O "vyvracačoch" druhýkrát a (snáď) naposledy

Autor: Martin Scholtz | 28.6.2017 o 22:48 | (upravené 29.6.2017 o 0:05) Karma článku: 4,38 | Prečítané:  774x

V nedávnej dobe sa na blogu sme.sk opäť vyrojili články kritizujúce teóriu relativity, Einsteina, a tak vôbec celú súčasnú fyziku. Hoci som si predsavzal, že už na podobné nezmysly nebudem reagovať, nedalo mi to...  

Keď som pred šiestimi rokmi začal písať blogy, začal som článkom "O vyvracačoch",

https://scholtz.blog.sme.sk/c/252181/Teoria-relativity-I-O-vyvracacoch.html

kde som sa snažil vysvetliť, prečo sú naivné pokusy naivných bádateľov odsúdené na neúspech. Zdôraznil som tam, že žiaden fyzik si nemyslí, že by snáď teória relativity bola definitívnou a jedinou správnou teóriou, že naopak chápeme jej obmedzenia a limity a snažíme sa ju vylepšiť. Žiaľ, zatiaľ sa to nepodarilo, ale nie preto, že by sa fyzici nesnažili. Písal som o tom, že títo "vyvracači" majú utkvelú predstavu o tom, že my fyzici prijímame Einsteinove bláznivé teórie bez zamyslenia, nekriticky, a nie sme schopní samostatne myslieť. Tento blud som sa snažil mnohokrát vyvrátiť, vo svojich článkoch i v diskusiách pod nimi. Asi miliónkrát som napísal, že Einstein sa predsa dopustil aj viacerých chýb a mylných úvah, ktoré však boli veľmi rýchlo identifikované práve preto, že vo fyzike každá nová myšlienka podlieha silnej kritike a tak prežijú len tie nápady, ktoré sú skutočne správne alebo sú v danej epoche pravde najbližšie. Na vyvracačov žiadne argumenty nezaberajú. Postupne som na podobné nezmysly prestal reagovať, pretože som vypisovaním reakcií a podrobnej argumentácie stratil hodiny a dni času, bez akéhokoľvek výsledku.

Tým však nemyslím, že všetci čitatelia mojich článkov boli z tejto kategórie. Naopak, mnoho z nich ma v niektorých veciach doplnilo, dávali mi rôzne otázky, na ktoré som nie vždy bol schopný uspokojivo odpovedať. Takéto diskusie ma bavia a tieto blogy som začal písať práve kvôli nim. 

Problémom je, že písanie blogov zaberá dosť času a keďže sa nedokážem vyjadrovať stručne, zaberalo mi to ešte viac času než bolo nutné. Preto som frekvenciu písania výrazne znížil prakticky na nulu. 

V poslednej dobe sa zišli tri faktory, kvôli ktorým cítim motiváciu v písaní pokračovať. Od viacerých ľudí som mailom dostal dopisy, v ktorých sa k mojim blogom pozitívne vyjadrujú alebo sa ma pýtajú prečo som prestal. Takéto dopisy vždy potešia a som za ne vďačný. Podobné vyjadrenia mi v poslednej dobe adresovalo dokonca niekoľkých študentov, ktorých priamo neučím a ani som netušil, že o mojich blogoch vedia. 

Druhým faktorom je, že blogy o fyzike začal písať aj profesor Ctirad Klimčík, ktorý je medzinárodným odborníkom o mnoho rádov ťažšieho kalibru než ja. Jeho blogy začali nedávno a zatiaľ nie sú veľmi početné, ale rozhodne ich odporúčam sledovať a snáď sa neurazí, ak tu uvediem odkaz na ne:

https://ctiradklimcik.blog.sme.sk/

Vďaka týmto blogom mám pocit, že tu nie som sám proti armáde vyvracačov a že čitatelia, ktorí majú pochybnosti, si budú môcť vybrať, či veria serióznym snahám o popularizáciu vedeckých poznatkov alebo blogom plným urážok, karikatúr a pestrofarebných nápisov najrôznejších veľkostí.

No a tretím, súvisiacim dôvodom, prečo sa pokúsim v blogovaní pokračovať, je "záplava" pseudoblogov, ktoré sa tvária ako alternatíva k súčasnej fyzike, ale v skutočnosti obsahujú len zbierku obskurných úvah. Po predchádzajúcich skúsenostiach už nemám ambíciu presviedčať autorov týchto diel o ich omyle. Videl som, skúsil som, neuspel som. Ide mi skôr o to, aby k týmto článkom existovala seriózna alternatíva. Chcem tým, ktorí si svoj názor ešte len chcú utvoriť, ukázať, že moderná fyzika je ohromný súbor fascinujúcich poznatkov, originálnych myšlienok, dôvtipných riešení a výsledkov získaných tvrdou prácou. Nie, nerozumieme zďaleka všetkému, ale sme si toho vedomí a snažíme sa svoje znalosti ešte viac rozšíriť. Veľká časť modernej fyziky stojí na špekulatívnych teóriách, ktoré dnes nevieme potvrdiť ani vyvrátiť, tieto teórie si niekedy odporujú, niekedy sa doplňujú, ale zatiaľ nevieme, ako to naozaj je. Táto "špekulatívna" časť fyziky sa však opiera o ohromný kolos poznatkov, ktoré sú dobre potvrdené, opiera sa o princípy overené tými najpresnejšími experimentmi. Táto "nešpekulatívna" časť sa rodila dlho a ťažko, práve preto, že každá teória, každý experiment, musí prejsť tvrdými testami, aby sa zaradili do štandardnej fyziky. 

