100 lat ogólnej teorii względności

25 listopada 1915 roku na posiedzeniu Pruskiej Akademii Nauk prof.Albert Einstein przedstawił Ogólną Teorię Względności. Tekst tego wykładu z pełną strukturą formalną teorii [Die allgemeine Relativitätstheorie-ART], ukazał na początku 1916 roku w słynnych niemieckich Rocznikach Fizyki [1].

Teoria ta , zwana dzisiaj skrótowo :Teorią grawitacji” ,formowana była przez autora w procesie rozwojowym od 1912 roku , a pierwsza wersja napisana wspólnie z matematykiem Hermanem Grossmannem ukazała się w 1913 roku. Jubileusz stulecia tej „najdoskonalszej teorii fizyki”(P.Dirac) przyniósł duży i piękny plon w postaci różnorodnych prac na całym świecie.

Cambridge University Press wydało wspaniałą pracę zbiorową [2], pod kierownictwem merytorycznym, wybitnego indyjskiego fizyka - teoretyka [pioniera w dziedzinie Loop Quantum Gravity] prof. Ashtekara Abhay z Pennsylvania State University .

General Relativity and Gravitation

Pozycja ta, jest silną konkurencją do wcześniej wydanych „einsteinianów” autorstwa Abrahama Paisa[tłumaczonych również i u nas], którego teksty są analityczne ze stanowiska historii fizyki [czyli dobre] ,ale –dla mnie- pozbawione są polotu, ”nerwu” i po prostu są nudne ,czego nie można napisać o książce recenzowanej.

Przypomina mi ona swoim stylem opracowania, inną rocznicową publikację [również A Centenary Volume] poświęconą drugiemu „bogowi” fizyki XX wieku , a mianowicie- Nielsowi Bohrowi [3] w stulecie jego urodzin, wydaną przez Harvard University Press pod redakcją A.P.Frencha i P.J.Kennedy [nie mylić z biografią A.Paisa ,przetłumaczoną i wydaną także u nas].

Obydwie książki dostałem ,jako prezenty urodzinowe [z okazji moich urodzin !] . Tę, poświęconą Nielsowi Bohrowi przysłał mi przed laty z Chicago, mój przyjaciel [dziś niestety wśród zmarłych] Mirosław K., a tę, o której donoszę aktualnie, dostałem we wrześniu, od -dużo młodszego ode mnie -kuzyna z Monachium, który prowadzi chemię kwantową na tamtejszym uniwersytecie.

Przechodząc więc do tej przepięknej książki o General Relativity podkreślę na wstępie ,że Abhay Ashtekar, przy współpracy z Bergerem, Isenbergiem i z Malcolmem MacCallum dał czytelnikowi krytyczny wgląd w Ogólną Teorię Względności [GR], ale w perspektywie najważniejszych prac badawczych rozwijających General Relativity[GR] po śmierci jej Autora.

prof. Abhay Ashtekar

Czyli jej czytelnik musi -choćby w ujęciu popularnym –znać GR ,by w trakcie lektury tej książki zobaczyć i zrozumieć potencjał teoriopoznawczy Ogólnej Teorii Względności i moc sprawczą narodzin nowych idei o strukturze i ewolucji wszechświata.

Wystarczy przyjrzeć się spisowi treści tej książki. .

Spis treści
Część I. Triumf Einsteina :
1. G.Ellis,100 lat ogólnej teorii względności
2. C.Will, Czy Einstein miał rację?
3.MacCallum i inni, Kosmologia
4. Martin Rees i inni, Astrofizyka relatywistyczna
Część II. Nowe okno na Wszechświat:
5. K.Berger i inni, Detekcja fal grawitacyjnych
6.A.Buonanno,B. Sathyaprakash, Źródła fal grawitacyjnych. Teoria i obserwacje.

