Τα βαρυτικά κύματα είναι διαδιδόμενες με την ταχύτητα του φωτός διαταραχές του χωρόχρονου προβλεπόμενες από τη γενική θεωρία της σχετικότητας (Einstein, 1915), η οποία αποδίδει τη βαρύτητα στην παραμόρφωση του χωρόχρονου λόγω της ύπαρξης μαζών.
Ένα βαρυτικό κύμα αν γινόταν αντιληπτό από τις αισθήσεις μας θα έμοιαζε με «κυματισμό» του τρισδιάστατου χώρου: Το είδωλο του τοπίου πάνω στην ήρεμη επιφάνεια μιας λίμνης όταν ρίξουμε ένα βότσαλο ή ορισμένες σκηνές της ταινίας Matrix (1999) ίσως προσεγγίζουν την εμπειρία που θα ζούσαμε.
Πηγές βαρυτικών κυμάτων είναι επιταχυνόμενες μάζες, όπως ακριβώς πηγές ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων (ραδιοκύματα, φως, ραδιενέργεια) μπορούν να είναι επιταχυνόμενα φορτία.
Κατ’ αναλογία με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (δηλαδή τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα) μπορούμε λοιπόν μιλάμε για την «βαρυτική ακτινοβολία».
Επειδή όμως η βαρύτητα είναι υπερβολικά ασθενής δύναμη και ο χωρόχρονος εξαιρετικά «δύσκαμπτο» μέσο διάδοσης, πηγές αξιόλογων βαρυτικών κυμάτων μπορούν να είναι μόνο τρομακτικά πυκνές συγκεντρώσεις μάζας που επιταχύνονται κοντά στην ταχύτητα του φωτός.
Αστροφυσικές διεργασίες που θα μπορούσαν να οδηγήσουν στην έκλυση βαρυτικής ακτινοβολίας είναι η συγχώνευση μελανών οπών ή αστέρων νετρονίων και οι υπερκαινοφανείς (δηλαδή η έκρηξη κατά την βαρυτική κατάρρευση ενός αστέρα που εξάντλησε τα πυρηνικά καύσιμά του).
Ο πρώτος αστέρας νετρονίων παρατηρήθηκε μόλις το 1967 ενώ οι μελανές οπές από τη φύση τους δεν μπορούν να παρατηρηθούν παρά μόνο έμμεσα, από τα αποτελέσματα του ισχυρού βαρυτικού τους πεδίου σε μάζες που βρίσκονται κοντά (ο Κύκνος Χ-1 που παρατηρήθηκε το 1964 είναι ζεύγος ενός ορατού αστέρα που στρέφεται γύρω από ένα αόρατο «κάτι» που θεωρείται πλέον πως είναι μια μελανή οπή). Η συγκεκριμένη χρονική περίοδος σχεδόν συμπίπτει με το ανανεωμένο θεωρητικό ενδιαφέρον για τη γενική σχετικότητα που θα οδηγούσε στις αρχές της δεκαετίας του ’70 στα επαναστατικά ερευνητικά αποτελέσματα νέων τότε διδακτορικών φοιτητών της ομάδας του John Archibald Wheeler στο Πρίνστον και του Denis Sciama στο Κέημπριτζ, όπως οι Jacob Beckenstein, Δημήτριος Χριστοδούλου, Stephen Hawking, John Ellis και Roger Penrose.
Η κοσμολογία του πρώιμου (και μη) σύμπαντος μέσω του προτύπου της μεγάλης έκρηξης ήταν ο καρπός της πρώτης απόπειρας ενοποίησης της γενικής σχετικότητας με το γοργά αναπτυσσόμενο την ίδια εποχή «καθιερωμένο πρότυπο» της σωματιδιακής φυσικής.
Τα εντυπωσιακά αυτά αποτελέσματα διασφάλισαν την κεντρική θέση της γενικής θεωρίας της σχετικότητας στη φυσική πολύ περισσότερο από την παρατήρηση της καμπύλωσης του φωτός κατά την έκλειψη του 1919 ή τη σωστή πρόβλεψη για τη μετάπτωση του περιηλίου του Ερμή.
