Amri Wandel
Honora Mencio, Belartaj konkursoj 2018 ― Branĉo Eseo
En septembro 2017 la Nobel- Premio pri fiziko estis donita al tri sciencistoj kiuj plej multe kontribuis por la sensacia malkovro de gravitaj ondoj, du jarojn pli frue. Se oni povus aljuĝi la Nobel-Premion postmorte, plej verŝajne estus kvara partnero: Albert Einstein, kiu teorie proponis la ekziston de gravitaj ondoj cent jarojn pli frue.
Kurioze, pluraj mejloŝtonoj survoje al la malkovro de gravitaj ondoj koincidas kun signifaj datoj en la historio de la Lingvo Internacia.
Malpli ol du monatojn post la centa Universala Kongreso en Lillo [1], du laboratorioj en Usono, kun la plej sentema aparataro iam konstruita de la homo, malkovris signalon, kiun miloj da sciencistoj vane serĉadis dum duona jarcento. Dum sekundero gigantaj tuboj, kvar kilometrojn longaj, vibre ŝrumpiĝis kaj etendiĝis je apenaŭ perceptebla distanco, ege malpli granda ol atoma nukleo[2]. Kial tiom grava malkovro bezonis tiom da tempo, kaj kial tiu malgranda signalo tiom ekscitis, ne nur la sciencan komunumon, sed la tutan mondon? Kiel ĝi pruvis unu el la plej bazaj konceptoj de la naturo, antaŭvidita cent jarojn pli frue? Por tion kompreni ni revenu al la komenco de la dudeka jarcento.
Samjare kun la unua Universala Kongreso en 1905, juna, nekonata germana juda fizikisto publikigis novan teorion, kiu kaŭzis revolucion en la kompreno de spaco kaj tempo: la Teorio de Relativeco. Tiun, ŝajne strangan kaj kontraŭ-intuician teorion, li ne inventis pro intelekta kaprico, sed kiel konsekvencan sekvon de eksperimento, farita de du usonaj sciencistoj, Michelson kaj Morley, en 1887, samjare kun la apero de la Unua Lernolibro.
La eksperimento, kies rezulto estis enigma por la scienca mondo de tiu epoko, malvalidigis la Eteran Teorion, kiun la fizikistoj inventis por klarigi la disvastiĝon de gravita kaj elektra forto tra vakuo. Sed la Teorio de Relativeco de la jaro 1905 ne kontentigis la junan Einstein, ĉar ĝi ne estis kompleta: ĝi ne traktis la gravitan forton. Dek jarojn, de 1905 ĝis 1915, li laboradis por plivastigi tiun teorion, kaj post multaj provoj kaj stumbloj li fine publikigis la Ĝeneralan Teorion de Relativeco, kiu inkluzivis la gravitan forton. Ĉar tiu dua teorio estis matematike kompleksa kaj havis eĉ pli strangajn, kontraŭ-intuiciajn sekvojn ol la antaŭa Relativecoteorio, la scienca mondo komence estis skeptika. Unu el tiuj strangaj sekvoj de la nova teorio: granda maso, kiel ekzemple la suno, povas kurbigi lumradiojn. Sekve steloj, vidataj tre proksime de la suna rando, aspektus kvazaŭ iomete movitaj de siaj kutimaj lokoj en la ĉielo. En 1919 okazis suneklipso en Sudameriko, kiu estis taŭga por observi tiun fenomenon. La Brita Akademio de Sciencoj sendis ekspedicion gvidatan de la angla reĝa astronomo Edmund Eddington, la plej fama astrofizikisto de tiu epoko, por observi kaj mezuri la ŝajnan moviĝon de la steloj proksime de la suno, laŭ la prognozo de la Teorio de Relativeco. La rezultoj de tiu mezurado ekzakte konfirmis la kalkulojn de Einstein, kiu sekve fariĝis la plej fama sciencisto en la mondo.
