Christoph Galfard, uczeń Hawkinga o tajemnicach wszechświata

Anna Maziuk: – Spora część tego, co wiemy na temat wszechświata, jest wynikiem tak zwanych eksperymentów myślowych. Christoph Galfard: – Jednym ze sposobów badania nieznanych nam zjawisk jest wyobrażanie sobie, jaki byłby rezultat eksperymentu, którego nie jesteśmy w stanie wykonać, np. ze względu na brak odpowiedniej technologii. Tak swoją szczególną teorię względności stworzył Albert Einstein. Zastanawiał się, jak by wyglądał świat, gdyby usiadł na fotonie, czyli na świetle. Wywnioskował np., że nie widziałby się wówczas w lustrze, ponieważ podróżowałby z prędkością światła. Żeby zobaczyć swoje odbicie, potrzebowałby czegoś, co byłoby przed nim i poruszało się szybciej niż światło, a to niemożliwe. Wiele eksperymentów fizycznych przeprowadza się właśnie w ten sposób. Zazwyczaj już po tym, kiedy wykonało się odpowiednie obliczenia. Chodzi o to, żeby pomyśleć: „OK, jeśli to prawda, jak by to miało wyglądać?”. W książce „Wszechświat w twojej dłoni” próbuję sprawić, żeby czytelnik podróżował w swoich myślach, bo w swojej głowie może podróżować dokądkolwiek zechce. Używam tej możliwości, żeby wyjaśnić mechanizmy rządzące wszechświatem. Wiemy, jak duży jest cały wszechświat? Nie, jesteśmy w stanie zobaczyć tylko jego fragment. Do kosmicznej ściany? Dokładnie, do powierzchni ostatniego rozproszenia, granicy, której nie może przekroczyć żadne światło. To, co możemy zaobserwować najdalej, to światło, które podróżowało do nas przez około 13,8 mld lat świetlnych. Ponieważ wszechświat ciągle się powiększa, ta granica jest obecnie o wiele dalej, ale żeby sprawdzić, gdzie dokładnie, musimy poczekać aż światło do nas dotrze, czyli jakieś 79 mld lat. Aktualnie średnica widzialnego wszechświata to około 92 mld lat świetlnych. Przeliczanie takich wartości na kilometry czy lata podróży nie ma sensu. Skąd to wiemy, skoro światło stamtąd jeszcze do nas nie dotarło? Z wyliczeń i obserwacji. Wydaje się, że wszechświat podlega takim samym prawom jak nasz świat. Niezwykłe jest to, że większość informacji na temat wszechświata czerpiemy z pomiarów światła, a od niedawna także fal grawitacyjnych. Przez setki lat obowiązywały odkrycia Newtona, dla którego wszechświat był wielkim pudłem nazywanym przestrzenią, z tykającym zegarkiem na zewnątrz, który chodził tak samo dla wszystkich, wszędzie. Wewnątrz pudełka wszystko było ustalone, przedmioty mogły się poruszać i przyciągać wzajemnie poprzez grawitację etc. Dopiero Albert Einstein zmodyfikował tę wizję. Zauważył, że we wszechświecie jest coś, co wchodzi w interakcję z panią, z Ziemią, z energią – ze wszystkim. Nazwał to czasoprzestrzenią. To czas i przestrzeń, które zmieniają się wokół pani, choć nie znacząco, bo nie jest pani zbyt duża, wokół Ziemi nieco bardziej, wokół Słońca jeszcze bardziej, a wokół czarnych dziur bardzo intensywnie ze względu na ich ogromną masę. Jeśli wyobrazimy sobie czasoprzestrzeń jako płyn, do którego wkładamy przedmioty i nimi poruszamy, to zobaczymy, że wytwarzają się w nim fale. Te fale w czasoprzestrzeni nazywamy falami grawitacyjnymi. Od dawna wiedzieliśmy, że istnieją, udowodniono to już w 1982 r. To bardzo proste, może to zrobić nawet student pierwszego roku fizyki, ponieważ są bezpośrednim wynikiem einsteinowskiego równania E = mc². Z tym że dopiero od 14 września 2015 r. mamy narzędzia do ich wykrywania. Co to zmienia w naszym postrzeganiu wszechświata? Wszystko! Od początku istnienia ludzkości mieliśmy tylko jedno narzędzie do obserwowania