Zároveň vieme, že žiadna teória nemôže byť nikdy naveky dokázaná, vždy sa môže nájsť fakt, ktorý do zavedenej schémy nezapadá a vtedy je treba teórie vylepšiť, navrhnúť nové experimenty a znova prejsť fázou prísnych skúšok. Fyzici predpoklady svojich teórií preverujú a podrobujú kritickému skúmaniu, aj stokrát overené experimenty sa uskutočňujú znovu s vyššou presnosťou, so sofistikovanejšou aparatúrou. 

Toto vyvracači nikdy nepochopia. Oni svoje myšlienky formulujú na základe pár útržkov informácií, ktoré si niekde prečítajú, ale sami svoje "teórie" žiadnym testom nepodrobujú. A nie sú ochotní si prečítať seriózne vedecké publikácie. Každý vedec môže urobiť chybu a občas ju aj urobí. Podstata pokroku vo vede spočíva v tom, že celý zbytok komunity sa snaží preverovať myšlienky iných najrôznejšími spôsobmi, z nových teórií sa vyvodzujú dôsledky a testujú sa v experimentoch. Áno, aj komunita ako celok občas chybu urobí a v histórii by sme pár takých príkladov našli. Ako vieme, že sa také prípady stali? No preto, že ďalšie generácie fyzikov tie staré výsledky preverujú znovu a znovu. 

V tomto zmysle je exaktná veda jedno z najpoctivejších "remesiel". Práve preto je tak veľmi ťažké prísť s novým nápadom, ktorý ešte nikoho nenapadol a ktorý prejde týmito prísnymi testami. Ak nemáte žiadne seriózne vedomosti, a len tak filozofujete o vede a prídete na geniálny nápad, je dobré skúsiť google a v 99% prípadoch zistíte, že to skúsilo už 50 ľudí pred vami a nefungovalo to. Keby som len mal spočítať, koľko geniálnych nápadov som dostal ja sám a ktoré skončili v koši z rovnakého dôvodu :)

Gravitačné vlny

Ako príklad uvediem nedávny (rok starý) objav gravitačných vĺn v experimente LIGO. Je to vec, ktorá relativistickou komunitou značne otriasla (v pozitívnom zmysle), pretože je to epochálny objav dosiahnutý vďaka 

- obrovskému pokroku v počítačovej technike a v numerických metódach riešenia Einsteinových rovníc. 

- technologickému pokroku v experimentálnej technike a mnohým vskutku geniálnym inžiniersko-technologickým nápadom

K tomu treba pridať dôkladné teoretické analýzy popredných relativistov, sofistikované metódy spracovania a filtrovania signálu, ale napríklad aj štedré financovanie niekoľkými agentúrami.

O objave gravitačných vĺn sa chystám napísať samostatný blog, sám všetkému do detailov nerozumiem, ale chcel by som sa podeliť o to, aký úžasný objav to je a prečo.

Teraz zdôrazním len pár vecí. Prvá je, že o existencii gravitačných vĺn nikto reálne nepochyboval. Nepriame merania existujú už dávno. Pulzary sú rotujúce neutrónové hviezdy (alebo bieli trpaslíci), ktoré vyžarujú elektromagnetické žiarenie do úzkej oblasti priestoru. Toto žiarenie vidíme, keď náhodou ukazuje priamo na nás (na Zem), hovorí sa tomu majákový efekt. Ako hviezda rotuje, tento lúč periodicky zasahuje Zem a tak sa nám hviezda javí ako objekt s premenlivou jasnosťou, pulzar. Pekná ilustrácia je napríklad tu

https://www.youtube.com/watch?v=gjLk_72V9Bw

Stáva sa, že pulzar je súčasťou dvojhviezdneho systému, takže má dvojičku, s ktorou obieha okolo spoločného ťažiska. O takýchto binárnych systémoch som kedysi dávno písal v týchto článkoch

https://scholtz.blog.sme.sk/c/338600/Binarne-systemy-v-specialnej-teorii-relativity.html

https://scholtz.blog.sme.sk/c/341695/Binarne-systemy-vo-vseobecnej-teorii-relativity.html

Pri takomto obiehaní, podľa teórie relativity, dochádza k vyžarovaniu gravitačných vĺn. Tým oba objekty strácajú energiu a tak sa k sebe postupne približujú. To sa prejaví na zmene periódy ich obiehania a túto zmenu je možné merať. Výsledok súhlasí s predpoveďou teórie relativity a za tento objav bola právom udelená Nobelova cena.

