عثر علماء الفلك الذين يدرسون موجات الجاذبية على منجم للذهب. الإحساس: تم اكتشاف موجات الجاذبية من النجوم النيوترونية لأول مرة في الكون

ولا تزال موجات الجاذبية، التي تنبأ بها أينشتاين نظريًا في عام 1917، تنتظر مكتشفها.

أليكسي ليفين

في نهاية عام 1969، أدلى أستاذ الفيزياء بجامعة ميريلاند جوزيف ويبر ببيان مثير. وأعلن أنه اكتشف موجات الجاذبية القادمة إلى الأرض من أعماق الفضاء. حتى ذلك الوقت، لم يقدم أي عالم مثل هذه الادعاءات، وكانت إمكانية اكتشاف مثل هذه الموجات بعيدة كل البعد عن الوضوح. ومع ذلك، كان فيبر معروفًا بأنه مرجع في مجاله، ولذلك أخذ زملاؤه رسالته على محمل الجد.

ومع ذلك، سرعان ما ظهرت خيبة الأمل. كانت اتساع الموجات التي يُزعم أن فيبر سجلها أعلى بملايين المرات من القيمة النظرية. جادل فيبر بأن هذه الموجات جاءت من مركز مجرتنا، التي تحجبها سحب الغبار، والتي لم يكن معروفًا عنها سوى القليل في ذلك الوقت. وقد اقترح علماء الفيزياء الفلكية أن هناك ثقبًا أسودًا عملاقًا يختبئ هناك، يلتهم سنويًا آلاف النجوم ويطرح جزءًا من الطاقة الممتصة على شكل إشعاعات جاذبية، وبدأ علماء الفلك بحثًا عقيمًا عن آثار أكثر وضوحًا لهذا أكل لحوم البشر الكوني (وقد لقد ثبت الآن أن هناك بالفعل ثقبًا أسود، لكنه يتصرف بشكل لائق تمامًا). بدأ فيزيائيون من الولايات المتحدة الأمريكية والاتحاد السوفييتي وفرنسا وألمانيا وإنجلترا وإيطاليا تجارب على أجهزة كشف من نفس النوع - ولم يحققوا شيئًا.

لا يزال العلماء لا يعرفون ما الذي يعزوه إلى القراءات الغريبة من أدوات فيبر. ومع ذلك، فإن جهوده لم تذهب سدى، على الرغم من أنه لم يتم اكتشاف موجات الجاذبية بعد. وقد تم بالفعل بناء أو يجري بناء العديد من المنشآت للبحث عنها، وفي غضون عشر سنوات سيتم إطلاق أجهزة الكشف هذه إلى الفضاء. ومن الممكن تمامًا أنه في المستقبل غير البعيد، سيصبح إشعاع الجاذبية حقيقة فيزيائية يمكن ملاحظتها مثل التذبذبات الكهرومغناطيسية. لسوء الحظ، لن يعرف جوزيف ويبر ذلك بعد الآن - فقد توفي في سبتمبر 2000.

ما هي موجات الجاذبية

كثيرا ما يقال أن موجات الجاذبية هي اضطرابات في مجال الجاذبية المنتشرة في الفضاء. وهذا التعريف صحيح ولكنه غير كامل. وفقا للنظرية النسبية العامة، تنشأ الجاذبية بسبب انحناء استمرارية الزمكان. موجات الجاذبية هي تقلبات في مقياس الزمكان، والتي تظهر نفسها كتقلبات في مجال الجاذبية، لذلك غالبًا ما تسمى مجازيًا تموجات الزمكان. تم التنبؤ بموجات الجاذبية نظريًا في عام 1917 من قبل ألبرت أينشتاين. لا أحد يشك في وجودها، لكن موجات الجاذبية لا تزال تنتظر مكتشفها.