Kelkaj el la teoriaj implicoj de la Ĝenerala Teorio de Relativeco estis tiom strangaj, ke eĉ Einstein mem hezitis ilin akcepti. Ekzemple, la ekzisto de tre densaj objektoj, kies gravito estas tiom forta, ke nenio, eĉ ne lumo, povos ilin forlasi. Multaj sciencistoj, inkluzive de Einstein mem, pensis ke tiaj objektoj, kiujn ni nuntempe nomas “nigraj truoj” [3], ne povas reale ekzisti. Tamen oni ilin malkovris du jardekojn post la forpaso de Einstein.
Sed la plej grandioza anataŭvido – kaj maltrafo – de Einstein, estis la tiel nomata “Kosmologia Konstanto”. En 1917 Einstein aplikis sian Ĝeneralan Teorion de Relativeco por priskribi la strukturon de la universo kiel tuto. La ekvacioj implicis ke la universo estas aŭ en kolapsanta stato aŭ ekspansianta. Laŭ la astronomia scio de tiu epoko, la universo estis grandskale senmova, eterna kaj senŝanĝa. Ĉi tiu speco de universo tamen ne estis ebla, laŭ la ekvacioj de Ĝenerala Relativeco. Por solvi la problemon, Einstein modifis la ekvaciojn enkondukante novan termon, kiun li nomis “Kosmologia Konstanto”, kvazaŭ forpuŝa forto, por kompensi la universan gravitan altiron kaj ebligi senmovan universon. Pli ol jardekon poste, usona astronomo nomata Edwin Hubble, kiu esploris malproksimajn galaksiojn, konstatis ke la universo efektive ekspansias. Kiam, dum renkontiĝo kun Hubble, Einstein konsciis pri tiu esploro, li laŭdire ekkriis: “Se la Universo tamen ne estas senmova, do for la kosmologian termon!” kaj forlasis la ideon de Kosmologia Konstanto. Onidire li sekve konsideris tion kiel sian “plej grandan fuŝon” [4].
La unua foto farita de nigra truo respondas al la simulaĵoj faritaj laŭ la ekvacioj de Einstein, kiu ĝis nun denove pravis!
Fine de la naŭdekaj, esplorante tre forajn galaksiojn, astronomoj malkovris ke la universa ekspansio estas efektive akcelata, kontraŭe al tio, kion la scienca komunumo kredis dum sep jardekoj, kadre de la teorio de Praeksplodo [5]. La implico de tiu malkovro estis eĉ pli stranga: devas ekzisti mistera, nekonata forpuŝa forto, kiu akcelas la universan ekspansion. Kvankam ĝi ricevis novan nomon, “Malhela Energio” [6], tiuspeca forto estas matematike identa al la Kosmologia Konstanto de Einstein. Sekve oni devis modifi la teorion de la Praeksplodo kaj reakcepti la kosmologian termon, kiun Einstein proponis okdek jarojn pli frue. Evidentiĝas do ke Einstein tamen pravis pri la Kosmologia Konstanto, kvankam promalĝusta interpreto. La vera eraro de Einstein ne estis do la enkonduko de la Kosmologia Konstanto, nek ke li ĝin poste forlasis, sed ke li ne kuraĝis sekvi sian propran instinkton. Se li aŭdacus plene kredi kaj sekvi la implicojn de Ĝenerala Relativeco, Einstein povus jam en 1917 aŭguri ne nur la ekspansion de la Universo, efektive malkovritan de Hubble plurajn jarojn poste, sed eĉ la fakton ke la ekpansio estas akcelata kaj la Malhelan Energion, malkovritajn ok jardekojn post la publikigo de Ĝenerala Relativeco.
Alia stranga fenomeno, kiun Einstein antaŭvidis per sia Teorio jam en 1916, estas gravitaj ondoj. Ne temas pri ordinaraj ondoj, kiujn ni konas de nia ĉiutaga sperto, kiel mar-ondoj, son-ondoj aŭ eĉ lumo, kiu konsistas el elektromagnetaj ondoj, sed ondoj en la teksaĵo de spac-tempo. Laŭ la Ĝenerala teorio de Relativeco, tiuj ondoj estas produktataj kiam ege koncentritaj grandegaj masoj moviĝas tre rapide, unu rilate al la alia. Ekzemple du astroj turniĝantaj unu ĉirkaŭ la alia.