przestrzeni kosmicznej – światło. To kolejne narzędzie, które umożliwia zaobserwowanie innych zjawisk. Kiedy Galileusz skonstruował teleskop, pierwszą rzeczą, jaką zobaczył, było to, że Jowisz ma własne księżyce albo że na ziemskim Księżycu są kratery, co oznaczało, że wszechświat nie jest tym, co ludzie sobie wyobrażali od czasów Arystotelesa – że wszystko jest tam perfekcyjne, wiernie oddaje naszą rzeczywistość. Nagle okazało się, że istnieją inne księżyce i inne światy – to była wielka zmiana filozoficzna. Kto wie, co zobaczymy dzięki falom grawitacyjnym. Jedną z pierwszych rzeczy, które zaobserwowano, było zderzenie dwóch czarnych dziur. Do tego momentu nie wiedzieliśmy o istnieniu takiego zjawiska. Małe czarne dziury bardzo trudno zaobserwować, a te były raczej nieduże. Jedna jakieś 24 razy większa od Słońca, druga 29 razy większa, po połączeniu się miały masę 60 razy większą niż Słońce, z pozostałej masy odpowiadającej masie pięciu Słońc powstały fale grawitacyjne. Ilość energii wytwarzana w momencie takiej kolizji jest ogromna, w jedną dwudziestą sekundy wygenerowało się 50 razy tyle energii, ile wytwarzają wszystkie widziane przez nas gwiazdy! Jak działają fale grawitacyjne? Fala zmienia nasz rozmiar. Kiedy przeszła przez Ziemię, wszystko i wszyscy – ja i pani – staliśmy się na chwilę więksi. Nikt tego nie zauważył, ponieważ spotkało to nas wszystkich w tym samym czasie, skala porównawcza się nie zmieniła. Przypomina to trochę falę morską, która sprawia, że łódź jest przez nią unoszona, a potem opada. Fala grawitacyjna przechodzi przez nas, dlatego powiększa nas w całości. Skąd wiemy, że to właśnie czarne dziury się zderzyły? Jak się interpretuje takie fale? Korzystając z kilku wykrywaczy, możemy stwierdzić, skąd pochodzą docierające do nas fale, i zobaczyć ich siłę. Kształt fali mówi dużo o jej pochodzeniu. Tak samo działają pomiary światła. Z teorii wiemy, co powinniśmy zobaczyć. Kiedy potem coś jest wykrywane i wygląda tak, jak wynikało z obliczeń, oznacza to, że teoria się sprawdziła. W tym przypadku jest tak samo, musimy tylko nauczyć się rozpoznawać, co poszczególne elementy oznaczają. Czym właściwie są czarne dziury? Tworzą się wtedy, gdy w zbyt małej objętości znajduje się zbyt wiele materii i energii. Do powstania jednej potrzebna jest ogromna ilość energii. Z tego, co wiemy, tylko największe pośród świecących gwiazd, kiedy giną, uwalniają wystarczającą ilość energii, aby zgnieść rdzeń do postaci czarnej dziury. Co się w nich znajduje? Próbom znalezienia odpowiedzi na to pytanie poświęcony był mój doktorat, nad którym pracowałem pod okiem Stephena Hawkinga. Nie mamy jeszcze jednoznacznych odpowiedzi. Wiąże się to z teorią strun, teorią grawitacji kwantowej i holografią. W matematyce istnieje sposób, żeby coś nieskończonego zamienić w coś skończonego. Jeśli więc mamy coś tak nieskończonego jak wszechświat i włożymy go do pudełka, powstanie granica, płaska zewnętrzna powierzchnia widziana w 2D. Jego zawartość pozostaje w 3D. Z tej granicy można wyczytać, co wpadło do czarnej dziury. To tak, jakbyśmy mieli przed sobą czarne pudełko i wiedzieli, co jest w środku, patrząc jedynie na jego powierzchnię albo kliszę fotograficzną, która w płaskim materiale ma zapisanych bardzo dużo informacji dotyczących przestrzeni. Te teorie mogą się oczywiście okazać błędne. Kiedyś myślano, że Ziemia leży w centrum wszechświata. Dziś wiemy, że to nieprawda. Jesteśmy centrum wszystkiego, co możemy dostrzec, co oznacza tyle, że każdy jest w centrum własnego, dośw