Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Stała kosmologiczna

To najsłynniejsza pomyłka Einsteina. Legenda głosi, że nazwał ją największą gafą swojego życia, z której się zresztą w końcu wycofał. Mowa o wprowadzeniu do ogólnej teorii względności tzw. stałej kosmologicznej, która miała odpowiednio modyfikować równania pola. Wszechświat, jaki sobie wyobrażał, powinien być statyczny, ekspansja zaś nie pasowała do jego koncepcji i filozoficznych wyobrażeń. Einstein był genialnym fizykiem, natomiast nie był wybitnym astronomem. Jego wiedza w tym zakresie ograniczała się do tego, że Wszechświat to odległe gwiazdy stałe, które mogą służyć za punkt odniesienia. Zresztą w tym czasie mało kto rozumował w kategoriach galaktyk. Postrzeganie kosmosu zmieniły dopiero lata 20. XX wieku i Edwin Hubble, który, jak wiadomo, odkrył, że mgławice spiralne są odległymi galaktykami znajdującymi się poza Drogą Mleczną i są to galaktyki podobne do Drogi Mlecznej. Następnie, mierząc prędkości ich oddalania się, sformułował słynne prawo później nazwane jego imieniem, z którego wynika, że Wszechświat ekspanduje. Było to potwierdzenie czegoś, co Einstein chciał ukryć, wprowadzając stałą kosmologiczną. Gdy Hubble udowodnił ekspansję Wszechświata, Einstein wycofał się ze swojego pomysłu. Dochodzimy jednak do pewnej ironii losu, dlatego że pod koniec lat 90. XX wieku dwa zespoły – Saula Perlmuttera oraz Briana P. Schmidta i Adama G. Riessa – odkryły przyspieszającą ekspansję Wszechświata poprzez obserwację odległej supernowej (w 2011 roku otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki). Okazało się, że najprostszym sposobem wyjaśnienia tego fenomenu jest utrzymanie roli właśnie tej stałej kosmologicznej. Dziś można powiedzieć, że Einstein w zasadzie nie tyle się pomylił, co uległ swoim apriorycznym przekonaniom filozoficznym.

Soczewkowanie grawitacyjne

Druga pomyłka dotyczyła mylnego wniosku dotyczącego niemożliwości zaobserwowania soczewkowania grawitacyjnego. Einstein policzył kąt ugięcia światła w pobliżu tarczy Słońca i przeprowadził eksperyment myślowy, który zakładał, że gdyby ustawić współosiowo obserwatora, masywne ciało, które będzie odgrywało rolę soczewki, i źródło, to klasycznie owo źródło byłoby przesłonięte przez ciało. Einstein zdał siebie sprawę jednak, że na skutek ugięcia promieni świetlnych niektóre z nich powinny minąć obserwatora w oddali, co da efekt pierścienia, który do dzisiaj nazywamy pierścieniem Einsteina. Najczęściej natura nie oferuje nam tak precyzyjnie zgranych układów optycznych, zazwyczaj są one troszkę przesunięte. Wówczas zamiast pierścienia widzimy wielokrotne obrazy. Einstein był tego świadom, szybko dokonał obliczenia skali takiego zjawiska, ale operował w kategoriach gwiazd, więc uznał, że obrazy źródła w wyniku soczewkowania musiałyby liczyć zaledwie mikrosekundy łuku. Według Einsteina nie było zatem absolutnie żadnej możliwości zaobserwowania tego efektu. Założenia Einsteina potwierdził Arthur Stanley Eddington w 1919 roku, który dokonał pomiaru zakrzywienia światła w pobliżu tarczy Słońca podczas jego zaćmienia. Współczesny Einsteinowi Fritz Zwicky, wybitna postać, wielki wizjoner astrofizyki i kosmologii, zauważył wkrótce, że w roli soczewek mogą występować galaktyki. Ponieważ galaktyka ma setki milionów razy większą masę niż gwiazda, to rozdzielenie kątowe byłoby rzędu minut łuku, a więc w zasięgu obserwowalności. I faktycznie wizjonerskie spostrzeżenie Zwicky’ego stało się faktem. Pierwsze kosmiczne soczewki zostały odkryte właśnie w takim układzie, gdzie rolę soczewki pełniła galaktyka, źródłem natomiast był obiekt leżący znacznie dalej, najczęściej kwazar bądź inna galaktyka. Dziś wiemy, że to nie była jednak pomyłka Einsteina – po prostu to, co on powiedział było prawdą, ale w malych skalach (tzn. w skali gwiazd). Warto także dodać, że nasz wielki rodak, astronom Bohdan Paczyński w 1986 roku opublikował pracę, w której opisał zjawisko dzisiaj znane pod nazwą mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Paczyński zauważył, że faktycznie te obrazy są słabo rozdzielone, ale czym to będzie skutkowało? Że taki podwójny obraz będziemy widzieli jako dwa złożone, a więc ten jeden powinien być jaśniejszy niż obraz źródła, gdyby nie był soczewkowany. Oczywiście gdyby ten obraz był statyczny, to nie mówiłoby nam nic. Ale gdyby następował ruch względny soczewki i źródła sprawa wygląda inaczej, mianowicie gdyby na tle źródła – gwiazdy, której jasność mierzymy, przesuwała się inna gwiazda – działająca jako soczewka, zjawisko takie spowodowałoby pojawienie się podwójnego obrazu źródła, oczywiście bez szansy jego rozdzielenia, ale za to skutkujące zwiększeniem jasności. Czyli można powiedzieć, że mimo wszystko jest to zjawisko obserwowalne i faktycznie zostało zaobserwowane m.in. przez polskich astronomów.