Część III. Grawitacja jest geometrią i to wszystko:
7. F. Pretorius i inni, Sondowanie silnego pole grawitacyjnego poprzez symulacje numeryczne

8. G. J. Galloway i inni, Wartość ogólnej teorii względności i jej implikacje
9. J. Isenberg i inni, Globalne zachowanie się rozwiązań równań Einsteina
Część IV. Poza Einsteinem:
10. R.Wald,S.Hollands, Pola kwantowe w zakrzywionych czasoprzestrzeniach
11A.Ashtekar,C.Rovelli,. Od ogólnej teorii względności do kwantowej grawitacji
12. H.Elvang,G.Horowitz, Kwantowa grawitacja poprzez wielką unifikację

To nie jest książka do czytanie jednym tchem, lub gwarowo pisząc: „ciurkiem”, stronica po stronicy. Mamy bowiem do czynienia z pakietem rozpraw z fizyki teoretycznej. Jednak osobne studia poszczególnych rozpraw dają wielką satysfakcję. W recenzji ograniczę się do rozprawy pod numerem 6, od której zacząłem lekturę książki.

Możliwość istnienia w przyrodzie fal grawitacyjnych przewidział Albert Einstein i poglądowo interpretuje się je, jako przemieszczenie / ruch deformacji geometrii czasoprzestrzeni, skoro grawitacja jest zniekształceniem geometrii czasoprzestrzeni.. Jeśli masa porusza się, to zniekształcenie geometrii czasoprzestrzeni wywołane przez nią - też ma dynamikę.

W przypadku ruchu drgającego masy powstaną fale grawitacyjne, czyli periodyczny ruch deformacji czasoprzestrzeni. Jednak promieniowanie grawitacyjne nie jest dipolowe, tak jak promieniowanie elektromagnetyczne.

Źródłami fal grawitacyjnych mogą być, np : binarne [podwójne] układy gwiazd , lub kompaktowe systemy gwiezdne [np. centra galaktyk].

Wykrywanie[detekcja] fal grawitacyjnych opiera się na zjawisku deformacji kształtu ciał sztywnych, wywołanej przez padające na ciała fale. Skoro fale grawitacyjne są dynamiką geometrii przestrzeni, to forma ciała sztywnego znajdującego się w tej przestrzeni musi się zmieniać.

Wielkość zniekształcenia postaci ciała pod wpływem padającego na niego promieniowania grawitacyjnego , zależy od amplitudy promieniowania grawitacyjnego, a ta zaś z kolei zależy od masy źródła i od odległości detektora od źródła. Amplitudy[ i tym samym natężenie] fal grawitacyjnych nadbiegających od dalekich układów gwiezdnych są bardzo małe i detektory zniekształceń formy ciała muszą być bardzo czułe.

Zbudowane zostały w tym celu laserowe interferometry typu Michelsona:

LIGO w USA, oraz VIRGO we Włoszech, o bardzo długich ramionach [rzędu kilometrów].

I tutaj dochodzę do prawdziwej „gwiazdy” eksperymentalnej fizyki grawitacji :prof. Alessandry Buonanno.Gdy ktoś wymawia „LIGO” to musi powiedzieć : Buonanno.

Alessandra Buonanno, to niezwykle rzadki przypadek idealnej unii fizyki teoretycznej z eksperymentalną.

Przejrzyjcie kilka [z kilkudziesięciu !] jej prac, a uderzy was wysoki stopień znajomości praktyki eksperymentu[algorytmy wyszukiwania i analizy danych z detektorów], obok biegłości analitycznych obliczeń dynamiki źródeł promieniowania grawitacyjnego , lub finezyjnych dyskusji rozwiązań równań ruchu fali grawitacyjnej.

Żródło: Ligo Scientific Collaboration

A.Buonanno jest współtwórczynią nowego etapu rozwoju GR, ona otworzyła nowe okno na wszechświat, jej twórczość, to „brylant” fizyki współczesnej. Niestety ,nie zauważony dotychczas przez komitet noblowski.Jej start na drodze do wykrycia tajemnej warstwy wszechświata miał miejsce w Europejskim Obserwatorium Grawitacyjnym [EGO] pod Pizą [Italia] w pracy z interferometrem VIRGO [Panna],w 250 osobowym zespole pracuje kilku stażystów z Polski. Poniżej schemat ideowy VIRGO.