Problémy při hledání gravitačních vlnVeritasium

Před 1,3 miliardami let se v předaleké galaxii spojily dvě černé díry. Když se k sobě násilně přibližovaly, vytvořily postupující pokřivení struktury časoprostoru – gravitační vlny. V poslední desetině sekundy byla energie těchto vln padesátkrát větší než součet energie vytvořené v celém pozorovatelném vesmíru. Je to obdivuhodná energie. Poté, co se šířila vesmírem rychlostí světla přes miliardu let, dosáhla vlna až na Zemi, kde roztáhla a stlačila prostor a posunula dva paprsky světla prolétající kolmými trubicemi, což lidem umožnilo poprvé v historii prokázat existenci gravitačních vln.

Tento příběh zní jednoduše, ale když jsem se setkal s profesorem Ranem Adhikarim v Caltech, zjistil jsem, jak absurdně složité bylo tuto událost zachytit. Gravitačních vln se týká spousta absurdit. - To je ono?

- Jo. Hlavní problém záchytu gravitačních vln je to, že jsou tak malé. Roztahují a stlačují prostor jen o jeden díl z deseti na dvacátou první. Jako bychom změřili vzdálenost ze Země na Alfa Centauri a snažili se sledovat změny v této vzdálenosti, které odpovídají šířce lidského vlasu. Abychom tak malé změny změřili, musíme měřit na co nejdelší vzdálenosti. Proto jsou ramena interferometrů dlouhá 4 kilometry. Ale i na takovou dálku se gravitační vlny projevují změnou o velikosti jen deset na mínus osmnáctou metru.

Detektor tedy musí spolehlivě měřit vzdálenosti rovné jedné desetitisícině průměru protonu. Je to nejpřesnější naměřená hodnota. Jak je to tedy možné změřit mezi všemi ostatními vibracemi z okolního prostředí, jako jsou zemětřesení, doprava a elektrické bouře? Zrcadla jsou ta nejhladší, která kdy byla vyrobena.

Jejich hmotnost je 40 kilogramů a jsou zavěšena na silikonových vláknech tloušťky dvou vlasů, což je izoluje od prostředí. I tak se ale ještě ujišťujeme, že se nejedná o otřesy z okolí. Proto jsme postavili dva detektory dost daleko od sebe v klidných oblastech. Tak od sebe rozeznáme místní otřesy, které se objeví jen na jednom, a gravitační vlny, které projdou oběma téměř současně. Jsem v budově, ve které se nachází model LIGO v měřítku 1:100.

Model detektoru gravitačních vln. Další výzvou byl laser. Tam toho je! Potřebujete laser, který produkuje pouze jednu konkrétní vlnovou délku. Asi si dokážeš představit, že když se mění vlnová délka, a ty se pokoušíš něco změřit pomocí interference, nikdy se to nepovede. Je to jako měřit vzdálenost elastickým pravítkem. Nedovedeš to správně změřit.

Všechno tohle vybavení, nebo aspoň tři čtvrtiny z toho slouží ke stabilizaci laseru. Pak nám z toho vyleze něco, co má odchylku jen jedna ku deseti na dvacátou. To je jedna část ze sta trilionů. Nejlepší lasery pro tyto účely mají vlnovou délku 1064 nanometrů. To je infračervené záření. To ale představuje problém. Jak změříte deset na mínus osmnáctou zářením vlnové délky deset na mínus šestou?

Kéž by se na tohle zeptalo víc lidí! Pro znázornění tato animace ukazuje velký fázový posun, ale ve skutečnosti se ramena mění jen o biliontinu vlnové délky. Je zjevné, že lze změřit polovinu vlnové délky, protože se tak záření vzájemně vyruší. Ano, to by se změnilo z maxima na minimum. Takže sledujete nepatrné změny v intenzitě? Ano, odchylka, se kterou jsme schopni změřit rozdíly v intenzitě, souvisí s tím, že světlo je diskrétní.

Je tvořeno částicemi, kterým říkáme fotony. Rozdíl v počtu fotonů dopadajících na zrcadla kvůli této kvantové neurčitosti je úměrný odmocnině celkového množství fotonů. To znamená, že čím víc fotonů použijete, tím nižší bude neurčitost, která je částí celku. Proto je taky výkon laserů jeden megawatt.

