Einstein miał jednak rację. A może nie miał?

Dwa ścigające się od 7 miliardów lat świetlnych fotony pomogły potwierdzić przewidywania teorii względności.

Fotony wyruszyły w swój kosmiczny wyścig z odległego od nas o ponad 7 miliardów lat świetlnych zderzenia dwóch gwiazd neutronowych. Te superciężkie obiekty kosmiczne, gdy się spotkają na swojej drodze, wystrzeliwują w przestrzeń krótki rozbłysk niezwykle silnego promieniowania gamma. Dwa fotony, przedstawiciele tego rozbłysku, dotarły do kosmicznego teleskopu Fermiego badającego właśnie promieniowanie gamma i tam zmierzono, który wygrał.
 
Na szczęście dla teorii względności dotarły prawie równocześnie. Fotony znacznie się od siebie różniły. Jeden z nich miał bardzo wysoką energię, drugi bardzo niską. Odwrotnie niż w świecie ludzi pierwszy dotarł foton o niskiej energii. Jego wysokoenergetyczny kolega był drugi dotarł zaledwie 0.829 sekundy później. W świecie fotonów takie opóźnienie wydaje się być gigantyczne, jednak jeśli zwrócimy uwagę, że fotony ścigały się 7 miliardów lat, to 0,829 sekundy rozłożone na cały wyścig to różnica maluteńka. 
 

Odległa galaktykaHubble Ultra Deep Field
źr. NASA

Dlaczego fotonowy wyścig ma dowodzić przypuszczeń teorii względności?

 
Fizycy od lat nie mogą sobie poradzić z pogodzeniem teorii względności opisującej grawitację z mechaniką kwantową, opisująca oddziaływania na poziomie atomowym. To trochę tak, jakbyśmy, budując dom, kierowali się dwoma różnymi zasadami. Jedną opisującą konstrukcję całego gmachu i drugą dotyczącą struktury cegieł. W dodatku te dwie teorie złożone razem wykluczają się czyli prowadzą do absurdalnych wniosków. Domów tak się budować nie da. A kosmos, jak widać, owszem.
 
Jest kilka teorii tak zwanej kwantowej grawitacji, czy „teorii wszystkiego”, próbujących połączyć oddziaływania w jedną spójną konstrukcję. Jak na razie nikomu nie udało się tego dokonać. Teoria grawitacji uważa, że przestrzeń i czas są ciągłe. Mechanika kwantowa  „sądzi”, że przestrzeń i czas są podzielone na malutkie kawałeczki, ziarenka.
 
Niektóre teorie kwantowej grawitacji mówią, że przestrzeń jest właśnie „ziarenkowata”. Owe ziarenka mają mieć rozmiar niewyobrażalnie mały, równy tak zwanej długości Plancka równej 10^-35metra. To na tyle mało, że na Ziemi żadnym mikroskopem ani inną metodą nie może tego dostrzec.
 
Mogłyby zrobić to za nas fotony. A dokładnie wysokoenergetyczne fotony z rozbłysków gamma. Im foton ma większą energię, tym długość jego fali jest krótsza. Niezwykle energetyczne cząstki światła mają tak krótką falę, że mogłyby się „potykać” o „ziarenka” przestrzeni i czasu, a w związku z tym docierać do naszych teleskopów wolniej niż niskoenergetyczne (czytaj o długiej fali), które sobie przemykają bez kłopotów po czasoprzestrzennych „wybojach”.

 

Ewolucja wszechświataźr wikipedia

I istotnie: dwa fotony ścigające się przez 7 miliardów lat dotarły do nas w różnym czasie. Ale różnica ta była zbyt mała, by można było ją zrzucić na karb złych warunków drogowych w czasoprzestrzeni. Przyczyną może być to, że w trakcie wybuchu fotony nie wylatują dokładnie w tym samym czasie. Rozbłysk gamma może trwać kilka sekund i w ciągu tych kilku sekund fotony ruszają w swoją międzygalaktyczna podróż.

Czy to jest dowód na ciągłość czasu i przestrzeni? Może być,  ale nie musi. - Cały czas mamy jeszcze wiele kwantowych teorii grawitacji, które nie muszą wpływać na prędkość wysokoenergetycznych fotonów – mówi Lee Smolin, fizyk teoretyczny z Perimeter Instytut z Kanady. – Jest to jak dotąd najlepszy test dla ogólnych teorii kwantowej czasoprzestrzeni – dodaje, komentując wyniki badań opublikowane w ostatnim numerze Nature.
 
Teorię Einsteina wystawiano na próbę nie raz. Także w znacznie większej skali niż struktura czasoprzestrzeni. Nie jest do końca jasne, jak grawitacja działa w odległościach kosmicznych. Znacznie większych niż nawet największe ze znanych nam galaktyk.
 
