom plyne.
.o pištoli strýka Buda, včelách a formule 1
Obloha svieti aj tam, kde nie je slnko. Nie je to divné? Napríklad keď slnko zapadá a my hľadíme na juh, lúče, ktoré k nám prichádzajú, sa museli zalomiť do pravého uhla.
V knihe Limonádový Joe je výjav, kde hrdina dostane od slávneho pištoľníka Johna Wesleyho Hardinga dedičstvo po strýkovi Budovi. Je to pištoľ, ktorá strieľa za roh. Harding, keď ju predvádza, namieri na barmana, no keď vystrelí, neodnesie si to zrkadlo – barman sa medzitým skryl pod pult – ale ľavý fúz dobytkára, ktorý stojí vedľa neho. No a lúče zapadajúceho slnka sú ako strely z pištole strýka Buda. Prečo, na to nie je zas také ťažké prísť. Určite ľahšie, než na princíp tej pištole. Svetlo rozkmitá náboje v atómoch a tie začnú vysielať vlastné svetlo. Vo všetkých smeroch, aj kolmo na dopadajúci lúč či v jeho ústrety. Fyzici túto kombináciu pohlcovania a vyžarovania volajú rozptyl.
Ako sa pri rozptyle správa polarizácia? Slnečné svetlo je nepolarizované, s energiou rozdelenou rovnomerne medzi všetky priečne smery. Lúč takého svetla, ktorý prichádza zo západu a dopadá na vrchné vrstvy vzduchu na juhu, obsahuje rovnako veľa energie v smere od nás k nám ako v smere hore-dolu. Po rozptyle však bude plne polarizovaný v druhom z týchto smerov. Polarizácia v prvom smere neprežije, lebo by bola rovnobežná so smerom šírenia sa svetla.
Ako vidíme, pri západe slnka musí byť obloha na juhu polarizovaná zvislo. O tom, že je to tak, sa môžeme presvedčíť pomocou fólie z 3D okuliarov. Keď ju vhodne natočíme, svetlo by malo zmiznúť. Svoje o tom vedia včely, hoci o 3D okuliaroch asi nikdy nepočuli. Keď sa včela vráti do úľa, predvádza svojim družkám, kde nájdu med, zložitým tancom. Potrebuje však určiť, kde je slnko, a z úľa má výhľad iba na kúsok neba, kde slnko obvykle nie je. Spraví to tak, že sa pozrie, ako je ten kúsok polarizovaný. Áno, pozrie. Na rozdiel od nás to vidí.
Predstavme si teraz, že okolo Zeme je veľká guľová šupka plná horúceho plynu. Ak je ozaj horúci, bude v ňom veľa voľných elektrónov, ktoré sú v rozptyľovaní svetla úplné špičky. No aj tak sa zdá, že z rozptylu v samej šupke nijaká polarizácia nemôže vzniknúť. Vezmime si opäť svetlo, ktoré k nám prichádza od horizontu z juhu. Svetlo, ktoré sa v šupke šírilo pozdĺž horizontu, zo západu na východ alebo z východu na západ, bude polarizované zvislo, lenže svetlo, ktoré sa v šupke šírilo kolmo na horizont, zo severu na juh alebo z juhu na sever, bude polarizované vodorovne. V kolónke „má dať“ bude presne taká istá suma, ako v kolónke „dal“. Nijaký deficit ani prebytok, vyrovnaná bilancia.
Lenže v predchádzajúcom účtovníctve sme mlčky predpokladali, že plyn je v šupke rozložený presne rovnomerne. Čo však, keď je niekde o máličko hustejší a niekde o máličko redší? Kde je hustejší, je aj viac svetla, takže ak je hustejší na horizonte a redší nad aj pod ním, pozdĺž horizontu bude prichádzat o máličko viac svetla než kolmo naň. A výsledok? Svetlo zo šupky bude polarizované, veľmi slabo ale predsa, zvislo.