Energie, která by vystačila tisíci domácností, soustředěná v jednom paprsku. A megawatt, to je síla. Ani by ti to neurvalo hlavu, na místě by tě to vypařilo. I s dokonalým laserem a megawattovým výkonem by všechno v cestě s paprskem interferovalo, dokonce i vzduch. Všechen vzduch v detektoru tedy musel být vypumpován. Trvalo jim čtyřicet dní, než se dostali na biliontinu atmosferického tlaku. Trubky byly zahřáty jako horká pec, aby všechen vzduch unikl.

Vypumpovali tolik vzduchu, že by naplnil dva a půl milionu fotbalových míčů. Vytvořili druhé největší vakuum na Zemi. Prvním je velký hadronový urychlovač. O tomhle moc lidi nepřemýšlí. Že gravitační vlny natahují časoprostor a světlo, které tímto prostorem cestuje by také mělo být protaženo. Jestli se protahuje všechno, jak to vůbec poznáte? Jak to vlastně poznáme? To je záhada. Nedává to žádný smysl! Celé je to nesmysl, můžeme to tu rovnou zavřít!

Když pošlu paprsek laseru tímto potrubím a počkám, až se vrátí. Pak bych mohl říct: "Nic se nestalo. Protáhl se časoprostor i vlnová délka." Když se to protáhne obojí, bude to vypadat pořád stejně. Proto záleží na načasování. Doba, než se paprsek dostane na konec a zpátky, je velmi krátká. Ale když prochází gravitační vlna, udělá takový pomalý otisk. Je to pomalé protáhnutí, jen stokrát za sekundu.

Když vlnou projde záření, světlo uvnitř se opravdu protáhne. Takový paprsek nám nic neřekne. Ale když je prostor protáhlý, záření jím prolétne a je hned pryč. Neustále vysíláme nové a nové paprsky. To nové světlo prochází vlnou a musí urazit větší vzdálenost než předchozí paprsek. Když se podíváme, jak se tahle interference s časem mění a udržujeme konstantní vlnovou délku vycházející z laseru, můžeme vlnu zachytit.

Pojďme si shrnout, co pro detekci vln potřebujeme. Pro přesné měření je potřeba megawattový laser který emituje jednu vlnovou délku, protože musíme změřit její biliontinu. Laser musí neustále zářit a nahrazovat světlo, které bylo protaženo. Je v druhém největším vakuu na Zemi, při biliontině atmosferického tlaku. Odráží se od nejpřesnějších zrcadel, zavěšených na silikonových vláknech. Kvůli srovnání je na dvou různých místech.

Má čtyřkilometrová ramena, aby se zvýšila magnituda vln na tisícinu průměru protonu. To, co tady každý den děláme, bych před dvaceti lety označil za nemožné. Zajímalo mě, co vlastně určuje hranice přesnosti současných detektorů. Je to kvantová mechanika. Můžete si to představit jako Heisenbergův princip neurčitosti. Máte dvě veličiny a dohromady jejich neurčitost je vždy vyšší než určitá hodnota. My tu naštěstí měříme jen jednu věc. Nepokoušíme se měřit dvě věci zároveň. Chceme vědět jen o kolik se protáhlo tohle rameno proti tomu druhému.

To je podstatná skutečnost, které lidé ještě nedávno nerozuměli. Tyto systémy jsou navrženy tak, že dokážou přesně změřit jednu věc a všechna nejistota, která je důsledkem kvantové mechaniky, se soustředí do věcí, které nás nezajímají. Je to jako bychom se dostávali tak daleko, kdy už příroda nechce, abychom pokračovali. Ale díky našemu důvtipu se nám podařilo vymyslet, jak obejít kvantový šum. Myslím, že je to pozoruhodný objev, a těším se, jaké výsledky nám poskytne.

Myslím, že dalším krokem bude postoupit od dvou signálů k neustálé detekci všech černých děr ve vesmíru. Zdá se to jako neuvěřitelná mimozemská technologie, ale je to v našich možnostech. Překlad: Zarwan www.videacesky.cz