Umiemy potwierdzić jej prawdziwość, mierząc, jak grawitacja zakrzywia światło przechodzące obok Słońca, czy wyjaśnić nieco dziwną orbitę Merkurego. Przeprowadzono wiele eksperymentów potwierdzających, że grawitacja zakrzywia czasoprzestrzeń. 
 

Wciąż nie jest jednak jasne, jak grawitacja działa w skali kosmicznej. Pierwsze pęknięcia czy raczej drobne rysy na tej konstrukcji teorii grawitacji pojawiły się, gdy Rachel Bean, kosmolożka z Cornell University w USA, przedstawiła wyniki analizy danych zebranych w trakcie projektu Cosmic Evolution Survey. To najdłuższy jak dotąd projekt badawczy zbierający obrazy z kosmicznego teleskopu Hubbla. Ale także z innych teleskopów.
 
W trakcie projektu zebrano obrazy ponad 2 milionów galaktyk z jednego małego obszaru kosmosu, analizując tak zwane soczewkowanie grawitacyjne. Obiekty o dużej masie, jak na przykład galaktyki, zakrzywiają światło, powodując, że obserwowane za nimi struktury przybliżają się bądź oddalają od Ziemi. Często działanie soczewkowania grawitacyjnego objawia się świetlistymi kręgami albo ukazywaniem wielu kopii tej samej galaktyki.
 
W kosmosie występuję także zjawisko słabego soczewkowania grawitacyjnego. Dzięki zakrzywianiu światła przez masywne obiekty na niebie widać zniekształcone galaktyki, trochę tak, jakby patrzeć na nie przez nierówną starą szybę. 
 
Słabe soczewkowanie może być także użyte do mierzenia innych efektów grawitacji. Ogólna teoria względności mówi, że grawitacja zakrzywia przestrzeń i czas w równym stopniu. A zatem zakrzywianie światła powinno w równym stopniu  być wywoływanie przez zakrzywioną przestrzeń jak i czas.

Gdy dane były analizowane po raz pierwszy w 2007 roku założono, że tak właśnie jest. Okazało się jednak, że grawitacyjne zakrzywienie światła było większe niż się spodziewano. Wówczas złożono to na karb większej ilości ciemnej i zwykłej masy w obserwowanym regionie nieba niż założono.

źr NASA

Jednak Rachel Bean przejrzała dane jeszcze raz, rezygnując z założenia o równym wpływie czasu i przestrzeni. Okazało się, że między 8 a 11 miliardów lat temu grawitacyjne zakrzywienie czasu było trzy razy silniejsze niż przestrzeni. Widać więc, że odstępstwo od ogólnej teorii względności jest widoczne w kosmicznych skalach.
 
Sama Rachel Baen, jak i wielu innych astronomów, jest jednak bardzo ostrożna w ostatecznym uznaniu błędu Einsteina. Odkrycie odstępstwa w czasie, gdy kosmos był dwa razy młodszy niż teraz, wydaje się dziwne. Gdyby w tym czasie grawitacja działała inaczej, efekty powinny być widoczne znacznie później, po tym, jak 6 miliardów lat temu rozpychająca kosmos ciemna energia przeważyła nad ściskającą go grawitacją.
 
Zanim pochowamy teorie względności do grobu trzeba wykluczyć wiele czynników mogących mieć wpływ na wyniki analizy. Jak choćby to, że badany wycinek nieba mógł być wypełniony większą ilością ciemnej materii niż założono, albo, że był nietypowy i nienormalny. Co mogło mieć wpływ na wynik obserwacji. Zwłaszcza, że inna grupa naukowców obserwująca niebo za pomocą Kanadyjsko-Francusko-Hawajskiego teleskopu nie zauważyła żadnego odstępstwa od teorii względności.
 
Możliwe są także jeszcze bardziej egzotyczne wytłumaczenia nierównego wpływu grawitacji na czas i przestrzeń. Jedna z teorii mówi, że wszechświat jest „umieszczony” na tak zwanej branie – membranie, która pływa w dodatkowym wymiarze. Materia jest „zamknięta” w trzech wymiarach, ale grawitacja może "wyciekać" do tego kolejnego wymiaru.

Czarna materiaźr NASA

Jeszcze inna teoria odnosi się do ciemnej energii , która ma być winna coraz szybszemu rozszerzaniu się kosmosu. Zamiast energii ma to być „dziwny” płyn, który ma różne ciśnienia w różnych kierunkach. Wówczas trudno by określić, czy winna jest teoria względności czy przedziwny płyn.
 
Jedno w nauce jest pewne. Działa ona tak, jak otwieranie drzwi to tajemnego pokoju, w którym roi się od tajemnic. Gdy zapalimy światło sądzimy, że wszystko stanie się jasne. A tu okazuje się, że pokój wypełniony jest drzwiami, za którymi kryją się kolejne tajemne pokoje. I tak bez końca.
 
Andrzej Szozda
Źr Nature, New Scientist.