Verím, že ctený čitateľ už toho má po krk. Ale nestrieľajte na klaviristu, nemôže za to, že klávesov je veľa! Takže ešte posledná vec: čo keby sa priestor, ktorý šupka zaberá, pozdĺž horizontu pomaličky stláčal a kolmo naň pomaličky rozťahoval? Znie to ako zenový koan, ale keď sa to rozmení na drobné, uhádnuť odpoveď nie je až také umenie. Otázka vlastne znie, ako sa zmení intenzita svetla, keď sa jeho zdroj vzhľadom na nás pohybuje. Nemá cenu robiť pokusy s baterkou, na to sú tie zmeny príliš malé. Ale dá sa na to prísť úvahou, ak využijeme podobnosť medzi svetlom a zvukom. Keď automobil formuly 1 prechádza okolo divákov, zvuk jeho motora sa skokom zmení. Tón klesne a hlasitosť tiež. Je to také „ÍÍÍÍÍÍÍ-úúú”. No a so svetlom je to podobné. Je ho viac, keď sa k nám zdroj približuje, a menej, keď sa od nás vzďaľuje. Pritom to nemusí byť nutne „k nám” a „od nás”. Funguje aj „k danému miestu na šupke” a „od daného miestu na šupke”. Takže čudá s priestorom budú mať na svetlo zo šupky rovnaký účinok ako zvýšenie hustoty plynu. Bude opäť polarizované zvislo.
.dve výšivky
O rádiových vlnách z vesmíru sme si povedali, že sú pamätníkmi čias, keď bol vesmír zaplnený horúcim plynom. To však znamená, že k nám prichádzajú práve z takej šupky, o akej bola reč. S malými zhusteniami a zriedeniami plynu a – azda – s malými roztiahnutiami a stlačeniami priestoru. Za to prvé môžu zvukové vlny vo vtedajšom vesmíre a za to druhé gravitačné.
Videli sme, ako sa na polarizácii svetla zo šupky prejavia výkyvy jej hustoty a ako rýchlosť deformácie priestoru. Keby sme poznali jedno aj druhé, vedeli by sme vytvoriť aj mapu, ktorá by tú polarizáciu zachytávala. Bolo by to niečo ako jemná výšivka na guli, kde by natočenie stehu znázorňovalo smer polarizácie a dĺžka stehu jej veľkosť. Skúsme to teraz obrátiť. My tú výšivku predsa máme. Je to mapa polarizácie rádiových vĺn z vesmíru, získaná v experimentoch typu BICEP2 (hoci tam z nej dostali len kúsok). Nedá sa z nej vydedukovať, či na šupku, z ktorej tie vlny pochádzajú, dopadali gravitačné vlny?
Podľa toho, čo zatiaľ vieme, by mala byť výšivka od zvukových vĺn rovnaká ako od gravitačných. Ale pozrime sa na ňu v trochu väčšej mierke. Keď bude šupka zhustená pozdĺž celého horizontu, stehy budú všade zvislé. Predstavme si však gravitačnú vlnu, ktorá, keď sa pozeráme na juh, stláča priestor v smere horizontu ako predtým, lenže rozťahuje ho nie kolmo na horizont ako predtým, ale v smere k pozorovateľovi. Príslušný steh bude opäť zvislý. A tá istá vlna bude na východe a na západe rozťahovať priestor v smere horizontu a dávať vodorovný steh. Takéto skrúcanie stehov nie je zvlášť ťažké vo výslednej výšivke rozpoznať. Ak tam je, je to dôkaz prítomnosti gravitačných vĺn.
.pohľad do krištáľovej gule
Po ozname z experimentu BICEP2 sa v novinách zjavili titulky ako „Einstein mal pravdu. Objavili dôkaz, ako sa rodil vesmír”. To, prečo „Einstein” je jasné. Gravitačné vlny sú jeho dieťa. Ale „dôkaz, ako sa rodil vesmír”? Čo je na tých vlnách také výnimočné, že si vedci myslia, že v nich majú krištáľovú guľu, cez ktorú dovidia na veľký tresk? Odpoveď je „dĺžka“. Bola v dobe, keď ich vidíme, väčšia, než kam sa mohli dostať za celý čas, ktorý uplynul od vzniku vesmíru.