Takže seriózne pochybnosti o existencii gravitačných vĺn neboli, ale detekovať také vlny v laboratóriu, či už na Zemi alebo vo vesmíre, to je iná káva. Od začiatku bolo jasné, že gravitačné vlny sú extrémne slabé a tak bude ich objav musieť počkať na podstatne vyspelejšie technológie, než boli k dispozícii v Einsteinových časoch.

Okrem toho, že detekcia/vyvrátenie existencie gravitačných vĺn je zaujímavé samo o sebe a je dôležitým testom teórie relativity, takýto objav má obrovské potenciálne využitie v astronómii. Práve preto, že sú gravitačné vlny tak slabé, s hmotou interagujú len veľmi slabo, dokážu cestovať milióny rokov bez toho, aby boli hmotou nejak "poškodené", takže predstavujú svedectvo o udalosti, ktorá tieto vlny vyvolala. Detekciou gravitačných vĺn tak môžeme získať veľa užitočných informácií o kozmológii, o štruktúre vesmíru dnes i v(o veľmi) dávnej minulosti.

Dnes vieme, že detekovať gravitačné vlny sa skutočne podarilo, ale bolo to ešte mnoho ťažšie, než si ľudia pôvodne mysleli. Je to pekný príklad toho, že aj keď fyzikálna verejnosť z mnohých dôvodov "prahne" po určitom objave, je zároveň veľmi kritická, ak sa niekomu niečo také podarí. To je v úplnom kontraste k tomu, čo o fyzikoch tvrdia vyvracači. 

1. Joseph Weber

S týmto pánom sa spája prvý seriózny pokus o detekciu gravitačných vĺn. Niekedy v 60-tych rokoch navrhol a postavil aparatúru, o ktorej veril, že by mala mať dostatočnú presnosť. Weber nebol žiaden ľudový mysliteľ, ale vážený fyzik a na štúdiu gravitačných vĺn spolupracoval s takým velikánom modernej fyziky, ako bol John Wheeler.

Navrhol a postavil zariadenie, ktoré sa dnes nazývajú Weberove tyče a ich rozmery boli rádovo niekoľko metrov. Weber časom začal prehlasovať, že vo svojom zariadení skutočne detekuje gravitačné vlny a publikoval o tom sériu článkov. 

Iní vedci, konkrétne Richard Garwin, skúsili postaviť detektor založený na podobnom princípe, ale žiadnu udalosť nezaznamenali. Iné analýzy ukázali systematické chyby vo Weberovom postupe vyhodnocovania dát. V 70-tych rokoch bolo už teda jasné, že Weberov experiment žiadne gravitačné vlny zachytiť nemohol.

2. BICEP II

Ďalší senzačný objav gravitačných vĺn bol ohlásený nedávno, v roku 2014, v experimente BICEP. Účelom tohto experimentu bolo meranie polarizácie reliktného žiarenia. Nebudem tu vysvetľovať technické detaily (ale ak by bol záujem, môžem o tom napísať blog :) ), len stručne naznačím.

Po Veľkom tresku bol vesmír veľmi horúci, takže z existujúcich elementárnych častíc sa nemohli vytvoriť žiadne stabilné štruktúry. Pre žiarenie bol vtedy vesmír nepriehľadný, pretože v celom priestore boli voľne pobehujúce elektróny, na ktorých sa žiarenie rozptyľovalo. Asi 400 000 rokov po Veľkom tresku sa vesmír ochladil natoľko, že začali vznikať atómy vodíka, takže elektróny prestali byť voľné a začali sa viazať na jadrá vodíka, a tak sa vesmír stal viac-menej priehľadný pre žiarenie, ktoré sa už nerozptyľovalo v takej miere. Preto sa onej epoche hovorí aj "plocha posledného rozptylu". Toto žiarenie je vo vesmíre prítomné dodnes, nazývame ho reliktné (anglicky však cosmic microwave background), a nesie v sebe informáciu o štruktúre vesmíre z doby 400 000 rokov po Veľkom tresku, teda z času posledného rozptylu. Reliktné žiarenie sa od tej doby už nemalo kde pohltiť, pretože vesmír sa stal z drvivej časti priehľadný, ale rozpínaním vesmíru sa ochladilo na asi 3 kelviny (teda asi -270 stupňov celzia).

