"Mój mąż to robi na odwrocie starej koperty." Jak żona Einsteina zgasiła wielkiego astronoma

W dniu 29 stycznia 1931 roku, Albert Einstein czołowy fizyk świata i jego odpowiednik w świecie astronomii, Edwin Hubble, usiedli wygodnie na miękkich skórzanych siedzeniach eleganckiego, luksusowego samochodu amerykańskiej marki Pierce-Arrow i pojechali do Mount Wilson w południowej Kalifornii. Długa, zygzakowata, polna droga prowadziła do kompleksu obserwatorium na szczycie, prawie osiemset metrów powyżej miasta Pasadena. W Mount Wilson znajdował się największy w tamtych czasach teleskop i to tam odnosił swoje astronomiczne triumfy Hubble. W 1924 roku z pomocą kolosalnego jak na tamte czasy, około 250 centymetrowego, lustra teleskopu potwierdził, że nasza Galaktyka jest tylko jedną z niezliczonych „wysp wszechświata” krążących w bezmiarze przestrzeni. Pięć lat później, po długim śledzeniu ruchów tych spiralnych dysków, Hubble i jego asystent, Milton Humason, odkryli coś jeszcze bardziej zdumiewającego: Wszechświat się szybko się powiększa, a na zewnątrz pojawiają się nowe galaktyki.

Na szczycie góry tego słonecznego styczniowego dnia 51-letni Einstein zachwycał się instrumentami teleskopu. Ku konsternacji swoich gospodarzy jak bawiące się dziecko wdrapał się na konstrukcję. W pobliżu stała żona Einsteina, Elsa. Kiedy jej powiedziano, że gigantyczny reflektor został wykorzystany do ustalenia kształtu Wszechświata, odpowiedziała podobno – Cóż, mój mąż to robi na odwrocie starej koperty.

Einstein był wszędzie wcześniej

To coś więcej niż tylko duma żony. Na lata przed odkryciem kosmicznej ekspansji przez Hubble'a, Einstein opracował ogólną teorię względności, która mogła wyjaśnić to zjawisko. W badaniach kosmosu wszystko wraca do słynnego fizyka.

Dosłownie, gdziekolwiek nie zapuściliby się astronomowie podczas swoich poszukiwań - od bliskiego nam Słońca po czarne dziury w odległych galaktykach, trafiają do królestwa Einsteina, w którym czas jest względny, masa i energia wymienne, a przestrzeń może się rozciągnąć i zniekształcać. Jego odkrycia wywarły największy wpływ na kosmologię, czyli naukę o historii i losach wszechświata. Jak stwierdza Alan Dressier z obserwatorium Carnegie, ogólna teoria względności „opisuje, jak nasz wszechświat narodził, jak się rozszerza i jaka będzie jego przyszłość”. Początek, środek i koniec, „wszystko jest częścią tej wielkiej koncepcji”.

Fizyka musi się zmienić

Na początku XX wieku, 30 lat przed spotkaniem Einsteina i Hubble'a na Mount Wilson, fizyka była w rozsypce. Promienie rentgenowskie, elektrony i radioaktywność właśnie były odkrywane, a fizycy zaczęli sobie zdawać sprawę, że zasady dynamiki, których historia sięgała ponad 200 lat wstecz do Isaaca Newtona, nie były w stanie wyjaśnić, w jaki sposób te dziwne nowe cząstki przemykały przez przestrzeń. Potrzeba było buntownika, zarozumiałego dzieciaka, który odrzuciłby stare ramy nauki i miał niezachwianą wiarę we własne możliwości, aby utorować drogę przez to niezrozumiałe, nowego terytorium. To nie był wcale legendarny Einstein - ten charakterystyczny, nienoszący skarpet, niedbale ubrany w luźny sweter i z fryzurą, jakby się czegoś przestraszył człowiek- ale osoba młodsza, bardziej romantyczna, z intrygującymi brązowymi oczami i pofalowanymi włosami. Tak wyglądał w apogeum swojej waleczności.

Do jego talentów zaliczyć trzeba potężny instynkt fizyczny, prawie szósty zmysł dla rozumienia, jak natura powinna działać. Einstein myślał w obrazach, takich jak ten, który zaczął go intrygować jako nastolatka: Jeśli człowiek mógłby nadążyć za wiązką światła, co by zobaczył? Czy dostrzegłby falę elektromagnetyczną zamrożoną w miejscu niczym pofalowany lód? – Nie wydaje się, że coś takiego mogłoby istnieć! – Einstein wspominał później swój tok rozumowania.