Θα μπορούσε να ισχυριστεί κανείς ότι η γενική σχετικότητα έπαψε πλέον να είναι μπροστά απ’ την εποχή της τη δεκαετία του ’70.
Μετά από τόσες επιτυχίες φαινόταν ότι η ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων έπρεπε να ληφθεί σοβαρά υπόψη.
Η άμεση ανίχνευσή τους ερχόταν ωστόσο αντιμέτωπη με σημαντικά τεχνικά προβλήματα, κυριότερο απ’ τα οποία ήταν η μέτρηση αποστάσεων πολύ μικρότερων από τη διάμετρο ενός ατομικού πυρήνα.
Πράγματι, το πλάτος ταλάντωσης των βαρυτικών κυμάτων φθίνει με ρυθμό 1/r όσο απομακρυνόμαστε από την πηγή που τα εξέπεμψε.
Εφόσον η βαρυτική ακτινοβολία κατά πάσα πιθανότητα θα προέρχεται από αστρονομικά μακρινές πηγές, το πλάτος ταλάντωσης σε μας θα έχει καταλήξει εξαιρετικά μικρό.
(Το πλάτος του βαρυτικού κύματος που τελικά ανιχνεύθηκε ήταν 1/10000 της διαμέτρου του πρωτονίου.)
Η τεχνική δυσκολία δεν έγκειται απλώς στη μέτρηση τόσο απειροελάχιστων μηκών καθεαυτών αλλά και στο ότι πρέπει να βρούμε τρόπο να κρατούμε ακίνητο με ακόμα καλύτερη ακρίβεια τον «χάρακα» που θα εφεύρουμε, αφού σε αντίθετη περίπτωση ο «θόρυβος» των μετρήσεων δεν θα επέτρεπε να ξεχωρίσουμε το βαρυτικό κύμα.
Μια πιο προσιτή αλλά έμμεση μέθοδος ανίχνευσης χρησιμοποιήθηκε από τους Russel Hulse και Joseph Taylor μετά την ανακάλυψη από τους ίδιους ενός ζεύγους αστέρων νετρονίων το 1974.
Η περιστροφή του ενός αστέρα νετρονίων γύρω από τον άλλο είναι ένα παράδειγμα επιταχυνόμενης κίνησης πολύ πυκνών μαζών οπότε σύμφωνα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας θα πρέπει να εκλύεται βαρυτική ακτινοβολία. Τούτο όμως σημαίνει ότι το ζεύγος χάνει ενέργεια με αποτέλεσμα η απόσταση μεταξύ των αστέρων του να μειώνεται και η περίοδος περιστροφής τους να αυξάνεται με τρόπο που είναι μετρήσιμος πειραματικά και συγκρίσιμος με την πρόβλεψη της γενικής σχετικότητας.
Η συμφωνία μεταξύ θεωρίας και πειράματος είναι πράγματι εντυπωσιακή και αναγνωρίστηκε το 1993 με την απονομή του Νόμπελ φυσικής στους δύο ερευνητές «για τις νέες δυνατότητες που διάνοιξαν στη μελέτη της βαρύτητας».
Η ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων δεν αμφισβητούνταν πλέον και οι προσπάθειες άμεσης ανίχνευσής τους έλαβαν νέα ώθηση στις αρχές του 21ου αιώνα με την έναρξη των ερευνητικών προγραμμάτων LIGO (ΗΠΑ), Virgo (Ιταλία, Γαλλία) και GEO600 (Γερμανία).
Ο «χάρακας» που χρησιμοποιούν όλα τα παραπάνω ερευνητικά προγράμματα για να μετρήσουν τα φευγαλέα, οφειλόμενα σε βαρυτικά κύματα «πυκνώματα» και «αραιώματα» του χωρόχρονου δεν είναι παρά ένα συμβολόμετρο, όπως αυτό που χρησιμοποίησαν οι Michelson και Morley το 1887 στο περίφημο πείραμά τους προκειμένου να ανιχνεύσουν τον «αιθέρα», το υποθετικό μέσο στο οποίο οι φυσικοί εκείνης της εποχής πίστευαν ότι έπρεπε να διαδίδονται τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα.