Existencia reliktného žiarenia bola najprv predpovedaná teoreticky, hoci pôvodný odhad jeho teploty bol asi 5 kelvinov (existoval ešte starší odhad 50 kelvinov, ale ten počítal s nesprávnym vekom vesmíru). Keď sa následne existencia reliktného žiarenia potvrdila experimentálne, ľudia to považovali za presvedčivý dôkaz teórie Veľkého tresku a postupne opustili iné modely, ako napríklad stacionárny vesmír. Tento dôkaz sa stal ešte presvedčivejším po meraní anizotropií v experimente COBE v 90-tych rokoch, ktoré ukázalo, že aj štruktúra reliktného žiarenia presne zodpovedá predpovediam založeným na teórii veľkého tresku. Hoci tu a tam sa stále objavujú alternatívne vysvetlenia, zdá sa, že teória Veľkého tresku je jediná, ktorá pozorované dáta dokáže vysvetliť.

V čase posledného rozptylu bol hlavným rozptylovým procesom tzv. Thomsonov rozptyl, pri ktorom je rýchlosť nabitých častíc podstatne menšia než rýchlosť svetla. Pri tomto rozptyle sa svetlo polarizuje určitým spôsobom a polarizácia je daná hlavne elektrickou zložkou elektromagnetického žiarenia (magnetické pole výrazne ovplyvňuje len rýchlo sa pohybujúce častice). Pretože elektrické pole sa často značí písmenom E, hovoríme o E-módoch polarizácie.

Z teórie preto vyplýva, že reliktné žiarenie by malo vykazovať E-módy v dôsledku Thomsonovho mechanizmu v čase posledného rozptylu. Tieto módy boli skutočne detekované v experimente DASI.

Z dôvodov, ktoré na tomto mieste nebudem rozoberať, bola pôvodná teória Veľkého tresku rozšírená o tzv. inflačnú fázu, teda veľmi krátke obdobie extrémne rýchleho rozpínania vesmíru. Hoci inflačná teória má svoje problémy a niektorí fyzici s ňou nie sú úplne spokojní, každý akceptuje fakt, že inflačná teória veľmi dobre vysvetľuje pozorované vlastnosti vesmíru na veľkých škálach. 

Jednou z predpovedí inflačnej teórie je tvorba gravitačných vĺn počas inflácie. Tieto gravitačné vlny sú veľmi slabé na to, aby boli priamo detekované, ale mohli by zanechať "otlačok" na reliktnom žiarení. Teoreticky sa to prejaví tak, že v polarizácii reliktného žiarenia by mali byť viditeľné aj tzv. B-módy, ktoré svojim tvarom pripomínajú magnetické pole (ktoré sa tradične značí písmenom B). 

Experiment BICEP, o ktorom tu píšem, mal za úlohu zmerať práve to, či v reliktnom žiarení vidíme aj B-módy spôsobené gravitačnými vlnami generovanými infláciou, tzv. primordiálnymi gravitačnými vlnami.

V roku 2014 bol ohlásený objav B-módov v experimente BICEP, ktorý bol interpretovaný ako možný dôsledok primordiálnych gravitačných vĺn. Vzbudilo to obrovský ohlas, pretože všetci vkladali nádeje do megaexperimentu LIGO (ktorý nakoniec vlny objavil), ktorý ešte nebol v prevádzke. Bolo by skutočne humorné, keby po dekádach návrhu a stavby LIGO nakoniec gravitačné vlny objavili v nejakom stane na južnom póle.

BICEP však B-módy skutočne objavil a šlo o to, či sú spôsobené gravitačnou vlnou alebo nie. Ak áno, bolo by to senzačné.

Dôkladnou analýzou, podporenou novými dátami z experimentu PLANCK sa však ukázalo, že tieto B-módy sú v skutočnosti s najväčšou pravdepodobnosťou spôsobené medzigalaktickým prachom, ktorý reliktné žiarenie ďalej polarizuje. Pôvodný experiment BICEP s efektom prachu počítal, ale hlboko ho podhodnotil.

Záver: objav gravitačných vĺn sa nekoná.

3. LIGO

Keď nakoniec v roku 2016 experiment LIGO oznámil detekciu gravitačných vĺn, boli fyzici opatrnejší, pretože chceli mať istotu, že to nie je ďalší omyl. Spolu s kolegami sme vtedy sledovali priamy prenos z tlačovej konferencie, bol to dosť emotívny zážitok. Ja osobne som napríklad nečakal, že sa takého výsledku za svojho života dočkám, hoci som tiež o existencii gravitačných vĺn nepochyboval. Ale či sa ich naozaj podarilo zachytiť  v LIGO? 

Dnes s najvyššou možnou istotou (ktorá bude vždy menšia než 100%) môžeme povedať, že LIGO skutočne detekuje gravitačné vlny. Po objave čelili autori experimentu aj teoretici v pozadí mnžostvu kritických otázok na konferenciách a seminároch, tímy mudrlantov mimo experiment analyzovali systematiku experimentu. Výsledok je, že udalosť zaznamenaná v experimente je priechod gravitačnej vlny detektorom.