Jeden mechanizmus, ako tie vlny dostať, poznáme. Poskytuje ho kozmologická inflácia – exponenciálne rozpínanie vesmíru nepatrný zlomok sekundy po veľkom tresku Ak sme ochotní nasledovať teóriu až sem, objav z južného pólu získa nový rozmer. Nielenže sa nám podarilo po prvý raz zachytiť gravitačné vlny, dozvedeli sme sa aj niečo o tom, „odkiaľ prichádzame”. Ak sa táto vedomosť potvrdí, budeme mať zodpovedanú celú jednu tretinu otázok z obrazu Paula Gauguina. Ostane len „kto sme” a „kam ideme”. Pri hľadaní odpovedí nám však môže pomôcť aj sám fakt, že sme tie vlny objavili – tým, že nám zvýši sebavedomie.
To, čo kmitá v priestore, ktorým k nám prichádza svetlo, nie sú čiastočky nejakej látky, ako keď sa vo vzduchu šíri zvuk. Hoci si to fyzici dlho mysleli. (Mali pre tú látku aj názov, volali ju éter. A keďže sa v nej mali šíriť aj rádiové vlny, dodnes hovoríme o rozhlase, že „vysiela v éteri”.) Svetlo sú vlny elektromagnetického poľa. Môžeme si to predstaviť tak, že v priestore kmitajú dve šípky, elektrická a magnetická, kolmé na smer šírenia sa svetla aj jedna na druhú. Kmity šípiek sú tiež istý druh pohybu, hoci bez materiálneho nosiča. Pohybu kolmo na smer šírenia sa vlny. Takže je to ako keď chytíme gumovú hadicu, ktorá leží na zemi, a začneme ňou triasť. Hadica sa hýbe do strán a vlna postupuje dopredu.
Na rozdiel od hadice položenej na zemi, môže svetlo kmitať vo veľa rôznych smeroch. Každý, čo je kolmý na smer, v ktorom sa svetlo šíri, je dobrý. Pod smerom kmitov pritom rozumieme smer elektrickej šípky. Tá zodpovedá za prenos energie, keďže uvádza do pohybu náboje, čo stoja svetlu v ceste. Ak elektrickú šípku premietneme do hocijakého smeru kolmého na smer šírenia sa svetla, dozvieme sa, koľko energie na ten smer pripadá. A keď niektorý smer prevažuje, hovoríme, že svetlo je polarizované.
Čo sme si povedali o svetle, platí o každom žiarení. Aj o tom z vesmíru. Žiarení prichádzajúcom z dávnych čias, keď bol vesmír zaplnený horúcim plynom. Vtedy to boli vlny z blízkej infračervenej oblasti s dĺžkou okolo mikrometra, ale ako sa vesmír rozpínal, naťahovali sa, takže dnes merajú tisíckrát viac – okolo milimetra. Popri týchto krátkych vlnách brázdili priestor v prvom období vesmíru aj ďalšie vlny, ktoré boli, naopak, veľmi dlhé: zvukové a možno aj gravitačné. A zanechali po sebe správu v podobe polarizácie tých krátkych. Preto ak chceme zachytiť gravitačné vlny, môžeme na to ísť tak, že zmeriame polarizáciu rádiových vĺn z vesmíru a vyčleníme z nej „gravitačnú” časť. Ako sa čitateľ azda dočítal v článku z minulého týždňa – aj .týždňa –, podarilo sa to v nedávnom experimente BICEP2, konanom na južnom póle. (Dvojka znamená, že šlo o druhú, vylepšenú verziu, a „P” je tam za polarizáciu.) V článku sa o tom písalo ako o zachytení signálu z VGA – Veľkej gravitačnej antény. Teraz sa pozrieme, ako taká VGA funguje. Začneme tým, že zabudneme na vlny z vesmíru aj na južný pól a budeme sa venovať len a len rozptylu svetla. Najprv vo vzduchu a potom v horúcom plyne.
.o pištoli strýka Buda, včelách a formule 1
Obloha svieti aj tam, kde nie je slnko. Nie je to divné? Napríklad keď slnko zapadá a my hľadíme na juh, lúče, ktoré k nám prichádzajú, sa museli zalomiť do pravého uhla.
