— Published on 18/02/2020 / Bug.hr.
Opažanja jednog pulsara u dvojnom sustavu s brzorotirajućim bijelim patuljkom donose još jednu potvrdu bizarnog predviđanja opće teorije relativnosti poznatu kao frame dragging ili povlačenje sustava
Fizika opisuje promjene materije i energije u prostoru i vremenu. Promjenu položaja tijela, s obzirom na drugo tijelo, nazivamo gibanjem. Gibanje se odvija u vremenu i u prostoru.
U prethodne tri rečenice povezao sam pet osnovnih pojmova fizike: materiju, energiju, prostor, vrijeme i gibanje. Ostatak fizike svodi se na to da se uvedu neke fizičke veličine, koje možemo mjeriti, i da se uočene pravilnosti u svijetu izraze matematičkim povezivanjem fizičkih veličina. Uočene pravilnosti nazivamo teorijama, ponekad čak i zakonima, a matematičke odnose fizičkih veličina kolokvijalno nazivamo formulama. Na razini srednje škole fokus je na formulama (u zadnje vrijeme pomiče se prema koncepcijama, što je dobro). Matematički se opisuje uglavnom gibanje te donekle energija i materija. Prostor i vrijeme su tabu-teme. O njima se ne raspravlja.
One jako znatiželjne, koji se ipak usude pitati što su to prostor i vrijeme, čekaju odgovori: "To svi intuitivno znamo" ili "To su metafizička pitanja". Točno je to da svi mi neku intuiciju o prostoru i vremenu imamo. Točno je i to da se metafizika, jedno područje filozofije, bavi, između ostalog i pitanjima prostora i vremena. No, krivi je dojam da fizika o tim pitanjima nema što za reći. Itekako ima, samo je to i pojmovno i matematički daleko iznad razine srednje škole.
Prije Einsteina su svi fizičari prostor percipirali poput današnjih srednjoškolaca: kao veliku prazninu u kojoj se tijela mogu gibati. Ako ih ima. Ako tijela nema onda ta velika praznina svejedno postoji kao prazna pozornica koja čeka svoje glumce. To je njutnovska konepcija prostora. U modernoj fizici prostor nije tek velika praznina. Prostor je fizički entitet (neki element svijeta) koji ima neka svojstva. Primjerice, masa (i energija) deformira prostor (i vrijeme). To je, naravno, temeljna postavka opće teorije relativnosti, teorije koja je matematički vrlo zahtjevna ali je zato predivna. Jedan od udžbenika koji dajem svojim studentima kao literaturu iz kolegija Specijalna i opća teorija relativnosti počinje riječima: "General relativity is the most beautiful physical theory ever invented."
Prostor se ponaša kao elastični medij: dovedemo li masu na neko mjesto, prostor oko te mase se savije; odvedemo li masu s tog mjesta, prostor se natrag izravna. Ponovimo postupak. Dovedemo – savije se, odvedemo – izravna se. Dovedemo – savije se, odvedemo – izravna se. Dakle, dinamička situacija može uzrokovati titranje prostora. Titranje prostora koje se prenosi kroz prostor nazivamo gravitacijskim valom. A samo titranje je jedan posebni oblik gibanja. Znači sam prostor, točnije prostorvrijeme, može se gibati. I konačno, vrhunac bizarnosti: prostor se može gibati ne samo tako da titra, krene naprijed pa se vraća natrag, nego i tako da se giba samo u jednom smjeru. Boli vas glava? Napravite pauzu, jer tek sad dolazi prava fizika.
.
Zakrivljenost prostora i de Sitterova precesija
Zakrivljenost prostora iskazuje se kao gravitacijska sila. A svaka sila je uzrok promjene gibanja. Ne uzrok gibanja, nego uzrok promjene gibanja. Zato pažljivim mjerenjem promjena gibanja možemo posredno mjeriti stalnu ili promjenjivu zakrivljenost prostora. Jedna vrsta gibanja, čija se promjena može vrlo precizno mjeriti, je precesija. Ako na tijelo koje rotira djeluje vanjska sila onda i njegova os rotacije rotira. Tu rotaciju osi rotacije nazivamo precesijom. Taj je fenomen poznat i u klasičnoj fizici, primjerice kod rotacije zvrka.