Presnejšie, tie detektory sú dva, inak by fyzici nemohli mať istotu, že nejde o náhodný šum. Udalosť však bola zaznamenaná na jednom detektore, a po krátkom čase na druhom, čo zodpovedá tomu, že sa vlna šíri rýchlosťou svetla. Krivky namerané v oboch detektoroch majú rovnaký tvar. Zatiaľčo náhodný šum má typicky tvar Gaussovej krivky, teda niečo, čo sa postupne objaví, dosiahne maximum, a postupne zanikne, gravitačná vlna má špecifický tvar. Podľa tohto tvaru môžeme určiť, aká udalosť vlnu vyvolala.

V tomto prípade šlo o zrážku dvoch čiernych dier. Vo svojom článku o binárnych systémoch, na ktorý som uviedol odkaz vyššie, som vysvetľoval, že takáto zrážka je najpravdepodobnejším zdrojom detekovateľných gravitačných vĺn. Jedná sa totiž o extrémny proces, v ktorom sa veľká časť kinetickej energie čiernych dier pohybujúcich sa skoro rýchlosťou svetla premení na čisté gravitačné žiarenie.

V prípade experimentu LIGO šlo o binárny systém čiernych dier vo vzdialenosti 1.5 miliardy svetelných rokov. K ich zrážke teda došlo pred 1500 miliónmi rokov. Čierne diery mali hmotnosti rovné 35 a 30 násobku hmotnosti Slnka. Sú to teda veľmi hmotné objekty na naše pomery, ale pomerne bezvýznamné v porovnaní so supermasívnymi čiernymi dierami, ktoré majú hmotnosti v ráde až miliardy-násobku hmotnosti Slnka.

Uvedené dve čierne diery sa asi 500 miliónov rokov pomaly, pomaly približovali k sebe, obiehajúc okolo spoločného stredu. Finálne štádium ich zrážky však trvalo 20 milisekúnd, behom ktorých sa z dvoch čiernych dier vytvorila nová čierna diera hmotnosti 62 hmotností Slnka. Zvyšné tri hmotnosti Slnka sa vyžiarili vo forme gravitačných vĺn. Behom tých posledných 20 milisekúnd bol žiarivý výkon celého systému približne 10 na 50 wattov, teda

100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 wattov. 

To je viac, než má trabant! Behom tých posledných 20 milisekúnd žiaril (gravitačne) tento binárny systém 50 krát viac než je svetelný výkon celého pozorovateľného vesmíru. 

Práve tá záverečná časť spojenia či zrážky dvoch čiernych dier je veľmi charakteristická a umožňuje jednoznačne odlíšiť signál z takej udalosti od náhodného šumu. Ten signál je tak charakteristický, že sa z neho dajú určiť všetky tie parametere, ktoré som vymenoval. 

Odkiaľ teda vlastne vieme, ako by taký signál mal vyzerať?

 

Einsteinove rovnice - výzva pre počítač

Než boli gravitačné vlny zachytené, museli experimentátori vedieť, čo majú vlastne hľadať. Pretože takáto zrážka čiernych dier bola dlho očakávaná ako najsľubnejší kandidát na silný zdroj vĺn, teoretici a numerickí relativisti už dlho počítali, ako by mal taký proces vlastne vyzerať.

Vychádza sa pritom z Einsteinovej teórie relativity. Dynamika takého procesu je popísaná Einsteinovými rovnicami gravitačného poľa. Tieto rovnice sú veľmi komplikované a majú mnoho výnimočných matematických vlastností. Pre ich komplikovanosť je veľmi ťažké ich riešiť a hoci dnes už poznáme obrovské množstvo riešení, len pár z nich má fyzikálny význam. Medzi také presné riešenia patria riešenia pre stacionárne čierne diery, o ktorých som písal niekoľko blogov, potom kozmologické riešenia popisujúce rozpínajúci sa vesmír, a rovinné gravitačné vlny. Väčšina ostatných riešení je zaujímavá matematicky, ale nie fyzikálne. Aj nefyzikálne riešenia sú však zaujímavé, pretože umožňujú lepšie pochopiť vlastnosti teórie, takže ich študujeme.

Ale nie je ani najmenšia šanca, že by sme niekedy našli presné riešenie popisujúce zrážku čiernych dier. Na to je problém príliš komplikovaný. Musíme preto rovnice riešiť numericky na počítači.

To sa vo fyzike robí bežne, pretože realistické fyzikálne situácie sú skrátka príliš komplikované na to, aby sme ich popísali jednoduchými riešeniami ako sínus, kosínus, či x na druhú. Ak však máme k dispozícii správne rovnice, počítač ich môže vyriešiť za nás. Nedá nám vzorec alebo formulku, ale ak zadáme číselné údaje, môže vyprodukovať číselné (numerické) riešenie a my môžeme nakresliť obrázok či vygenerovať animáciu.