Uświadomił sobie, że skoro wszystkie prawa fizyki są takie same, niezależnie czy obiekt jest w spoczynku czy w stałym ruchu, prędkość światła musi być również stała. Nikt nie może dogonić wiązki światła. Jednak jeśli prędkość światła jest identyczna dla wszystkich obserwatorów, coś innego musi być względne: absolutny czas i przestrzeń. Einstein stwierdził, że kosmos nie ma uniwersalnego zegara lub wspólnych ram odniesienia. Przestrzeń i czas są „względne”, płyną inaczej dla każdego z nas w zależności od ruchu.

Najsłynniejsza z teorii - od naukowej dyskusji do broni jądrowej

Szczególna teoria względności Einsteina, opublikowana sto lat temu, ujawniła również, że energia i masa są dwiema stronami tej samej monety, uchwyconymi na zawsze w jego słynnym równaniu E = mc², gdzie „E" oznacza energię, „m” masę, a „c” prędkość światła. „Ten pomysł jest zabawny i kuszący”, napisał Einstein, „ale czy Wszechmocny... prowadzi mnie do ogrodu, tego nie wiem.” Był zbyt skromny. Pomysł, że masa może być przekształcona w czystą energię pomógł później astronomom zrozumieć niezmienną moc słońca. Był również punktem wyjścia dla broni jądrowej.

Jednak Einstein nie był zadowolony. Szczególna teoria względności była, zgodnie z nazwą, szczególna. Nie można było opisać nią wszystkich rodzajów ruchu, na przykład obiektów pod wpływem grawitacji, sił o wielkiej skali kształtujących Wszechświat. Dziesięć lat później, w 1915 roku, Einstein nadrobił braki prezentując ogólną teorię względności, która zmieniła prawa Newtona przez przedefiniowanie grawitacji.

Zgodnie z nią czas i przestrzeń są połączone w elastycznej czterowymiarowej tkaninie, która jest wygięta i podziurawiona przez materię. W tym podejściu Ziemia krąży wokół Słońca, ponieważ jest trzymana w pustej czasoprzestrzeni wytworzonej przez masę Słońca, podobnie jak szklana kulka będzie krążyć wokół kuli do kręgli leżącej na trampolinie. Przyciąganie grawitacyjne jest tylko kwestią przesuwania się materii wzdłuż krzywizny czasoprzestrzeni.

W pogoni za zakrzywionym światłem

W 1919 roku Einstein znajdował się u szczytu sławy, gdy brytyjscy astronomowie rzeczywiście zmierzyli to odkształcenie. Obserwując zaćmienie słońca, dojrzeli strumienie światła gwiazd zaginające się wokół zaciemnionego Słońca. „Zakrzywione światła w niebiosach. Gwiazdy nie są tam, gdzie się zdawało lub wyliczono, ale nie ma powodu do niepokoju” głosił nagłówek w The New York Times.

Wraz z tym nowym spojrzeniem na grawitację, fizycy byli w końcu w stanie dokonywać rzeczywistych przewidywań co do zachowania wszechświata, zamieniając kosmologię w naukę. Einstein był pierwszym, który się tego podjął. Jednak, jak pokazała historia, nawet on nie był nieomylnym geniuszem. Błędne przekonanie o naturze wszechświata doprowadziło go do zaproponowania tajemniczego nowego efektu grawitacyjnego - pojęcia, które wkrótce odrzucił. Jednak być może miał rację z niewłaściwych powodów, a jego „błąd” może jeszcze okazać się jednym z jego najgłębszych spostrzeżeń.

Wszechświat rusza

Dla Newtona, przestrzeń była w wiecznym spoczynku, jedynie obojętną sceną, na której poruszały się obiekty. Jednak w ogólnej teorii względności sama scena stała się aktywnym graczem. Ilość materii we wszechświecie rzeźbi jego ogólną krzywiznę, a czasoprzestrzeń może sama się rozszerzać lub kurczyć.

Kiedy w 1915 roku Einstein ogłosił ogólną teorię względności, mógł pójść o krok dalej i oświadczyć, że wszechświat jest w ruchu, ponad dekadę wcześniej niż Hubble bezpośrednio zmierzył ekspansję kosmiczną. Jednak w tamtym czasie, astronomowie postrzegali Wszechświat jako wielki zbiór gwiazd osadzonych na stałe w pustce. Einstein przyjął tę wizję niezmiennego kosmosu. Prawdę mówiąc, nawet się mu ona podobała. Podchodził zresztą często z nieufnością do najbardziej radykalnych konsekwencji swoich teorii.

