Gravitační vlny
Dne 11. února 2016 oznámili fyzikové spolupracující na projektu LIGO/ úspěšnou detekci gravitačních vln. Sama detekce proběhla 14. září 2015 a téměř půlroční zpoždění oznámení této události mělo své důvody. Fyzikové si chtěli být skutečně jistí, že se podařilo to, oč se snažili přes 50 let, a to, co předpověděl před 100 lety německý fyzik Albert Einstein.
Vzhledem k dotazům od některých žáků SPŠST Panská jsem se rozhodl po domluvě s vedením školy uspořádat přednášku, ve které bych popsal cestu od předpovědi gravitačních vln v roce 1916, přes první vědecké potvrzení jejich existence v roce 1974 až po jejich první detekci přímo na Zemi. Přednáška, která začala ve 14:00 v učebně S6 a které se zúčastnilo přibližně 30 žáků prvních, druhých a třetích ročníků školy, byla inspirována přednáškou prof. Jiřího Podolského z ÚTF MFF UK Praha.
Během necelých dvou hodin trvání přednášky jsme prošli ve zkratce sto let, které dělí předpověď gravitačních vln a jejich první detekci na Zemi. Začali jsme stručným životopisem Alberta Einsteina, popsali vznik obecné teorie relativity a následnou Einsteinovu předpověď existence gravitačních vln. Tato část přednášky byla doprovázena experimenty, které názorně modelovaly Einsteinovu představu zakřiveného časoprostoru a pohybu hmotných těles v něm. Také vlastnosti gravitačních vln si mohli žáci postupně představit pomocí jednoduchých experimentů:
Tyto experimenty byly pouze modely skutečných vlastností gravitačních vln, ale i tak snad pomohly k tomu, aby si žáci vytvořili správnou představu o podstatě vlnění.
Pak následoval popis prvního detektoru gravitačních vln. Vzhledem k tomu, že byl založen na rezonanci hliníkového válce, přiblížili jsme si rezonanci pomocí hračky zavěšené na pružině. Také popis vlastností binárního pulsaru PSR B1913+16, pomocí kterého byla existence gravitačních vln prokázána, jsem se snažil přiblížit tak, aby žáci viděli, v jakých podmínkách měření probíhalo, jaké parametry pulsar má, … Princip interferometru, kterým se gravitační vlny podařilo skutečně detekovat, jsem přiblížil pomocí dětské stavebnice a ukázkou interference světla.
Následoval rozbor detektoru LIGO, ve kterém byly gravitační vlny detekovány, a popis jeho postupných vylepšení. Pak jsme rozebrali detekovaný graf závislosti amplitudy gravitační vlny na čase, vysvětlili jeho průběh a popsali fyzikálně splynutí dvou černých let před 1,2 miliardami let, během kterého byly detekované gravitační vlny generovány. Einsteinův vztah mezi hmotností a energií, který popisuje energii vyzářených gravitačních vln, jsem přiblížil výpočtem klidové energie čokolády. Žáci byli velmi překvapeni, jak málo energie dokážeme z těles v současné době využívat. Kdybychom mohli využít všechnu energii ze stogramové čokolády, vydrželo by to běžnému člověku řádově na 100000 let.
Závěr přednášky pak patřil vizi do budoucnosti, která se vlastně už částečně stala přítomností: sonda LISA PathFinder, která má zmapovat možnost výstavby obřího detektoru gravitačních vln ve vesmíru, totiž odstartovala v prosinci roku 2015 a v únoru 2016 začala pracovat na své oběžné trajektorii kolem Slunce.
Žáci včetně Ing. Novotného téměř dvouhodinovou přednášku vydrželi a potlesk na závěr svědčil o tom, že se jim snad i líbila.
Průběh přednášky a předvedené experimenty jsou zobrazeny na fotografiích.
Poděkování:
Zdroje:
Autor fotografií:
© Jaroslav Reichl, 16. 3. 2016