مصدر موجات الجاذبية هو أي حركة للأجسام المادية تؤدي إلى تغير غير منتظم في قوة الجاذبية في الفضاء المحيط بها. الجسم الذي يتحرك بسرعة ثابتة لا يشع أي شيء، لأن طبيعة مجال جاذبيته لا تتغير. لإصدار موجات الجاذبية، من الضروري التسارع، ولكن ليس مجرد أي تسارع. إن الأسطوانة التي تدور حول محور تناظرها تشهد تسارعًا، لكن مجال جاذبيتها يظل منتظمًا ولا تنشأ موجات الجاذبية. لكن إذا قمت بتدوير هذه الأسطوانة حول محور مختلف، فسيبدأ المجال في التذبذب وستندفع موجات الجاذبية من الأسطوانة في كل الاتجاهات.

ينطبق هذا الاستنتاج على أي جسم (أو نظام أجسام) غير متماثل حول محور الدوران (في مثل هذه الحالات يقال إن الجسم لديه عزم رباعي الأقطاب). إن النظام الكتلي الذي تتغير عزمته الرباعية مع مرور الوقت يصدر دائمًا موجات جاذبية.

منارات الجاذبية في الفضاء

إشعاع الجاذبية من المصادر الأرضية ضعيف للغاية. عمود فولاذي يزن 10000 طن، معلق من المركز في مستوى أفقي ويدور حول محور رأسي يصل إلى 600 دورة في الدقيقة، ويصدر قوة تبلغ حوالي 10 -24 واط. ولذلك فإن الأمل الوحيد في اكتشاف موجات الجاذبية هو العثور على مصدر كوني لإشعاع الجاذبية.

في هذا الصدد، تعد النجوم المزدوجة القريبة واعدة للغاية. والسبب بسيط: إن قوة إشعاع الجاذبية لمثل هذا النظام تنمو بشكل عكسي مع القوة الخامسة لقطره. ومن الأفضل أن تكون مسارات النجوم طويلة جدًا، لأن هذا يزيد من معدل تغير العزم الرباعي. إنه لأمر جيد جدًا أن يتكون النظام الثنائي من نجوم نيوترونية أو ثقوب سوداء. تشبه هذه الأنظمة منارات الجاذبية في الفضاء - إشعاعها دوري.

هناك أيضًا مصادر "نبضية" في الفضاء تولد رشقات جاذبية قصيرة ولكنها قوية للغاية. يحدث هذا عندما ينهار نجم ضخم قبل انفجار سوبر نوفا. ومع ذلك، يجب أن يكون تشوه النجم غير متماثل، وإلا فلن يحدث الإشعاع. أثناء الانهيار، يمكن لموجات الجاذبية أن تحمل ما يصل إلى 10٪ من إجمالي طاقة النجم! تبلغ قوة إشعاع الجاذبية في هذه الحالة حوالي 1050 واط. يتم إطلاق المزيد من الطاقة أثناء اندماج النجوم النيوترونية، وهنا تصل طاقة الذروة إلى 1052 واط. مصدر ممتاز للإشعاع هو اصطدام الثقوب السوداء: يمكن أن تتجاوز كتلتها كتلة النجوم النيوترونية بمليارات المرات.

مصدر آخر لموجات الجاذبية هو التضخم الكوني. مباشرة بعد الانفجار الكبير، بدأ الكون في التوسع بسرعة كبيرة، وفي أقل من 10 -34 ثانية زاد قطره من 10 -33 سم إلى حجمه العياني. وقد عززت هذه العملية بشكل لا يقاس موجات الجاذبية التي كانت موجودة قبل أن تبدأ، وما زالت سلالاتها موجودة حتى يومنا هذا.