V knihe Limonádový Joe je výjav, kde hrdina dostane od slávneho pištoľníka Johna Wesleyho Hardinga dedičstvo po strýkovi Budovi. Je to pištoľ, ktorá strieľa za roh. Harding, keď ju predvádza, namieri na barmana, no keď vystrelí, neodnesie si to zrkadlo – barman sa medzitým skryl pod pult – ale ľavý fúz dobytkára, ktorý stojí vedľa neho. No a lúče zapadajúceho slnka sú ako strely z pištole strýka Buda. Prečo, na to nie je zas také ťažké prísť. Určite ľahšie, než na princíp tej pištole. Svetlo rozkmitá náboje v atómoch a tie začnú vysielať vlastné svetlo. Vo všetkých smeroch, aj kolmo na dopadajúci lúč či v jeho ústrety. Fyzici túto kombináciu pohlcovania a vyžarovania volajú rozptyl.
Ako sa pri rozptyle správa polarizácia? Slnečné svetlo je nepolarizované, s energiou rozdelenou rovnomerne medzi všetky priečne smery. Lúč takého svetla, ktorý prichádza zo západu a dopadá na vrchné vrstvy vzduchu na juhu, obsahuje rovnako veľa energie v smere od nás k nám ako v smere hore-dolu. Po rozptyle však bude plne polarizovaný v druhom z týchto smerov. Polarizácia v prvom smere neprežije, lebo by bola rovnobežná so smerom šírenia sa svetla.
Ako vidíme, pri západe slnka musí byť obloha na juhu polarizovaná zvislo. O tom, že je to tak, sa môžeme presvedčíť pomocou fólie z 3D okuliarov. Keď ju vhodne natočíme, svetlo by malo zmiznúť. Svoje o tom vedia včely, hoci o 3D okuliaroch asi nikdy nepočuli. Keď sa včela vráti do úľa, predvádza svojim družkám, kde nájdu med, zložitým tancom. Potrebuje však určiť, kde je slnko, a z úľa má výhľad iba na kúsok neba, kde slnko obvykle nie je. Spraví to tak, že sa pozrie, ako je ten kúsok polarizovaný. Áno, pozrie. Na rozdiel od nás to vidí.
Predstavme si teraz, že okolo Zeme je veľká guľová šupka plná horúceho plynu. Ak je ozaj horúci, bude v ňom veľa voľných elektrónov, ktoré sú v rozptyľovaní svetla úplné špičky. No aj tak sa zdá, že z rozptylu v samej šupke nijaká polarizácia nemôže vzniknúť. Vezmime si opäť svetlo, ktoré k nám prichádza od horizontu z juhu. Svetlo, ktoré sa v šupke šírilo pozdĺž horizontu, zo západu na východ alebo z východu na západ, bude polarizované zvislo, lenže svetlo, ktoré sa v šupke šírilo kolmo na horizont, zo severu na juh alebo z juhu na sever, bude polarizované vodorovne. V kolónke „má dať“ bude presne taká istá suma, ako v kolónke „dal“. Nijaký deficit ani prebytok, vyrovnaná bilancia.
Lenže v predchádzajúcom účtovníctve sme mlčky predpokladali, že plyn je v šupke rozložený presne rovnomerne. Čo však, keď je niekde o máličko hustejší a niekde o máličko redší? Kde je hustejší, je aj viac svetla, takže ak je hustejší na horizonte a redší nad aj pod ním, pozdĺž horizontu bude prichádzat o máličko viac svetla než kolmo naň. A výsledok? Svetlo zo šupky bude polarizované, veľmi slabo ale predsa, zvislo.
Verím, že ctený čitateľ už toho má po krk. Ale nestrieľajte na klaviristu, nemôže za to, že klávesov je veľa! Takže ešte posledná vec: čo keby sa priestor, ktorý šupka zaberá, pozdĺž horizontu pomaličky stláčal a kolmo naň pomaličky rozťahoval? Znie to ako zenový koan, ale keď sa to rozmení na drobné, uhádnuť odpoveď nie je až také umenie. Otázka vlastne znie, ako sa zmení intenzita svetla, keď sa jeho zdroj vzhľadom na nás pohybuje. Nemá cenu robiť pokusy s baterkou, na to sú tie zmeny príliš malé. Ale dá sa na to prísť úvahou, ak využijeme podobnosť medzi svetlom a zvukom. Keď automobil formuly 1 prechádza okolo divákov, zvuk jeho motora sa skokom zmení. Tón klesne a hlasitosť tiež. Je to také „ÍÍÍÍÍÍÍ-úúú”. No a so svetlom je to podobné. Je ho viac, keď sa k nám zdroj približuje, a menej, keď sa od nás vzďaľuje. Pritom to nemusí byť nutne „k nám” a „od nás”. Funguje aj „k danému miestu na šupke” a „od daného miestu na šupke”. Takže čudá s priestorom budú mať na svetlo zo šupky rovnaký účinok ako zvýšenie hustoty plynu. Bude opäť polarizované zvislo.