Aj to však môže byť problém. Algoritmy na numerické riešenie rovníc musia byť často veľmi sofistikované, aby bolo zaručené, že numerický výsledok, ktorý dostaneme, má určitú požadovanú presnosť. Pretože počítač počíta riešenie len približne, výsledok je vždy zaťažený numerickou chybou, ktorá môže pochádzať jednak z toho, že počítač čísla zaokrúhľuje na konečný počet desatinných miest, alebo z toho, že používame zlú metódu. Celé vedné odvetvie zvané numerická matematika sa zaoberá práve vhodnou voľbou metódy, odhadom chyby atď.

Pokiaľ však ide o teóriu relativity a simuláciu zrážky čiernej diery, narážame na obrovské množstvo problémov. Prakticky každý potenciálny problém, ktorý si viete predstaviť s numerickým riešením, sa pri Einsteinových rovniciach vyskytne. 

Problém je už v tom, že v teórii relativity je priestor dynamický. Normálne predpokladáme, že sa nejaký systém vyvíja v danom priestore, napríklad riešime prúdenie kvapaliny v trubici, alebo riešime elektromagnetické pole šíriace sa v zadanom priestore. Keď skúmame čierne diery, nie je tam žiadna hmota, ale samotný priestor sa dynamicky vyvíja. 

Einsteinove rovnice sú tzv. hyperbolické parciálne diferenciálne rovnice. Prakticky to znamená, že aby ste ich vyriešili, musíte zadať počiatočné podmienky v nejakom čase  t = 0, a Einsteinove rovnice vám povedia, ako sa systém bude vyvíjať v čase. To funguje bez problémov na zadanom pozadí, ale ak sa mení pozadie...? Čo je čas t=0, keď ten je relatívny? Tento problém sa dá vyriešiť zavedením vhodného formalizmu, napríklad tzv. ADM rozštiepenia, čo je spôsob, ako 4-rozmerný prostoročas rozrezať na postupnosť trojrozmerných priestorov, a sledovať, ako sa mení geometria týchto rezov s časom. Voľba takého "rozrezania" alebo "rozvrstvenia" (slicingu) nie je jednoznačná, pretože závisí od pozorovateľa, ale nemá fyzikálny význam, hovoríme, že sa jedná o kalibračnú voľnosť. ADM formalizmus je jeden zo spôsobov, ako zvoliť pohodlnú kalibráciu.

Keď si zvolíme dané rozvrstvenie priestoročasu na trojrozmerné nadplochy, môžeme rozštiepiť Einsteinove rovnice na dve časti. Jedna popisuje geometriu rezu, druhá vývoj geometrie v čase.

Tá prvá časť sa nazýva väzba (v skutočnosti je ich niekoľko). Normálne by sme chceli zadať ľubovoľné počiatočné podmienky a sledovať vývoj v čase, ale existencia väzby hovorí, že počiatočné podmienky nemôžu byť ľubovoľné, ale splňovať dodatočné podmienky. Tie majú tvar eliptických rovníc, ktoré zase vyžadujú zvoliť okrajové podmienky. Jeden z veľkých problémov v numerickej relativite je teda voľba počiatočných podmienok, ktoré sú kompatibilné s väzbou.

Ako teda zvoliť počiatočné podmienky? No ideálne tak, aby popisovali dve čierne diery, ktoré obiehajú okolo spoločného stredu. A tu narážame na celú plejádu problémov. Ako definujeme polohu čiernej diery? Ako vieme, že je to čierna diera? Čierna diera má horizont udalostí (miesto, odkiaľ niet návratu), takže v princípe by sme chceli zadefinovať oblasť so singularitou obklopenou horizontom. Lenže horizont udalostí je teleologický koncept: o tom, že je niekde horizont, sa dozviete, až keď poznáte celý priestoročas, teda celé riešenie Einsteinových rovníc. Lenže to práve chcete nájsť.

Preto sa v numerickej relativite používa iná definícia horizontu, tzv. zdanlivého horizontu. Je to podobný koncept ako horizont udalostí, ale líšia sa od seba v dynamických priestoročasoch. Zdanlivý horizont (zavedený Hawkingom) nie je teleologický, ale zase je závislý na pozorovateľovi.

Nebudem ďalej rozoberať všetky matematické komplikácie, len som chce naznačiť šírku a hĺbku problémov. Nejde len o to, že Einsteinove rovnice musíme riešiť na počítači, ale o to, že už len formulovať problém tak, aby ho počítač mohol riešiť, je veľký problém a vyriešený bol len pred nejakými desiatimi rokmi. Stovky a tisíce ľudí skúšali rôzne metódy, než boli schopní numericky riešiť Einsteinove rovnice pre problém zrážky dvoch čiernych dier.