Fale grawitacyjne

Fale grawitacyjne to zaburzenia, zmarszczki czasoprzestrzeni rozchodzące się z prędkością światła. Dlatego ze swej natury różnią się od innych rodzajów promieniowana we Wszechświecie. Teoria względności mówi, iż ciała masywne deformują (zakrzywiają) czasoprzestrzeń i to właśnie przejawia się jako grawitacja. Gdy rozkład ciał masywnych jest statyczny, deformacja czasoprzestrzeni także jest statyczna, natomiast gdy się one poruszają (szczególnie gdy jest to gwałtowne i z dużymi prędkościami jak w przypadku kolapsu) deformacja czasoprzestrzeni zmienia się, a informacja o tym w postaci "zmarszczek" propaguje się na zewnątrz. Mimo iż teoria tak mówi, sam Einstein był sceptyczny co do realności tego efektu. Sceptycyzm ten tkwił w zawiłościach matematycznych ogólnej teorii względności – mianowicie Einstein (jak i wielu uczonych po nim) skłaniał się ku przypuszczeniu, że rozwiązania falowe są artefaktem przyjętego układu współrzędnych. Obecnie wiemy, że zjawisko emisji fal grawitacyjnych jest realnym efektem, jego pośredniego dowodu dostarczyły obserwacje układu podwójnych pulsarów (w roku 1993 przyznano za to Nagrodę Nobla z fizyki). Naziemne detektory fal grawitacyjnych najnowszej generacji ,posiadające czułośćm przy której spodziewamy się zobaczyć astrofizyczne źródła fal grawitacyjnych, wkroczyły niedawno w fazę zbierania danych. Pierwsza bezpośrednia detekcja fal grawitacyjnych otworzy nowe okno na Wszechświat. Co więcej, pierwotne fale grawiatcyjne wzbudzone w momencie narodzin Wszechświata są jedynym możliwym do pomyślenia narzędziem wejrzenia w tak wczesne fazy jego ewolucji. W ubiegłym roku media całego świata donosiły o przełomowym odkryciu tych pierwotnych fal przez fizyków z Harvard-Smithsonian badających promieniowanie reliktowe z Wielkiego Wybuchu w obserwatorium BICEP2 na Biegunie Południowym. Jak się jednak okazało… to były zakłócenia. Fizycy nie dostali Nobla, ale poszukiwania trwają dalej. 

Konsultacja naukowa: 
prof. dr hab. Marek Biesiada (Instytut Fizyki Uniwersytetu Śląskiego)