.dve výšivky
O rádiových vlnách z vesmíru sme si povedali, že sú pamätníkmi čias, keď bol vesmír zaplnený horúcim plynom. To však znamená, že k nám prichádzajú práve z takej šupky, o akej bola reč. S malými zhusteniami a zriedeniami plynu a – azda – s malými roztiahnutiami a stlačeniami priestoru. Za to prvé môžu zvukové vlny vo vtedajšom vesmíre a za to druhé gravitačné.
Videli sme, ako sa na polarizácii svetla zo šupky prejavia výkyvy jej hustoty a ako rýchlosť deformácie priestoru. Keby sme poznali jedno aj druhé, vedeli by sme vytvoriť aj mapu, ktorá by tú polarizáciu zachytávala. Bolo by to niečo ako jemná výšivka na guli, kde by natočenie stehu znázorňovalo smer polarizácie a dĺžka stehu jej veľkosť. Skúsme to teraz obrátiť. My tú výšivku predsa máme. Je to mapa polarizácie rádiových vĺn z vesmíru, získaná v experimentoch typu BICEP2 (hoci tam z nej dostali len kúsok). Nedá sa z nej vydedukovať, či na šupku, z ktorej tie vlny pochádzajú, dopadali gravitačné vlny?
Podľa toho, čo zatiaľ vieme, by mala byť výšivka od zvukových vĺn rovnaká ako od gravitačných. Ale pozrime sa na ňu v trochu väčšej mierke. Keď bude šupka zhustená pozdĺž celého horizontu, stehy budú všade zvislé. Predstavme si však gravitačnú vlnu, ktorá, keď sa pozeráme na juh, stláča priestor v smere horizontu ako predtým, lenže rozťahuje ho nie kolmo na horizont ako predtým, ale v smere k pozorovateľovi. Príslušný steh bude opäť zvislý. A tá istá vlna bude na východe a na západe rozťahovať priestor v smere horizontu a dávať vodorovný steh. Takéto skrúcanie stehov nie je zvlášť ťažké vo výslednej výšivke rozpoznať. Ak tam je, je to dôkaz prítomnosti gravitačných vĺn.
.pohľad do krištáľovej gule
Po ozname z experimentu BICEP2 sa v novinách zjavili titulky ako „Einstein mal pravdu. Objavili dôkaz, ako sa rodil vesmír”. To, prečo „Einstein” je jasné. Gravitačné vlny sú jeho dieťa. Ale „dôkaz, ako sa rodil vesmír”? Čo je na tých vlnách také výnimočné, že si vedci myslia, že v nich majú krištáľovú guľu, cez ktorú dovidia na veľký tresk? Odpoveď je „dĺžka“. Bola v dobe, keď ich vidíme, väčšia, než kam sa mohli dostať za celý čas, ktorý uplynul od vzniku vesmíru.
Jeden mechanizmus, ako tie vlny dostať, poznáme. Poskytuje ho kozmologická inflácia – exponenciálne rozpínanie vesmíru nepatrný zlomok sekundy po veľkom tresku Ak sme ochotní nasledovať teóriu až sem, objav z južného pólu získa nový rozmer. Nielenže sa nám podarilo po prvý raz zachytiť gravitačné vlny, dozvedeli sme sa aj niečo o tom, „odkiaľ prichádzame”. Ak sa táto vedomosť potvrdí, budeme mať zodpovedanú celú jednu tretinu otázok z obrazu Paula Gauguina. Ostane len „kto sme” a „kam ideme”. Pri hľadaní odpovedí nám však môže pomôcť aj sám fakt, že sme tie vlny objavili – tým, že nám zvýši sebavedomie.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.