Άρθρο με αφορμή το Nobel Φυσικής του 2017: Οι βηματισμοί της Επιστήμης και η πορεία προς τον εντοπισμό των βαρυτικών κυμάτων

Από στις 4 Οκτωβρίου 2017

του Κωνσταντίνου Α. Ζώκου*

Αφιερωμένο στους μαθητές που πριν λίγο ξεκίνησαν την νέα περίοδο για την προσέγγιση της Γνώσης

Εισαγωγή

Οι αναγνώστες του περιοδικού πρέπει να ένιωσαν το βάρος της ιστορίας, εκείνη την ημέρα, όταν ξεκίνησαν να διαβάζουν:

«Στις 14 Σεπτεμβρίου 2015 στις 09:50:45 UTC οι δυο ανιχνευτές του Συμβολόμετρου Λέιζερ του Παρατηρητηρίου Βαρυτικών Κυμάτων (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ή σε συντομογραφία LIGO) ταυτόχρονα παρατήρησαν ένα παροδικό σήμα βαρυτικού κύματος. Το σήμα σαρώνει ανοδικά σε συχνότητα από 35 μέχρι 250 Hz με μια κορυφή έντασης βαρυτικού κύματος του 1.0×10^-21. Ταιριάζει την κυματομορφή (μικρή εικόνα) που προβλέφτηκε από τη γενική σχετικότητα για την ελικοειδή κίνηση και συγχώνευση ενός ζεύγους μελανών οπών και το σήμα της προκύπτουσας μονής μαύρης τρύπας

Είναι η αρχή της περίληψης που συνόδευε την δημοσιοποίηση της επαναστατικής ανακάλυψης του βαρυτικού κύματος, αλλά και της πιστοποίησης της ύπαρξης μελανών οπών, στο περοδικό Physical Review Letters, στο οποίο αποφασίστηκε να παρουσιαστούν τα ευρήματα της ιστορικής πλέον εργασίας. Η ιστορική ανακοίνωση έχει τίτλο «Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger» και υπογράφεται από την Επιστημονική Συνεργασία LIGO και τη Συνεργασία Virgo. Το κείμενο υποβλήθηκε στο περιοδικό στις 21 Ιανουαρίου 2016 και δημοσιεύθηκε στις 11 Φεβρουαρίου 2016.

Τα βήματα της επιστήμης και η πορεία μιας ανακάλυψης

Διαβάζοντας κάποιος/α την ανακοίνωση ίσως δεν σκέφτεται ότι πίσω από αυτή κρύβεται μια ολόκληρη διαδρομή την οποία πολλοί επιστήμονες και τεχνικοί περπάτησαν με κόπους, εντάσεις, απογοητεύσεις, αλλά και μικρές ενδιάμεσες χαρές, για να ακολουθήσουν και πάλι περίοδοι κοπιαστικών προσπαθειών μέχρι την τελική δικαίωση που ευτυχώς στην περίπτωση των συνεργασιών LIGO και Virgo ήλθε. Δυστυχώς στα σχολεία μας τα επιτεύγματα της επιστημονικής προσπάθειας παρουσιάζονται σαν κάτι έτοιμο και οι μαθητές δεν οδηγούνται – εκτός από φωτισμένες εξαιρέσεις δασκάλων – να αντιληφθούν όλες αυτές τις κοπιώδεις προσπάθειες. Για να παπαγαλίσουν τα επεξεργασμένα πλέον προϊόντα των προσπαθειών των επιστημόνων και να οδηγηθούν στις εξετάσεις.