تأكيدات غير مباشرة

أول دليل على وجود موجات الجاذبية يأتي من عمل عالم الفلك الراديوي الأمريكي جوزيف تايلور وتلميذه راسل هولس. وفي عام 1974، اكتشفوا زوجًا من النجوم النيوترونية يدوران حول بعضهما البعض (نجم نابض ينبعث من الراديو مع رفيق صامت). يدور النجم النابض حول محوره بسرعة زاوية ثابتة (وهذا ليس هو الحال دائمًا)، وبالتالي فهو بمثابة ساعة دقيقة للغاية. أتاحت هذه الميزة قياس كتلتي النجمين وتحديد طبيعة حركتهما المدارية. وتبين أن الفترة المدارية لهذا النظام الثنائي (حوالي 3 ساعات و45 دقيقة) تنخفض بمقدار 70 ميكروثانية سنويًا. وتتفق هذه القيمة جيدًا مع حلول معادلات النظرية النسبية العامة، التي تصف فقدان طاقة زوج نجمي بسبب إشعاع الجاذبية (إلا أن اصطدام هذه النجوم لن يحدث قريبًا، بعد 300 مليون سنة). وفي عام 1993، حصل تايلور وهولس على جائزة نوبل لهذا الاكتشاف.

هوائيات موجات الجاذبية

كيفية الكشف عن موجات الجاذبية تجريبيا؟ استخدم فيبر أسطوانات من الألومنيوم الصلب بطول متر مع أجهزة استشعار كهرضغطية في الأطراف ككاشفات. لقد تم عزلهم بأقصى قدر من العناية من التأثيرات الميكانيكية الخارجية في غرفة مفرغة. قام ويبر بتركيب اثنتين من هذه الأسطوانات في قبو تحت ملعب الجولف بجامعة ميريلاند، وواحدة في مختبر أرجون الوطني.

فكرة التجربة بسيطة. يتم ضغط الفضاء وتمدده تحت تأثير موجات الجاذبية. وبفضل هذا، تهتز الأسطوانة في الاتجاه الطولي، وتعمل كهوائي لموجة الجاذبية، وتقوم البلورات الكهرضغطية بتحويل الاهتزازات إلى إشارات كهربائية. يؤثر أي مرور لموجات الجاذبية الكونية في وقت واحد تقريبًا على أجهزة الكشف التي يفصل بينها ألف كيلومتر، مما يجعل من الممكن تصفية نبضات الجاذبية من أنواع مختلفة من الضوضاء.

تمكنت أجهزة استشعار ويبر من اكتشاف إزاحات نهايات الأسطوانة التي تساوي 10-15 فقط من طولها - في هذه الحالة 10-13 سم، وكانت هذه التقلبات على وجه التحديد هي التي تمكن فيبر من اكتشافها، والتي أبلغ عنها لأول مرة في عام 1959 في عام 1959. صفحات رسائل المراجعة البدنية. كل المحاولات لتكرار هذه النتائج كانت بلا جدوى. تتعارض بيانات ويبر أيضًا مع النظرية، التي لا تسمح لنا عمليًا بتوقع الإزاحات النسبية فوق 10 -18 (والقيم الأقل من 10 -20 هي الأكثر احتمالية). من الممكن أن يكون ويبر قد ارتكب خطأً عند معالجة النتائج إحصائيًا. انتهت المحاولة الأولى للكشف التجريبي عن إشعاع الجاذبية بالفشل.

وفي وقت لاحق، تم تحسين هوائيات موجات الجاذبية بشكل كبير. وفي عام 1967، اقترح الفيزيائي الأمريكي بيل فيربانك تبريدها بالهيليوم السائل. هذا لم يجعل من الممكن التخلص من معظم الضوضاء الحرارية فحسب، بل فتح أيضًا إمكانية استخدام SQUIDs (مقاييس التداخل الكمي فائقة التوصيل)، وهي مقاييس المغناطيسية الأكثر دقة وفائقة الحساسية. تبين أن تنفيذ هذه الفكرة محفوف بالعديد من الصعوبات الفنية، ولم يعش فيربانك نفسه ليرى ذلك. بحلول أوائل الثمانينات، قام فيزيائيون من جامعة ستانفورد ببناء منشأة بحساسية 10-18، ولكن لم يتم اكتشاف أي موجات. يوجد الآن في عدد من البلدان أجهزة كشف اهتزاز فائقة التبريد لموجات الجاذبية تعمل عند درجات حرارة تبلغ أعشار ومئات من الدرجة فقط فوق الصفر المطلق. هذا، على سبيل المثال، تثبيت AURIGA في بادوا. الهوائي الخاص به عبارة عن اسطوانة طولها ثلاثة أمتار مصنوعة من سبائك الألومنيوم والمغنيسيوم قطرها 60 سم ووزنها 2.3 طن وهي معلقة في حجرة مفرغة مبردة حتى 0.1 ك. حوالي 1000 هرتز) إلى مرنان مساعد يزن 1 كجم، والذي يهتز بنفس التردد، ولكن بسعة أكبر بكثير. ويتم تسجيل هذه الاهتزازات عن طريق أجهزة القياس وتحليلها باستخدام الكمبيوتر. تبلغ حساسية مجمع AURIGA حوالي 10 -20 -10 -21.