Jednak ze względu na to, że nawet statyczny Wszechświat w końcu zapadłby się pod wpływem własnej grawitacji, musiał wprowadzić małą poprawkę do równań ogólnej teorii względności - stałą kosmologiczną. Podczas gdy grawitacja ciągnęła ciała niebieskie do wewnątrz, ten dodatkowy efekt grawitacyjny, rodzaj anty-grawitacji, rozpraszał je. Właśnie tego było potrzeba, do utrzymania nieruchomego Wszechświata, „jak wymaga tego fakt małych prędkości gwiazd” napisał Einstein w 1917 roku.

Geniusz w błędzie

Dwanaście lat później, odkrycie przez Hubble'a, że inne galaktyki uciekały od naszej, a ich fale świetlne rozciągały się i przybierały czerwoną barwę w wyniku ekspansji czasoprzestrzeni, ostatecznie zniszczyło wizję statycznego Wszechświata. Wyeliminowało również jakąkolwiek potrzebę stałej kosmologicznej, która utrzymywałaby galaktyki w jednej pozycji. Podczas swojej wizyty w Kalifornii 1931 Einstein to przyznał. – Przesunięcie ku czerwieni odległych mgławic rozbiło moje stare przekonania jak cios młotkiem – oświadczył. Podobno powiedział też koledze, że stała kosmologiczna była jego największym błędem.

Z lub bez tego dodatkowego czynnika, podstawowy przepis na rozszerzający się wszechświat należał do Einsteina. Jednak to innym naukowcom przypadło zidentyfikowanie rewolucyjnego następstwa: momentu kosmicznego stworzenia. W 1931 roku belgijski ksiądz i astrofizyk Georges Lemaître wyobraził sobie ruch wstecz uciekających galaktyk, miliardy lat temu, łączących się w oślepiającą blaskiem kulę ognia, w „pierwotny atom” jak to ujął. „Ewolucję świata można porównać do pokazu sztucznych ogni, który właśnie się zakończył: nielicznych czerwonych smug, popiołu i dymu”, napisał. Z tego poetyckiego scenariusza powstała dzisiejsza teoria Wielkiego Wybuchu.

Wielu ta idea odrzucała. – Takie pojęcie początku... budzi we mnie odrazę – stwierdził brytyjski astrofizyk Arthur Eddington w 1931 roku. Jednak dowody na jego korzyść powoli się zbierały, osiągając moment kulminacyjny w 1964 roku, gdy naukowcy z Bell Telephone Laboratories odkryli, że kosmos dosłownie pływa w morzu promieniowania mikrofalowego, ostatkach hucznej premiery Wszechświata. Od tego czasu obraz Wielkiego Wybuchu kształtował i kierował pracami kosmologów w takim stopniu, jak niebiańskie sfery Ptolemeusza wpływały na astronomów w średniowieczu.

Inflacja kosmologiczna

W 1980 roku Alan Guth, teraz pracownik Instytutu Technologi w Massachusetts (MIT), umocnił model Wielkiego Wybuchu, wprowadzając nowe cząsteczki do elastycznej czasoprzestrzeni Einsteina. Odkrył mianowicie, że w pierwszej bilionowej bilionowej bilionowej sekundy, nowo narodzony kosmos mógł przejść super szybkie rozszerzenie - inflację kosmologiczną - nim wszedł w fazę bardziej stopniowego wzrostu.

Inflacja pomogłaby wygładzić materię i energię we Wszechświecie oraz spłaszczyć ogólną krzywiznę czasoprzestrzeni, co zostało udokumentowane poprzez precyzyjne pomiary kosmicznych mikrofal przez satelity. Dziś niektórzy teoretycy wierzą, że inflacja nie była wcale chwilowym zjawiskiem. W ciągle trwającym procesie tworzenia, może dochodzić do rozszerzania czasoprzestrzeni do nowych wszechświatów wszędzie i przez cały czas - byłaby to nieskończoność wielkich wybuchów.

Tort dla wszeschświata

W ramach naszego Wszechświata, arcykapłani astronomii kontynuują kosmologiczne poszukiwania zainicjowane przez Einsteina i Hubble'a w obserwatorium Mount Wilson, a następnie prowadzone z wykorzystaniem przeszło 5-metrowego teleskopu na kalifornijskiej górze Palomar, 145 kilometrów na południe. Postawili pytania: jak szybko Wszechświat się rozszerza? Ile ma lat? – Udzielenie odpowiedzi na te pytania – tłumaczy Wendy Freedman, dyrektor obserwatorium Carnegie – okazało się trudniejsze, niż ktokolwiek się spodziewał.