Μπορούμε να παρακολουθήσουμε αυτή την κοπιαστική πορεία σε κάθε επίτευγμα της επιστήμης και φυσικά και στην περίπτωση του εντοπισμού των βαρυτικών κυμάτων, που είναι επίσης και η επιβεβαίωση της ύπαρξης μελανών οπών και φυσικά επιβεβαίωση της θεωρίας της Γενικής Σχετικότητας του Einstein. Όπως και κάθε άλλη προσπάθεια ξεκινάει από μια επιστημονική υπόθεση: Στην προκείμενη περίπτωση η υπόθεση διατυπώθηκε από τον Einstein το 1916, την επόμενη χρονιά από την τελική διαμόρφωση των εξισώσεων πεδίου της γενικής σχετικότητας. Η απόδοση της έννοιας «βαρύτητα» στην υφή του χωρόχρονου, που προκύπτει από την θέση για σταθερή ταχύτητα του φωτός, οδήγησε στη σκέψη ότι μια αλλαγή σε αυτή την υφή θα έπρεπε να διαδίδεται με τη μορφή πτυχώσεων της υφής που ονομάστηκαν βαρυτικά κύματα.

Κάθε επιστημονική υπόθεση υποβάλλεται στη βάσανο του ελέγχου από άλλους ανεξάρτητους επιστήμονες. Είναι ένα από τα βήματα της επιστήμης που πιστοποιεί την αντικειμενικότητά της. Μέσω του ελέγχου, πολλές φορές σκληρού και ίσως και κακόβουλου, διαμορφώνονται συνθήκες επιβεβαίωσης, διόρθωσης, αλλά και απόρριψης της επιστημονικής υπόθεσης. Το σημαντικότερο όμως είναι ότι μέσω αυτής της διαδικασίας κατανοείται καλύτερα ένα φαινόμενο και ενισχύεται μια υπάρχουσα γνώση. Στην περίπτωση των βαρυτικών κυμάτων η αναζήτησή τους άργησε κάπως.

Ήταν το 1969, όταν ο φυσικός Joseph Weber, στο Πανεπιστήμιο του Maryland, κατασκευάζει δυο συσκευές – τις ράβδους του Weber – για τον εντοπισμό των βαρυτικών κυμάτων. Κάθε συσκευή συνίστατο από πολλαπλούς κυλίνδρους αλουμινίου με μήκος 2 μέτρα και διάμετρο 1 μέτρο. Αυτές οι κεραίες για την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων τοποθετήθηκαν σε διαφορετικές τοποθεσίες στις ΗΠΑ. Οι συσκευές ανίχνευσαν κύματα, αλλά ο Weber δεν μπόρεσε να προσδιορίσει την πηγή.

Το 1970 ο ίδιος δείχνει ότι τα κύματα που ανίχνευσε πέρασαν από το κέντρο του γαλαξία – ένας δείκτης κλειδί για βαρυτικά κύματα. Ωστόσο το 1973 ερευνητές εγείρουν ενστάσεις και εκδηλώνουν αμφιβολίες για τα μετρούμενα αποτελέσματα, όταν δεν μπόρεσαν να επαναλάβουν τα ευρήματά του. Το 1987 ο Weber διατυπώνει την άποψη ότι τα πειράματά του τον οδήγησαν στον εντοπισμό βαρυτικών κυμάτων από τον υπερκαινοφανή SN1987A, αλλά δέχεται κριτική που εστιάζεται στην ανάλυση δεδομένων που κάνει και στους ατελείς προσδιορισμούς που σχετίζονταν με την ένταση της δόνησης που θα μπορούσε να δείχνει ένα διερχόμενο βαρυτικό κύμα.

Εν τω μεταξύ οι επιστήμονες ανακαλύπτουν, το 1978, επιπλέον στοιχεία βαρυτικών κυμάτων μελετώντας τις τροχιές δυο αντικειμένων στον αστερισμό του Αετού. Μετά από τέσσερα χρόνια, ήταν σε θέση να μετρήσουν μια αλλαγή που ταίριαζε με τους υπολογισμούς του Einstein, για το πώς οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους θα μπορούσαν να επηρεαστούν από ένα δεδομένο βαρυτικό κύμα. «Δεν δηλώνουμε ότι έχουμε ανιχνεύσει τα ίδια τα βαρυτικά κύματα», είπε ένας από τους επιστήμονες του project, «αλλά απλά έχουμε αποδείξει ότι υπάρχουν». Το 1990 αρχίζει η κατασκευή του LIGO που θα ολοκληρώσει την ιστορία.