Samozrejme, Einsteinove rovnice sú nelineárne, takže aby ste získali spoľahlivé, stabilné a rozumne presné riešenie, musíte používať komplikované numerické metódy, ktoré spotrebovávajú veľa strojového času, takže na jednu simuláciu zrážky čiernych dier na superpočítači potrebujete niekoľko týždňov. Po niekoľkých desaťročiach numerickej relativity sa však podarilo nájsť riešenie tohto problému a tak numerické simulácie poskytli krivky, ktoré by mali experimentátori hľadať v dátach získaných v experimente ako je LIGO.

Záver

Mojim cieľom bolo ilustrovať na neúspešnom experimente BICEP, že aj keď výsledky vyzerajú sľubne a všetci sú celí neposední, aby gravitačné vlny objavili, žiadne prehlásenie nejakej experimentálnej skupiny sa neprijme bez predchádzajúcej kritickej analýzy. Vyvracači, ktorým je venovaný tento článok, budú tvrdiť opak, ale aj tento príklad jasne ukazuje, že hoci sa chyby často vyskytujú, fyzici robia všetko, aby chyby identifikovali, našli a odstránili. Einstein nie je považovaný za génia preto, že si jedného večera sadol do kresla a druhý deň napísal teóriu relativity. Tak to robia vyvracači. Einstein je slávny preto, že po rokoch tvrdej práce a množstve skvelých nápadov dokázal formulovať teóriu, ktorá všetkým kritickým skúškam a analýzam odoláva už 100 rokov a nikto zatiaľ neprišiel s niečím lepším. Aj dnes sú nevysvetlené pozorovania, temná hmota a temná energia. Nevieme, prečo sa vesmírne rozpínanie zrýchľuje. Než zavrhneme teóriu relativity, ktorá tak úspešne prešla mnohými testmi, dávame prednosť hypotetickej forme hmoty. Ale nebojte sa, keď sa nájdu presvedčivé dôkazy, že teória relativity v nejakom režime zlyháva, budú fyzici hľadať alternatívu.

V skutočnosti takých alternatív existuje mnoho: modifikované gravitácie, f(R) teórie, Gauss-Bonnet, Hořava-Lifšic, atď. Tieto teórie boli vytvorené, aby vysvetlili efekty ako sú temná hmota či temná energia. A skutočne to do istej miery dokážu, ale za cenu toho, že do teórie vnesú ďalšie fenomenologické parametre, ktoré musíte určovať z pozorovaní. Teória relativity potrebuje len dva parametre, rýchlosť svetla a gravitačnú konštantu. No a typicky teórie, ktoré dobre vysvetľujú temnú hmotu, zase zlyhávajú v iných režimoch. Takže zatiaľ je najlepšou teóriou tá Einsteinova, ale to sa môže už v blízkej budúcnosti zmeniť. Osobne si myslím, že všetky tieto modifikované teórie sú len malými variáciami na Einsteina, a pre ďalší pokrok bude treba omnoho drastickejšia modifikácia.

Ale objav gravitačných vĺn v experimente LIGO patrí medzi experimenty, ktoré teóriu relativity potvrdzujú. Nejde len o objav gravitačných vĺn samotných. Už som spomínal potenciálne aplikácie pre gravitačnú astronómiu. Okrem neskutočnej zložitosti celého experimentu, ktorá skutočne berie dych, táto detekcia je

- najpriamejším dôkazom existencie čiernych dier

- prvým skutočným testom teórie relativity v režime silných gravitačných polí.

A týmto netriviálnym testom prešla teória relativity so vztýčenými vlajkami. A videli sme, že cesta k objavu šla po dvoch cestách. Jednak experimentálnej, kde samotná stavba detektoru bola asi najväčšou technologickou výzvou v dejinách. Ale aj teoretickej, pretože už len vypočítať z Einsteinových rovníc, ako má taký proces vlastne vyzerať, bola úloha, ktorá zamestnala numerických relativistov na desiatky rokov. Obe cesty vedú ku krivke: jedna je teoretická, vypočítaná, druhá je krvopotne získaná z experimentu. Tie dve krivky sa zhodujú.

Ak by čo len jeden krok na jednej z tých dvoch ciest bol nesprávny, takáto zázračná zhoda by nebola možná. V tomto článku som len letmo naznačil, koľko tých krokov muselo byť urobených a každý z nich by potreboval samostatný článok, ak by som chcel len trochu vysvetliť detaily.

A takýto fascinujúci úspech nemôže dosiahnuť jeden človek. Vyvracači stále majú komplexy z Einsteina, ale na tomto experimente a jeho teoretickej analýze sa podieľali tisíce ľudí minimálne 50 rokov. Každý z nich musí mať patričné vzdelanie, obetovať život štúdiu a tvrdej práci a pridať tak svoj podiel k veľkému projektu. 