Dopiero na przełomie tego stulecia, za pomocą teleskopu kosmicznego o jakże pasującej nazwie Hubble, Freedman i inni dokładniej ustalili obecne tempo ekspansji oraz wiek Wszechświata. Wiadomo teraz, że tort urodzinowy dla kosmosu wymagałby prawie 14 miliardów świeczek.

Ponadto, astronomowie odkryli dziwne obiekty w tym rozszerzającym się Wszechświecie - i to też jest spuścizna Einsteina. W 1930 roku młody indyjski fizyk, Subramanyan Chandrasekhar, zastosował szczególną teorię względności i nową teorię mechaniki kwantowej do pewnej gwiazdy. Ostrzegł, że jeśli zostanie przekroczona pewna masa, nie stanie się ona na koniec życia białym karłem (jak stanie się to w przypadku naszego Słońca). Zamiast tego grawitacja ściśnie ją o wiele mocniej, być może nawet do jednego punku. Przerażony tą wizją Eddington oświadczył, że „powinno istnieć prawo natury, które by uniemożliwiało gwiazdom zachowywać się w tak absurdalny sposób!”

Nie było takiego prawa, a Chandrasekhar otworzył drzwi dla innych, pozwalając im na rozważania nad istnieniem najdziwniejszych gwiazd, jakie można sobie wyobrazić. Pierwsza to naga kula neutronów szeroka na dziewiętnaście kilometrów, które narodziły się w wyniku supernowej, eksplozji masywnej gwiazdy. Gęstość gwiazdy neutronowej byłaby równoznaczna z włożeniem wszystkich samochodów na świecie w naparstek. Kolejny osobliwy obiekt utworzony z rozpadu jeszcze większej gwiazdy lub gromady gwiazd miałby wystarczającą masę, aby wykopać dół w czasoprzestrzeni tak głęboki, że nic nigdy nie mogłoby się z niego wydostać.

Pierwsze kwazary i odrzucenie czarnych dziur

Sam Einstein starał się udowodnić, że taki obiekt - czarna dziura, jak ją później ochrzczono - nie mógłby istnieć. Podobnie jak Eddingtona odrzucała go wizja tego, co znalazłoby się w centrum czarnej dziury: punkt o zerowej objętości i nieskończonej gęstości, gdzie wszystkie prawa fizyki upadają. Odkrycia, które mogłyby go zmusić do uznania dziwnego potomstwa jego teorii, zostały dokonane po jego śmierci w 1955 roku.

W 1963 roku astronomowie zidentyfikowali pierwszy kwazar, odległą młodą galaktykę wypluwającą energię biliona słońc ze swojego centrum. Cztery lata później, znacznie bliżej naszego domu, obserwatorzy natknęli się na pierwszy pulsar, szybko wirujący rodzaj gwiazdy neutronowej, emitujący w regularnych odstępach promieniowanie radiowe. W tym samym czasie czujniki statków kosmicznych wykryły potężne źródła promieniowania X i gamma na całym niebie.

Uważa się, że wszystkie te nowe, zaskakujące sygnały określają z maksymalną dokładnością zapadnięte obiekty - gwiazdy neutronowe i czarne dziury - które potężna grawitacja i oszałamiająca prędkość wirowania przekształciły w dynama. Dzięki ich odkryciu stateczny dawniej Wszechświat pokazał swoje bardziej nieprzewidywalne oblicze; przeobraził się w kosmos Einsteina, wypełniony źródłami kolosalnych energii, które można zrozumieć tylko w świetle teorii względności.

Fizyk jak prorok

Nawet mniej osławione idee Einsteina mają niezwykłą moc sprawdzania się. Już w 1912 roku zauważył, że odległe gwiazdy potrafią działać jak gigantyczna luneta. Ich siła grawitacji odchyla przechodzące promienie światła i powiększa obiekty za nimi. W końcu stwierdził, że ten drobny efekt nie dawał się zbadać przy „rozdzielczości naszych instrumentów” i miał „małą wartość”.