Πιο κοντά στις ημέρες μας οι Επιστημονικές Συνεργασίες LIGO (ΗΠΑ) και Virgo (Ιταλία) με διαφορετικούς ανιχνευτές σε μακρινές μεταξύ τους αποστάσεις, που είναι ο καλύτερος τρόπος για να αποκλειστούν τα λάθος σήματα, συγχρόνισαν τις έρευνές τους με το χρόνο άφιξης των ακτίνων-γ από εκρήξεις (γνωστές ως GRBs) ή εκρήξεις ραδιοσημάτων που συνδέονται με αστρονομικά γεγονότα που θεωρείται ότι απελευθερώνουν βαρυτικά κύματα.

Αλλά και μια άλλη Επιστημονική Συνεργασία με τη σειρά πειραμάτων BICEP (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization), με τα τηλεσκόπιά της στον Νότιο Πόλο, μετράει την πόλωση της Κοσμικής Μικροκυματικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου με πάρα πολύ μεγάλη ακρίβεια, για να δώσει απαντήσεις σε κρίσιμα ερωτήματα σχετικά με τις αρχές του σύμπαντος. Η επιστημονική υπόθεση που ελέγχεται με τη σειρά αυτών των πειραμάτων είναι ότι το Κοσμικό Βαρυτικό Κύμα Υποβάθρου, το βαρυτικό κύμα που υποτίθεται ότι είχε παραχθεί κατά τη διάρκεια του Κοσμικού Πληθωρισμού στην πολύ αρχή του σύμπαντος, θα αφήσει ένα ασθενές αλλά μοναδικό αποτύπωμα στο μοτίβο της πόλωσης της Κοσμικής Μικροκυματικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου. Αυτό αφενός θα αποκαλύψει τον Κοσμικό Πληθωρισμό, αφετέρου δε, θα ανιχνεύσει το Βαρυτικό Κύμα.

Ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά της Επιστήμης είναι η ακρίβεια των μετρήσεων και η σαφήνεια των διατυπώσεων. Για το λόγο αυτό οι επιστήμονες είναι ιδιαίτερα προσεκτικοί τόσο στην εργασία τους, όσο και στη διατύπωση και διανομή των ευρημάτων της έρευνάς τους. Στην περίπτωση των συνεργασιών LIGO και Virgo, οι ερευνητές υπήρξαν σχολαστικά προσεκτικοί. Αυτό συμβαίνει επειδή πολλές φορές κάποια ευρήματα αν δεν πιστοποιηθούν από ανεξάρτητες έρευνες είναι πολύ παρακινδυνευμένο να ανακοινωθούν. Ίσως να μην ισχύουν τελικά και φυσικά να χρειαστεί να υπάρξει υπαναχώρηση και απόσυρση της ανακοίνωσης. Είναι και αυτά στο πλαίσιο του αγώνα και αντικατοπτρίζουν τις αγωνίες των επιστημόνων, οι οποίοι θέλουν να προλάβουν την πιθανότητα ανακοίνωσης για το θέμα με το οποίο ασχολούνται από ανταγωνιστικές επιστημονικές ομάδες.

Στην περίπτωση των βαρυτικών κυμάτων κάτι τέτοιο συνέβη με την συνεργασία που εργάζονταν στα πειράματα BICEP (1, 2 και τώρα 3): Το 2014, ανακοινώθηκε ότι από το εξειδικευμένο τηλεσκόπιο BICEP στην Ανταρκτική καταγράφηκαν σήματα που θεωρήθηκε ότι ανίχνευαν τις ρυτιδώσεις του χωροχρόνου, τα βαρυτικά κύματα, και μάλιστα αυτά που εμφανίστηκαν αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, την περίοδο του Κοσμικού Πληθωρισμού. Ωστόσο, τα αποτελέσματα δεν υποβλήθηκαν για έλεγχο και αναρτήθηκαν μόνο στον ιστότοπο προδημοσιεύσεων arXiv του Πανεπιστημίου του Cornell, ενώ αναμένονταν η αξιολόγηση των ευρημάτων από τα στοιχεία του νέου χάρτη της ακτινοβολίας CBM από το ευρωπαϊκό διαστημικό τηλεσκόπιο Planck και το πείραμα Polarbear στη Χιλή.

