Γιατί “χρειαζόμαστε” τα βαρυτικά κύματα;

Με 50 επιβεβαιωμένες παρατηρήσεις από τους ανιχνευτές LIGO/VIRGO, μετά τις τρεις πρώτες περιόδους λειτουργίας τους, η αστροφυσική βαρυτικών κυμάτων έχει αρχίσει να μετατρέπεται σε καθημερινότητα. Παρόλα αυτά η δυνατότητα άμεσης παρατήρησης των κυμάτων αυτών καθώς και η ίδια τους η ύπαρξη, για πολλά χρόνια θεωρούνταν κάθε άλλο παρά δεδομένες.

Μπορούμε όμως να καταλάβουμε γιατί η ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων είναι “αναγκαία”;

Αρχικά, πρέπει να καταλάβουμε ποιοι είναι οι περιορισμοί που θέτει η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας (ΕΘΣ) στη θεωρία βαρύτητας του Νεύτωνα. Εν ολίγοις, επιβάλλει ότι η μέγιστη ταχύτητα διάδοσης μιας αλληλεπίδρασης είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό. Η απαίτηση αυτή δεν ικανοποιείται από τη νευτώνεια θεωρία βαρύτητας, στην οποία οι αλληλεπιδράσεις μεταδίδονται στιγμιαία.

Ένα παράδειγμα θα βοηθήσει να κατανοήσουμε τις συνέπειες αυτής της υπόθεσης. Ας θεωρήσουμε το σύστημα Γης-Ηλίου, “εξαφανίζοντας” χάριν ευκολίας όλους τους υπόλοιπους πλανήτες και τα ουράνια σώματα της γειτονιάς μας. Οι ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις, που ικανοποιούν τη θεωρία της σχετικότητας, γνωρίζουμε ότι διαδίδονται με τη ταχύτητα του φωτός. Έτσι, ένα συμβάν στον Ήλιο (για παράδειγμα μία ηλιακή έκλαμψη) δε θα γίνει άμεσα αντιληπτή στη Γη, αλλα θα χρειαστούν περίπου 8 λεπτά για να την παρατηρήσουμε, δηλαδή όσο χρόνο χρειάζονται τα φωτόνια (τα σωματίδια, φορείς των ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων) να ταξιδέψουν από τον Ήλιο μέχρι τη Γη. Αντίθετα, σύμφωνα με τον Νεύτωνα, μια αλλαγή στο βαρυτικό πεδίο πρέπει να διαδοθεί στιγμιαία. Δηλαδή, αν εξαφανίσουμε “μαγικά” τον Ήλιο, η Γη θα το αντιληφθεί αμέσως, συνεχίζοντας το ταξίδι της στο διάστημα, αντί της ελλειπτικής της τροχιάς.

Αυτή η περίεργη συμπεριφορά της θεωρίας του Νεύτωνα, ονομάστηκε “δράση από απόσταση”. Επί της αρχής, αυτή αφορά όχι μόνο γειτονικά σώματα, αλλά ολόκληρο το Σύμπαν. Μια αλλαγή στο βαρυτικό πεδίο ενός γαλαξία εκατομμύρια έτη φωτός μακριά, θα διαδιδόταν στιγμιαία σε εμάς.

Από αρκετά νωρίς, οδήγησε διάφορους επιστήμονες να ερευνήσουν τι θα γινόταν αν η βαρύτητα δρούσε με κάποια “καθυστέρηση” και η βαρυτική αλληλεπίδραση μεταφερόταν μέσω κυμάτων. Πρώτος το 1805 ο Laplace θεώρησε ότι η βαρύτητα είναι κάποιου είδος ρευστό που θα προκαλούσε τριβή στις κινήσεις των πλανητών, οδηγώντας σε συρρίκνωση των τροχιών τους. Είναι εντυπωσιακό ότι ο τρόπος που πρότεινε ο Laplace την πειραματική επιβεβαίωση της υπόθεσης του, είναι κάτι που μπορούμε να παρατηρήσουμε σήμερα με τη συρρίκνωση της τροχιάς ενός διπλού συστήματος συμπαγών ουράνιων σωμάτων, όπως διπλά συστήματα πάλσαρς.

Ακολούθησε το 1895 ο Heaviside με μια φαινομενολογική προσέγγιση συγκρίνοντας τη βαρύτητα με τον ηλεκτρομαγνητισμό, εμπνεόμενος από την παρόμοια μορφή των πεδίων τους. Το 1905, ο Poincare βασιζόμενος στην ΕΘΣ, αλλά χωρίς να το αποδείξει αυστηρά, υπέθεσε ότι ένα επιταχυνόμενο σώμα θα πρέπει να παράγει βαρυτικά κύματα που διαδίδονται με τη ταχύτητα του φωτός.

Η τελική απάντηση δόθηκε περίπου δέκα χρόνια αργότερα από τον Αϊνστάιν και τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας (ΓΘΣ), που είναι η επικρατέστερη σχετικιστική θεωρία βαρύτητας που έχουμε. Η ΓΘΣ προβλέπει ότι οι βαρυτικές αλληλεπιδράσεις μεταφέρονται μέσω βαρυτικών κυμάτων που ταξιδεύουν στο κενό με τη ταχύτητα του φωτός. Με αποτέλεσμα να ικανοποιεί τελικά την απαίτηση της ΕΘΣ, ότι κάθε θεωρία βαρύτητας πρέπει να έχει “κύματα”!

Περαιτέρω διάβασμα:

1. https://www.nature.com/articles/d41586-020-03047-0
2. Στο Βιβλίο Gravity: From the Ground up, B. Schutz – Ch. 22
3. Στο Βιβλίο Gravity!, P. Binetruy – Ch. 8