مقاييس التداخل

طريقة أخرى للكشف عن موجات الجاذبية تعتمد على التخلي عن الرنانات الضخمة لصالح أشعة الضوء. تم اقتراحه لأول مرة من قبل الفيزيائيين السوفييت ميخائيل هيرزينستين وفلاديسلاف بوستوفويت في عام 1962، وبعد ذلك بعامين من قبل فيبر. في أوائل السبعينيات، قام روبرت فوروارد، وهو موظف في مختبر أبحاث شركة هيوز للطائرات (طالب دراسات عليا سابق في ويبر، وبعد ذلك كاتب خيال علمي مشهور جدًا)، ببناء أول كاشف من هذا النوع بحساسية جيدة جدًا. وفي الوقت نفسه، أجرى البروفيسور راينر فايس، الأستاذ في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، تحليلًا نظريًا متعمقًا جدًا لإمكانيات تسجيل موجات الجاذبية باستخدام الطرق البصرية.

تتضمن هذه الأساليب استخدام نظائرها للجهاز الذي أثبت به الفيزيائي ألبرت ميشيلسون قبل 125 عامًا أن سرعة الضوء هي نفسها تمامًا في جميع الاتجاهات. في هذا التثبيت، وهو مقياس تداخل ميكلسون، يضرب شعاع من الضوء صفيحة شفافة وينقسم إلى شعاعين متعامدين بشكل متبادل، ينعكسان من مرايا تقع على نفس المسافة من اللوحة. ثم تندمج الحزم مرة أخرى وتسقط على الشاشة، حيث يظهر نمط التداخل (خطوط وخطوط فاتحة وداكنة). إذا كانت سرعة الضوء تعتمد على اتجاهه، فعندما يتم تدوير التثبيت بأكمله، يجب أن تتغير هذه الصورة، وإذا لم يكن الأمر كذلك، فيجب أن تظل كما كانت من قبل.

يعمل كاشف تداخل موجات الجاذبية بطريقة مماثلة. تشوه الموجة المارة الفضاء وتغير طول كل ذراع من ذراع مقياس التداخل (المسار الذي ينتقل عبره الضوء من المقسم إلى المرآة)، مما يؤدي إلى تمديد إحدى الذراعين وضغط الذراع الأخرى. يتغير نمط التداخل، ويمكن تسجيل ذلك. لكن هذا ليس بالأمر السهل: إذا كان التغير النسبي المتوقع في طول أذرع مقياس التداخل هو 10 -20، فمع حجم سطح الطاولة للجهاز (مثل جهاز ميشيلسون) فإنه يؤدي إلى تذبذبات بسعة حوالي 10 - 18 سم للمقارنة: موجات الضوء المرئي 10 تريليون. مرات أطول! يمكنك زيادة طول الكتفين إلى عدة كيلومترات، لكن المشاكل ستظل قائمة. يجب أن يكون مصدر ضوء الليزر قويًا ومستقرًا في التردد، ويجب أن تكون المرايا مسطحة تمامًا وعاكسة تمامًا، ويجب أن يكون الفراغ الموجود في الأنابيب التي ينتقل عبرها الضوء عميقًا قدر الإمكان، ويجب أن يكون الاستقرار الميكانيكي للنظام بأكمله قائمًا. مثالي حقًا. باختصار، كاشف تداخل موجات الجاذبية هو جهاز باهظ الثمن وضخم.