Παρόλο που «η ομάδα [των ερευνητών] φαίνεται πολύ αξιόπιστη και αυτό που είδαν φαίνεται σαφές», όπως σχολίασε στο New Scientist ο κορυφαίος φυσικός του MIT Alan Guth, του οποίου η ομάδα πρότεινε τη θεωρία του πληθωρισμού τη δεκαετία του 1980, εν τούτοις οι αμφιβολίες της διεθνούς επιστημονικής κοινότητας για την ορθότητα της ανακοίνωσης, οι οποίες συσσωρεύονταν συνεχώς, επιβεβαιώθηκαν. Επίσημα πλέον, μετά την συγκριτική ανάλυση παρόμοιων στοιχείων από τον ευρωπαϊκό δορυφόρο Planck και την έκδοση της σχετικής ανακοίνωσης από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος (ESA). Το συμπέρασμα των ερευνητών του «Planck » ήταν ότι τα βαρυτικά κύματα, δηλαδή οι αρχικοί κυματισμοί στον χωρόχρονο μετά την απότομη «πληθωριστική» διόγκωση του σύμπαντος πριν από περίπου 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια, δεν είχαν ακόμη εντοπιστεί.

Αγωνία μέχρι την τελευταία στιγμή

Έτσι προχωράει η Επιστήμη. Με αγώνες και αγωνίες, με σκληρή εργασία και θυσίες, με τον κίνδυνο της μη επιβεβαίωσης των ευρημάτων και της πλέον επίπονης δουλειάς να παραμονεύει κάθε στιγμή. Αυτό ακριβώς το γνωρίζουν οι επιστήμονες και η γνώση αυτή τους οδηγεί να είναι ταπεινοί και προσεκτικοί στις ανακοινώσεις τους. Η προσοχή τους είναι στραμμένη τόσο στον διαρκή έλεγχο και επιβεβαίωση ενός ευρήματος – και για αυτό ανεξάρτητα εργαστήρια επαναλαμβάνουν τις μετρήσεις – όσο και για ένα άλλο λόγο: Ακόμη και αν είναι σίγουροι – οι ερευνητές – για το εύρημά τους, υπάρχει ο κίνδυνος να προλάβει την ανακοίνωσή τους κάποιο άλλο εργαστήριο που πραγματοποιούσε παρόμοια έρευνα και τότε …

Οπότε, τα βήματα για την ανακοίνωση είναι προσεκτικά και οι συζητήσεις γίνονται με λίγα άτομα της απολύτου εμπιστοσύνης της ερευνητικής ομάδας. Κάτι τέτοιο συνέβη και στην περίπτωση της ανακοίνωσης της επιτυχίας των συνεργασιών LIGO και Virgo για τον εντοπισμό των βαρυτικών κυμάτων και κατά συνέπεια για την επιβεβαίωση της ύπαρξης μελανών οπών και της θεωρίας του Einstein.

Όταν οι επιστήμονες κάνουν μια ανακάλυψη πρέπει να επιλέξουν πώς θα την κοινοποιήσουν. Μια μεγάλη απόφαση που πρέπει να πάρουν είναι αν θα αποκαλύψουν τα αποτελέσματα πριν ή μετά την υποβολή της εργασίας για κρίση. Οι συνεργάτες του LIGO επέλεξαν να περιμένουν. Μόλις πριν αρχίσουν, τον Σεπτέμβριο του 2015, οι διαδικασίες των μετρήσεων, η ομάδα ψήφισε σε ποιο περιοδικό θα δημοσιεύσουν αν θα κάνουν κάποια ανακάλυψη. Επέλεξαν το Physical Review Letters (PRL). Πέντε ημέρες μετά την επιλογή, οι ανιχνευτές του LIGO έμοιαζε να ακούν το σύμπαν να φωνάζει για πρώτη φορά.