Z pomocą dzisiejszych teleskopów astronomowie widzą galaktyki i gromady galaktyk, które działają jak potężne soczewki grawitacyjne, oferując widok na położone dalej galaktyki. Ponieważ zaginanie światła zależy od masy obiektywu, efekt pozwala także obserwatorom na zważenie galaktyk, które działają jak soczewki. Okazuje się, że mają znacznie większą masę niż widać. To część tajemniczej ciemnej materii Wszechświata, odpowiedzialnej za około 90 procent jego masy, której nie można znaleźć w gwiazdach, gazach, planetach czy pod postacią jakiejkolwiek innej znanej formy materii.

Uważa się teraz, że kosmiczna sieć ciemnej materii decydowała o tym, gdzie tworzyły się galaktyki. Ciemna materia jest ukrytą strukturą Wszechświata, a grawitacyjne soczewkowanie jest jednym z kilku praktycznych sposobów, aby ją „zobaczyć”. Efekt, który Einstein uznał za nieistotny stał się kluczowym narzędziem astronomicznym.

Błąd staje się sukcesem

Teoretycy również odgrzebali stałą kosmologiczną, aby wyjaśnić zaskakujące nowe odkrycie, a teraz „największy błąd” Einsteina zaczyna wyglądać na jeden z jego największych sukcesów. Astronomowie zakładali, że grawitacja jest stopniowo spowalniana przez ekspansję Wszechświata. Jednak w latach 1990 dwa zespoły, które mierzyły odległości do wybuchających daleko gwiazd, odkryły coś zupełnie przeciwnego. Jak boje służące do śledzenia rozchodzących się prądów oceanicznych, zidentyfikowane przez nich supernowe pokazują, że czasoprzestrzeń rozszerza się w coraz szybszym tempie.

Dla Einsteina stała kosmologiczna była sposobem na uspokojenie Wszechświata. Jednak jeśli jej polegające na odpychaniu działanie - teraz nazywane ciemną energią - jest wystarczająco silne, może również doprowadzić do przyspieszenia. – Potrzeba ponownie się pojawiła, a stała kosmologiczna czekała gotowa – stwierdza Adam Riess ze Space Telescope Science Institute, jeden z odkrywców przyspieszenia. – To całkowicie koncepcja Einsteina.

Tak samo założenie ogólnej teorii względności, które, jeśli się potwierdzi, może wprowadzić nowy sposób patrzenia na kosmos: zmarszczki w czasoprzestrzeni zwane falami grawitacyjnymi. Aby je wykryć, fizycy zbudowali trzy gigantyczne czujniki, w południowo-środkowym stanie Waszyngton, Luizjanie i na południe od Pizy we Włoszech. W każdym z nich, promienie lasera biegną w górę i w dół długich na kilometry przewodów służących do pomiaru lekkiego rozciągania i kurczenia się czasoprzestrzeni, których można się spodziewać przy przejściu fal grawitacyjnych.

Echo w kosmosie

Poprzez triangulację tych pomiarów, naukowcy mogą prześledzić fale grawitacyjne z powrotem do ich źródeł. Tylko oszałamiająco gwałtowne wydarzenia mogą spowodować zadrżenie czasoprzestrzeni - na przykład supernowa albo gigantyczne zderzenie się dwóch gwiazd neutronowych lub czarnych dziur. – Gdyby zderzyły się dwie czarne dziury, fale grawitacyjne byłyby jedynymi tego sygnałami – tłumaczy Adalberto Giazotto, naukowiec biorący udział w projekcie w Pizie.

Potężny wstrząs kosmicznych narodzin prawdopodobnie również wygenerowałby fale grawitacyjne, które wciąż rezonowałyby w kosmosie. Te pozostałe drobne fale mogłyby dać bezpośredni dowód na tę ulotną chwilę, w której, jak wierzą fizycy, zjednoczyły się wszystkie siły natury. Jeśli tak, fale grawitacyjne Einsteina mogłyby w końcu być kluczem do czegoś, co on sam nieskutecznie próbował opracować: „teorii wszystkiego”. Fizycy nadal poszukują takiej teorii - jednego wyjaśnienia zarówno dla wielkich sił grawitacji i dla sił oddziaływania słabego wewnątrz atomu.

Wykrycie tego słabego echa Wielkiego Wybuchu jest głównym celem kolejnej generacji misji astronomicznych NASA, planu o nazwie „Beyond Einstein” (Dalej niż Einstein).

Dalej niż Einstein? Do tego jeszcze długa droga. Einstein mógłby być zaskoczony naszą wizją Wszechświata, ale jest ona bez wątpienia jego wymysłem.

Tekst: Marcia Bartusiak