— Published on 09/02/2025 / Bug.hr.
Što je zajedničko zvuku, svjetlosti, moru, gitari, potresima i stapanjima crnih rupa? Valovi! Bili mehanički, elektromagnetski ili gravitacijski, uvijek se radi o poremećaju koji putuje kroz prostor
Titranje smo bili opisali kao gibanje koje se periodički ponavlja. Recimo, uteg obješen na spiralnu oprugu školski je primjer oscilatora ili titrajnog sustava. Od oscilatora do valova je mali korak. Kad su dva ili više oscilatora vezani pa jednog od njih zatitramo onda taj jedan oscilator zatitra svog susjeda, ovaj zatitra svog susjeda i tako dalje. Poremećaj putuje kroz prostor. To je val. A kako titrajući oscilator ima energiju tako i energija putuje kroz prostor. Val prenosi energiju.
Svojstva valova
S obzirom da smo do vala došli preko vezanih oscilatora onda su svojstva oscilatora ujedno i svojstva valova. Primjerice period – vrijeme potrebno da oscilator iz najvećeg otklona prođe kroz ravnotežni položaj do najvećeg otklona na drugu stranu pa se kroz ravnotežni položaj vrati natrag u početnu točku. Kod vala je to vrijeme potrebno da se neka točka od vrha brijega spusti do dna dola i ponovo digne do vrha brijega. Dakle, period je „od vrha brijega do vrha brijega” u vremenskom smislu. Ako mjerimo „od vrha brijega do vrha brijega” u prostornom smislu, to nazivamo valna duljina. Ponekad su nam pri opisu vala zgodnije recipročne vrijednosti spomenutih veličina. Recipročna vrijednost perioda je frekvencija, a recipročna vrijednost valne duljine je valni broj.
Mehanički valovi
Valovi na vodi (što je obično prva asocijacija na valove), valovi na žici pa onda zvučni valovi i potresni valovi (ili seizmički valovi), sve su to valovi koji za svoje širenje trebaju medij. Ono što titra su dijelovi tog medija: vode, žice, zraka ili tla. A taj medij pak ima svoja svojstva, elastičnost i gustoću, koja određuju brzinu vala. Brzina je stalna i računa se kao put kroz vrijeme. Ako za dio puta uzmemo valnu duljinu, pripadajući vremenski dio je period. Dakle, brzina je valna duljina kroz period ili valna duljina puta frekvencija. Što znači da valna duljina i frekvencija vala nisu neovisne veličine. Ako znamo jednu, pomoću brzine možemo saznati i drugu.
Elektromagnetski valovi
Elektromagnetski valovi se mogu širiti kroz medij (samo neki elektromagnetski valovi kroz neke medije), ali i ne moraju. Mogu se širiti kroz prazan prostor ili vakuum. Ta je činjenica fizičarima dugo zadavala glavobolju. Ako svjetlost putuje kroz prazan prostor, što titra? Pa je uvedena ideja etera. Pa je odbačena ideja etera. Pa je Maxwell ujedinio elektricitet i magnetizam i usput otkrio da je svjetlost zapravo elektromagnetski val. Titraju dakle električno i magnetsko polje. Točnije, promjena električnog polja stvara promjenu magnetskog polja koja pak stvara promjenu električnog polja i tako u nedogled. Poremećaj se u vakuumu uvijek širi brzinom svjetlosti, 299792458 m/s. A onda se otvorio novi ponor. U odnosu na što određujemo brzinu svjetlosti? Naime, brzina je u fizici relativan pojam. Ima smisla samo u odnosu na neko referentno tijelo. Taj je ponor 1905. godine premostio Albert Einstein onime što danas nazivamo posebna teorija relativnosti. No, to je posebna priča koja će doći kasnije, da vidimo... u Abecedi fizike #28. Ako nam civilizacija prije ne skonča.
Gravitacijski valovi
Deset godina kasnije Einsteinu je sve bilo jasnije (za mlađe čitatelje kojima koji možda neće prepoznati parafrazu, radi se o stihu iz pjesme VALOVI s albuma Sunce sja koji su 1987. objavili Jura Stublić i Film). Einstein je tada, 1915. godine, dovršio opću teoriju relativnosti koja je zapravo geometrijska teorija gravitacije. Na potpuno isti način kao što iz Maxwelovih jednadžbi (u praznom prostoru, bez električnih naboja i električnih struja) proizlazi valna jednadžba za elektromagnetske valove, tako iz Einsteinovih jednadžbi polja (u praznom prostoru, bez ikakve materije) proizlazi valna jednadžba za gravitacijske valove. Sam Einstein je do nje došao već 1916. godine. I otkrio da se i gravitacijski valovi šire, pogađate već, brzinom svjetlosti.
Ti gravitacijski valovi su još bizarniji od elektromagnetskih. Ono što tu „titra” je samo prostorvrijeme. No, ti poremećaji su toliko sićušni da je Einstein zaključio da to ljudi nikad neće moći opaziti. Einstein naravno nije gledao James Bonda iz 1983. (Nikad ne reci nikad) pa je rekao nikad. A nije trebao reći. Naravno da ljudi jesu opazili gravitacijske valove. Najprije neizravno, još 1974. kroz promjenu perioda dvojnog sustava neutronskih zvijezda, za što su Hulse i Taylor dobili Nobelovu nagradu 1993. godine. A onda izravno, 2015. godine, za što su Rainer Weiss, Barry Barish i Kip Thorne dobili Nobelovu nagradu za fiziku 2017. godine.