Στις αρχές του Δεκεμβρίου η συνεργασία ήταν πεπεισμένη ότι τα αποτελέσματα ήταν πραγματικά και η εκπρόσωπός της ειδοποίησε ότι η εργασία θα έφθανε στο περιοδικό από τα μέσα μέχρι το τέλος Ιανουαρίου. Ο μόνος που επικοινωνούσε μαζί της για το θέμα αυτό ήταν ο εκδότης και όλα γινόταν με απόλυτη μυστικότητα. Έτσι για την αναφορά στην μελέτη από τον εκδότη και τον συν-εκδότη, που στο μεταξύ μυήθηκε στη νέα γνώση, χρησιμοποιούνταν ο όρος «Big Paper», ώστε να μη ξεφύγει καμιά, έστω και κατά λάθος, πληροφορία. Για τον ίδιο λόγο στην ομάδα του LIGO η ανακάλυψη αναφερόταν ως «Το Γεγονός». Η μελέτη έφθασε 21 Ιανουαρίου στο περιοδικό και με πλήρη μυστικότητα δόθηκε για κρίση.

Εν τω μεταξύ όσο πλησίαζε η ώρα για την ανακοίνωση άρχισαν να ακούγονται ψίθυροι – φήμες ότι κάτι γίνεται στην περιοχή των βαρυτικών κυμάτων. Κάποιες από αυτές έφθασαν και στην Ελλάδα σε όσους/ες ασχολούμασταν με διάφορους τρόπους με το ζήτημα. Η συμφωνία που υπήρχε ήταν η μελέτη να δημοσιευθεί online 11 Φεβρουαρίου στις 10:45 π.μ. ανατολική ώρα ΗΠΑ, 15 λεπτά μετά από την έναρξη των συνέντευξης τύπου. Τελικά δημοσιεύθηκε 10:30, μετά από συνεννόηση του εκδότη και της υπευθύνου τύπου της συνεργασίας LIGO, αφού έτσι και αλλιώς το εμπάργκο στην πληροφόρηση θα έληγε τότε και η είδηση θα γινόταν γνωστή.

Με την ανακοίνωση και με την δημοσίευση η είδηση απλώθηκε πλέον Urbi et Orbi. Η ζήτηση της μελέτης ήταν τόσο μεγάλη που το site του περιοδικού «έπεσε» κάτω από ένα φορτίο 10 000 κτυπημάτων το λεπτό. Μετά την προσθήκη ενός πλήθους σέρβερ το site επανήλθε για να εξυπηρετήσει τα εκατομμύρια αιτήματα για την εργασία. Οι ερευνητές του LIGO επέλεξαν να διατηρήσουν την εμπιστευτικότητα επειδή θέλησαν να αποτελέσματά τους να ελεγχθούν προσεκτικά πριν φθάσουν στο κοινό. Ήθελαν επίσης η πληροφορία να έλθει από αυτούς και όχι από φήμες. Παρόλο που κάποιες πληροφορίες διέρρευσαν πριν από την ανακοίνωση, αυτό δεν επηρέασε καθόλου τη επιτυχία της πλήρους παρουσίασης των στοιχείων στον κόσμο από τους ερευνητές του LIGO. Την παρουσίαση μιας σημαντικής κατάκτησης της ανθρωπότητας, η οποία θα επιβραβευθεί με το Nobel Φυσικής του 2017!

Η επιστήμη ακολουθώντας τα βήματα τα οποία έμαθε κατά τη διάρκεια της εξέλιξης της Ανθρωπότητας να βαδίζει, έδωσε μια ευκαιρία στον κόσμο να γίνει σοφότερος. Το θέμα βέβαια είναι με ποιο τρόπο θα λειτουργήσει αυτός.

*Φυσικός, Δάσκαλος Φυσικής, Επιστημονικός Υπεύθυνος του Επιστημονικού Ιστότοπου egno.gr

Κωνσταντίνος Ζώκος

Κωνσταντίνος Ζώκος

Φυσικός, Δάσκαλος Φυσικής