Αν όμως τα βαρυτικά κύματα παραμορφώνουν τα μήκη στον χωρόχρονο δεν θα έπρεπε να παραμορφώνουν εξίσου τον χάρακά μας ώστε τελικά οι μετρήσεις μήκους να μην δείχνουν καμμιά μεταβολή; Πώς είναι τότε καταρχήν δυνατή η ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων;
Η απάντηση στο παραπάνω ερώτημα διασαφηνίζει την κεντρική ιδέα της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας (Einstein, 1905) και τον τρόπο λειτουργίας ενός συμβολομέτρου.
Η μέθοδος μέτρησης μήκους στην οποία βασίζεται το συμβολόμετρο είναι η μέτρηση του χρόνου που χρειάζεται το φως για να διανύσει την απόσταση από το Α (πηγή) στο Β (καθρέπτης) και πάλι στο Α.
Με ανάλογη μέθοδο εκτιμούμε την απόσταση ενός κεραυνού μετρώντας το χρονικό διάστημα που μεσολαβεί από την αστραπή μέχρι τη βροντή.
Η μέθοδος θα δίνει σωστά αποτελέσματα αν ο ήχος ή το φως κινούνται ευθύγραμμα και με σταθερή ταχύτητα. Επιπλέον, η πηγή και ο καθρέπτης θα πρέπει είτε να ακινητούν είτε, αν κινούνται, η κίνησή τους να είναι γνωστή.
Σύμφωνα με την ειδική θεωρία της σχετικότητας, όμως, η ταχύτητα του φωτός είναι αναλλοίωτη παγκόσμια σταθερά. Δηλαδή αν μεταβληθεί το μήκος ΑΒ του συμβολομέτρου (λόγω ενός βαρυτικού κύματος για παράδειγμα) το φως θα χρειαστεί λιγότερο ή περισσότερο χρόνο να το διανύσει επειδή κινείται πάντοτε με την ίδια ταχύτητα.
Είναι ενδιαφέρον να σημειώσουμε ότι οι Michelson και Morley πίστευαν ότι το μήκος ΑΒ θα παρέμενε «προφανώς» αναλλοίωτο και επεδίωκαν να μετρήσουν αλλαγές στην ταχύτητα του φωτός καθώς κινούνταν μέσα στον αιθέρα (όταν για παράδειγμα άλλαζε ο προσανατολισμός του συμβολομέτρου).
Πόσο εντυπωσιακή είναι λοιπόν η εξέλιξη των ιδεών αλλά και της τεχνικής!
Πριν από εκατό και πλέον χρόνια θεωρώντας δεδομένη και αναλλοίωτη τη γεωμετρία του χώρου και του χρόνου δύο φυσικοί εφευρίσκοντας το συμβολόμετρο προσπάθησαν να ανιχνεύσουν το μέσο διάδοσης των πρόσφατα ανακαλυφθέντων ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων μέσω των μεταβολών που θα προκαλούσε στην ταχύτητα του φωτός. Διαπίστωσαν ότι η ταχύτητα του φωτός δεν μεταβαλλόταν και ένα τέτοιο μέσο διάδοσης δεν υπήρχε.
Πριν από ένα μήνα θεωρώντας δεδομένη και αναλλοίωτη την ταχύτητα του φωτός εκατοντάδες φυσικοί χρησιμοποιώντας συμβολόμετρα στη σύγχρονη εκδοχή τους προσπάθησαν να ανιχνεύσουν τις μεταβολές στη γεωμετρία του χώρου και του χρόνου που θα προκαλούσε η διάδοση βαρυτικών κυμάτων. Και τα κατάφεραν.
Αυτή η τόσο ανατρεπτική αλλαγή στις αντιλήψεις περί προφανούς και δεδομένου οφείλεται εν πολλοίς στην ενόραση ενός μόνο ανθρώπου, του Αλβέρτου Αϊνστάιν, και δίνει μια γεύση της σημασίας του έργου του το οποίο, όπως δυστυχώς συχνά συμβαίνει, δεν επικράτησε χωρίς διαμάχες και ad hominem λίβελλους μακριά από κάθε έννοια καλοπροαίρετης επιστημονικής κριτικής.