Ekde la sesdekaj jaroj de la pasinta jarcento, fizikistoj kaj astronomoj vane provis malkovri gravitajn ondojn. Nun ni scias ke iliaj provoj fiaskis, ĉar gravitaj ondoj estas ege malfortaj. Ordinaraj astroj kiel nia suno ne estas sufiĉe densaj kaj ne moviĝas sufiĉe rapide por produkti gravitajn ondojn mezureblajn ĉe la Tero.
Aliflanke, paroj de tre densaj astroj, kiel pulsaroj [7] aŭ nigraj truoj, kies gravitaj ondoj, se ili ekzistas, estus pli fortaj, estas tre maloftaj, kaj sekve troviĝas en tre granda distanco. Gravitaj ondoj de tiom foraj objektoj ege malfortiĝas pro la granda distanco kaj sekve ili estas mezureblaj nur per treege sentemaj aparatoj, kiuj en la tempo de Einstein ne estis imageblaj. Cetere, pulsaroj kaj nigraj truoj estis trovitaj nur duonjarcenton post kiam Einstein elpensis gravitajn ondojn.
En 1967 oni malkovris la unuan pulsaron, kaj komence de la sepdekaj – nigrajn truojn. Tiuj malkovroj spronis renovigitan interesiĝon pri gravitaj ondoj, kaj pluraj sciencistoj provis malkovri ilin. La plej konata el ili estis la usona astronomo Joseph Webber, kiu konstruis aparatojn por malkovri gravitajn ondojn. Fine de la sesdekaj, Webber raportis ke li efektive trovis gravitajn ondojn. Tamen neniu sciencisto sukcesis ripeti tiun rezulton, kiu sekve estis konsiderata erara.
En la jaro 1974, astronomoj unuafoje malkovris paron de pulsaroj, kiuj turniĝis unu ĉirkaŭ la alia. Kvankam oni ne sukcesis malkovri gravitajn ondojn el tiu sistemo, tiu “duobla pulsaro” ŝajnis perdi energion, supozeble per radiado de gravitaj ondoj. Dudek jarojn poste, la malkovrintoj ricevis la Nobelpremion, interalie pro la kontribuo de tiu malkovro al la esploro de gravito kaj gravitaj ondoj. Tamen, la demando, ĉu gravitaj ondoj efektive ekzistas, restis senresponda.
Komence de la sepdekaj, usonaj sciencistoj elpensis novan metodon por serĉi gravitajn ondojn. Tiu metodo uzas laseron kaj estas multe pli sentema kaj preciza ol antaŭe. Du jardekojn poste, la Nacia Scienca Fonduso de Usono dediĉis 250 milionojn da dolaroj por konstrui aparataron laŭ tiu principo. La projekto estis nomata Lasero- Interferometra Gravito-Observatorio (LIGO), unu el la plej grandaj kaj multekostaj aparatoj iam konstruitaj. Temis pri du identaj laboratorioj, en distanco de tri mil kilometroj unu de la alia, ĉiu konsistanta el du tuboj je longeco de 4 kilometroj, en la formo de la litero L. Tiu aranĝo estis bezonata por povi malkovri la feblegan signalon de gravitaj ondoj, kiu eble atingus nin de la fora spaco. La preparado kaj konstruado daŭris dek pliajn jarojn, kaj en 2002 la aparataro ekfunkciis. Dum ok pliaj jaroj, centoj da sciencistoj kaj teknikistoj laboradis — senrezulte. Neniu signalo estis malkovrita. En 2010 oni fermis la projekton por rekonstruado, kiu multe pligrandigis ĝian sentemon.