No lenže potom príde ľudový mysliteľ a prehlási, že elektróny neexistujú, pretože Millikan kedysi meral náboj a použil nesprávny olej. Že formácia galaxií sa nedá vysvetliť súčasnou fyzikou, ale je to podobné ako brúsenie železa. Iný mysliteľ odignoruje celý obsah článku, a vráti sa k požiadavke, aby súd nariadil akadémii vied uskutočniť experiment s loptičkou poskakujúcou vo výťahu. Keď mu pošlem zoznam experimentov, ktoré dokazujú princíp ekvivalencie, povie, že tieto sa mu nepáčia. Potom pricupitá iný a povie, že síce nemá znalosti elektrodynamiky, a nič nespočítal, ale nakreslil obrázok kozmodriftu. Ďalší bude tvrdiť, že vedecká komunita zámerne tají fakty, ktoré nie sú v súlade s teóriou relativity. 

Vážení páni, súčasná fyzika prahne po tom, aby nahradila súčasné overené teórie nejakými lepšími. Je to však veľmi ťažké a ľudstvo v tom zatiaľ neuspelo. Naopak, všetky konkluzívne testy teórie relativity zatiaľ dopadli v jej prospech. Ja viem, je to rana, ale máte šancu. Všetky dáta z experimentu LIGO sú verejne k dispozícii. Viete prečo? Aby všetci mohli skontrolovať, či sa náhodou v experimente nedopustili nejakej chyby. Metodika experimentu je do detailov popísaná v odborných článkoch. To je vaša šanca. Všetko máte k dispozícii, prečítajte si to, analyzujte, nájdite, kde súdruhovia z LIGO urobili chybu, napíšte o tom odborný článok a garantujem vám vlastnou hlavou, že ak budete mať pravdu, vedecká obec to rozozná.

Týmto pánom venujem poslednú svoju úvahu na ich adresu. Fyzika je veľmi komplexný súbor poznatkov, experimentov, výpočtov, ale aj názorov, ideí, filozofie. Všetky tieto elementy sú v nej dôležité. Ale názory a idey samé o sebe nestačia na to, aby sa rozhodlo, kto má pravdu. Jeden bude hovoriť o kozmodrifte, druhý o tom, že nemôžeme násobiť veličiny mimo času, ale to sú len také kecy, pretože nikto z nich skutočne nevie, o čom hovorí. Takto niekedy ľudia filozofovali o podstate sveta: sú ideálne telesá gule, alebo kocky? Aký tvar majú nebesá? Ale takto nikdy nikam nedôjdete. Môžete špekulovať aj tri tisícročia, o reálnom svete vám to nič nepovie.

Preto veda zvolila iný prístup. Vedec musí svoj názor alebo filozofickú preferenciu doviesť do podoby teórie. Musí formulovať matematické rovnice, ktoré mu umožnia vypočítať číslo, výsledok merania. Potom sa to meranie musí urobiť. A keď sa urobí a súhlasí s teóriou, sme na dobrej ceste. Ak nesúhlasí, nazdar, teória je zlá.

Takže sa pýtam pánov mysliteľov, ako by ste vy navrhovali dokázať správnosť vašej teórie? Predstavte si, že by som uznal, že celá veda je nesprávne, že počítače nefungujú, lietadlá nelietajú, rádio nehrá, baterky nesvietia, keby som toto všetko uznal. Ako sa mám rozhodnúť medzi "mozgovými minerálmi", "veličinou mimo času" a medzi "kozmodiskom"? Keďže vaše teórie sú rôzne, ako si mám vybrať, ktorá je správna? Na základe akého kritéria?

Veda má odpoveď: formuluj teóriu, spočítaj dôsledky, porovnaj s meraním. Je to postup, ktorý viedol k  intelektuálnemu aj technologickému pokroku posledných troch storočí. Aký je ten váš lepší spôsob?

Na záver si dávam záväzok, že nebudem odpovedať na príspevky mysliteľov, pokiaľ sa aspoň nepokúsia dať odpoveď na moje otázky. Ja som im už na ich otázky odpovedal miliardu krát. Ak sa začne diskutovať na úrovni, rád sa k diskusii s nimi vrátim, ale obávam sa, že sa to nestane.

Takže reakcie na ľudových mysliteľov zverujem do rúk osvedčenej zostave Tyso, Robo, Mastul, Huncút, Ash a ďalší :) Do toho, teším sa!

 

 

Páčil sa Vám tento článok? Pridajte si blogera medzi obľúbených a my Vám pošleme email keď napíše ďalší článok
Pridaj k obľúbeným

Hlavné správy

DOMOV

Superpočítač kúpili za milióny. Nevyužívali ho, o chvíľu zostarne

Slovenskí vedci vyčíslili škody za nepoužívanie počítača na viac ako milión. Dnes už funguje v poriadku, no čoskoro ho bude treba vymeniť.

KOMENTÁRE

Danko to možno myslel dobre. Nech vysvetlí, ako presne

Naozaj Dankovi nik iný ako Volodin číslo nedal?


Už ste čítali?