Stavimo li zvrk u satelit koji orbitira oko Zemlje onda je njegova precesija dobar indikator učinaka opće teorije relativnosti. Mjerenjem precesije indirektno mjerimo relativističke efekte odnosno provjeravamo koliko se izmjereni pomak rotacijske osi slaže s pomakom koji je izračunat iz opće teorije relativnosti. Dominantni doprinos precesiji dolazi od same zakrivljenosti prostora zbog prisustva Zemlje. Taj doprinos nazivamo de Sitterova precesija.
.
Povlačenje sustava i Lense-Thirringova precesija
Za račun dominantnog doprinosa pretpostavljamo da Zemlja ne rotira. Naravno, Zemlja u stvarnosti rotira. Ali, fizika je umijeće aproksimacija. U prvoj aproksimaciji zanemarujemo rotaciju Zemlje oko vlastite osi. Ako nas zanima precizniji opis stvarnosti onda idemo dalje. Uključimo i rotaciju. To, naravno, jako komplicira proračune, što fizičare ne obeshrabruje nego ih, dapače, veseli.
I sad priča kulminira. Učinak rotacije Zemlje je takav kao da Zemlja za sobom vuče okolni prostor. Vučenje okolnog prostora od strane rotirajućeg objekta stručno se naziva povlačenjem sustava (eng. frame dragging). Dobru vizualizaciju tog fenomena daje grabilica za med koju uronite u med pa ju onda rotirate. Ako pažljivo gledate med oko grabilice koja rotira, možete zapaziti da okolni med prati gibanje grabilice. Što dalje to je učinak manji, što bliže to je učinak veći. Grabilica koja se vrti vuče okolni med za sobom. Slično, rotirajuća Zemlja za sobom vuče okolni prostor. Ali ne tako jako kao grabilica med. Za jedan puni okret oko vlastite osi Zemlji treba 24 sata. Da bi vučeni prostor napravio puni krug potrebno je šest milijuna godina.
Povlačenje sustava daje doprinos precesiji zvrka u satelitu. Taj doprinos precesiji puno je manji od dominantnog doprinosa, ali je ipak mjerljiv. Nazivamo ga Lense-Thirringova precesija. Satelitski eksperiment Gravity Probe B precizno je mjerio precesiju zvrkova u Zemljinoj orbiti i potvrdio relativistička predviđanja, i de Sitterovu i Lense-Thirringovu precesiju. Rezultati su bili objavljeni 2011. godine. Znanstvenici su bili zadovoljni. Kratko, doduše. I za njih vrijede stihovi Petra Predovića: "Ljudskom srcu uviek nešto treba / Zadovoljno nikad posve nije / Čim željenog cilja se dovreba / Opet iz njeg sto mu želja klije". Nova želja koja je ubrzo proklijala bila je ova: hajdemo mi taj učinak izmjeriti kod kompaktnijih objekata, bijelih patuljaka ili neutronskih zvijezda, koje za sobom vuku prostor puno jače nego Zemlja.
.
Nedavno objavljeni rezultati opažanja pulsara PSR J1141-6545
Naravno, postaviti satelit sa rotirajućim zvrkom u orbitu oko nekog bijelog patuljka danas nije izvedivo. Ali, nije ni nužno. Moguće je naći dvojni zvjezdani sustav koji već ima neku vrstu zvrka i to takvog zvrka koji je opaziv sa Zemlje. Govorim o pulsaru, brzorotirajućoj neutronskoj zvijezdi, središnjem ostatku eksplozije supernove. Kao što mu sam naziv govori, pulsar svoje zračenje emitira u pravilnim pulsevima i ti su pulsevi dobro mjerljivi sa Zemlje, recimo u radiopodručju. Usput, pulsacija postoji i u drugim područjima elektromagnetskog spektra. Teleskopi MAGIC, na kojima radim, otkrili su da pulsacija postoji i u području gama-zračenja vrlo visokih energija.
Nađen je zgodan dvojni sustav zvijezda kod kojeg je povlačenje sustava oko jednog brzorotirajućeg bijelog patuljka dominantan doprinos precesiji "prirodnog zvrka" (pulsara PSR J1141-6545). Precizno izmjerene promjene u periodu pulsacije slažu se s predviđanjima opće teorije relativnosti. Rezultati su nedavno objavljeni u časopisu Science. Tako je (lokalno) gibanje prostora u (okolnom) prostoru postalo dobro potvrđeni fenomen i dalo još jednu potvrdu tezi da je stvarnost puno čudesnija i divnija od najfantastičnijih nadnaravnih bajanja koje je čovjek ikad uspio smisliti.