En 2014 okazis alia falsa alarmo pri ŝajna malkovro de gravitaj ondoj. Teamo de alispeca aparato, situanta en Antarktio kaj nomata BICEP2, raportis la malkovron de spuroj de gravitaj ondoj en la kosma mikro-onda radiado [8], sed kiel la ekperimentoj de Webber en la sepdekaj, ankaŭ tiu rezulto montriĝis erara.
En 2015, post kvinjara laboro kaj investo de 600 milionoj da dolaroj, la renovigita LIGO-sistemo estis preta. Komence de septembro ĝi ekfunkciis, sen multe da atento deflanke de la scienca mondo, kiu jam laciĝis de la longa senrezulta serĉado. Sed fine de 2015 disvastiĝis en la scienca komunumo obstinaj onidiroj, ke LIGO faris gravan malkovron.
La 11-an de februaro 2016, la scienca gvidantaro de LIGO okazigis gazetaran konferencon. Oni faris draman anoncon, ke la 14-an de septembro 2015, nur kelkajn tagojn post la ekfunkciado de la plibonigitaj LIGO-aparatoj, aperis signalo kies kompleksa formo estis perfekte konforma al la antaŭvidita formo de gravit-onda evento. Identa signalo estis ricevita preskaŭ samtempe en ambaŭ laboratorioj. La tempodiferenco estis precize konforma al la distanco inter la du, trapasita je rapideco de lumo, la teoria rapideco de gravitaj ondoj.
Plurmonata, ege zorga kaj atenta scienca analizo montris ke temis pri gravitaj ondoj, kies fonto estis kolizia kunfandiĝo de du grandaj nigraj truoj, je distanco de 1.3 miliardoj da lumjaroj de Tero. Neniam antaŭe estis observita paro da nigraj truoj, des malpli kunfandiĝo de tia paro. Temis pri la plej granda eksplodo, aŭ pli precize implodo, iam observita. Ĝia intenso, dum sekundero superis la kombinitan energio-fluon de ĉiuj steloj en la videbla universo. Tamen, pro la giganta distanco, la signalo kiu estis ricevita ĉe LIGO, estis apenaŭ perceptebla. Dum triono de sekundo, la 4-kilometrojn longaj tuboj vibre ŝrumpis kaj disvastiĝis je 1/10,000 de la diametro de protono.
Tiu eteta signalo tamen kaŭzis gigantan fulmotondran tertremon tra la scienca mondo, kaj atingis la kovrilpaĝojn de la ĵurnaloj en la tuta mondo. Cent jarojn post la publikigo de la teoria rezulto pri gravitaj ondoj fare de Einstein, la homa scienco sukcesis trovi tiun lastan grandan aŭguron de la Ĝenerala Teorio de Relativeco.
Estas historia ironio, ke tiu genia teorio, kiu nuntempe estas konsiderata kiel unu el la du kolonoj de la moderna fiziko [9], neniam ricevis la Nobel-premion, kvankam Einstein ja ricevis la Nobel-premion pri fiziko en 1921, sed por alia malkovro, la klarigo de la fotoelektra efiko, unu el la unuaj hirundoj, kiuj spronis la kvantuman teorion.
Sed en la homara konscio Einstein restas tamen plej konata kiel la geniulo, kiu sola elpensis la teorion de Relativeco. Persono, kiu per aŭdaca esploro ekster la sciencaj normoj de sia epoko, anticipis gravajn fizikajn fenomenojn jardekojn antaŭ ol ili estis efektive malkovritaj. La plej granda sciencisto de la moderna epoko, kiu konsekvence klarigis la naturon kaj ĝuste komprenis la lingvon de la universo.
Referencoj:
1. Kurioze, en IKU-prelego pri Einstein okazinta dum la UK en Lillo, estis menciitaj gravitaj ondoj, ĝuste en la sama kunteksto kiel ili estis efektive malkovritaj, vidu ĉi tie
2. malpli ol milionono de miliardono de milimetro, 10-15 mm
3. La nomo estis proponita de la fizikisto John Wheeler en 1967. En la 1970-aj oni malkovris astrojn kiuj estis pruvitaj esti Nigraj Truoj