اليوم، أكبر تركيب من هذا النوع هو المجمع الأمريكي LIGO (مرصد موجات الجاذبية بالتداخل الخفيف). ويتكون من مرصدين، يقع أحدهما على ساحل المحيط الهادئ للولايات المتحدة، والآخر بالقرب من خليج المكسيك. يتم إجراء القياسات باستخدام ثلاثة مقاييس تداخل (اثنان في ولاية واشنطن، وواحد في لويزيانا) بأذرع يبلغ طولها أربعة كيلومترات. تم تجهيز التركيب بمراكم ضوء المرآة مما يزيد من حساسيته. قال بيتر سولسون، ممثل مجمع LIGO، وأستاذ الفيزياء في جامعة سيراكيوز، لمجلة Popular Mechanics: "منذ نوفمبر 2005، تعمل جميع أجهزة قياس التداخل الثلاثة لدينا بشكل طبيعي". "نحن نتبادل البيانات باستمرار مع المراصد الأخرى التي تحاول اكتشاف موجات الجاذبية بتردد عشرات ومئات الهرتز، والتي نشأت خلال أقوى انفجارات السوبرنوفا واندماج النجوم النيوترونية والثقوب السوداء. يعمل حاليًا مقياس التداخل الألماني GEO 600 (طول الذراع - 600 متر)، ويقع على بعد 25 كم من هانوفر. يجري حاليًا ترقية أداة TAMA اليابانية التي يبلغ طولها 300 متر. وسينضم كاشف فيرجو الذي يبلغ طوله ثلاثة كيلومترات بالقرب من بيزا إلى الجهود المبذولة في أوائل عام 2007، وعند ترددات أقل من 50 هرتز، سيكون قادرًا على تجاوز مرصد ليجو. تعمل التركيبات ذات الرنانات فائقة التبريد بكفاءة متزايدة، على الرغم من أن حساسيتها لا تزال أقل إلى حد ما من حساستنا.

1. في الفضاء الفارغ تنتشر بسرعة الضوء. علاوة على ذلك، يتم الحفاظ على هذه السرعة دائمًا تقريبًا عند مواجهة الأجسام المادية، بحيث لا تتعرض موجات الجاذبية للانكسار. يمكن للمادة فائقة الكثافة أن تقلل من سرعة موجات الجاذبية، لكن في حالات أخرى يكون هذا التأثير ضئيلًا. تتضاءل سعة موجات الجاذبية مع المسافة من المصدر، لكنها لا تهبط إلى الصفر: بمجرد ظهور موجة الجاذبية، بمعنى ما، محكوم عليها بالحياة الأبدية. وعلى وجه الخصوص، يجب أن يتخلل الكون موجات من الآثار الموروثة من المرحلة التضخمية. إنها تقوم بتشفير معلومات حول بنية الكون "الجنيني"، والتي، مع ذلك، لا تزال بحاجة إلى فك شفرتها. 2. موجات الجاذبية مستعرضة. تشوه هذه الموجة بنية الفضاء في مستوى متعامد مع متجه انتشارها. الجسم الصلب المحصور في المنطقة الأمامية لموجة الجاذبية سيتعرض لتشوهات في هذا المستوى تحديدًا (والتي تعتمد على طبيعة الموجة). 3. تحمل موجات الجاذبية الطاقة التي تستمدها من المادة التي تنبعث منها. ولذلك، مع مرور الوقت، تقترب نجوم النظام الثنائي وتتناقص فترة دورانها حول المركز المشترك للكتلة.

الآفاق

ماذا يحمل المستقبل القريب لطرق الكشف عن موجات الجاذبية؟ قال البروفيسور راينر فايس لمجلة Popular Mechanics: "في غضون سنوات قليلة، سيتم تركيب أجهزة ليزر أكثر قوة وأجهزة كشف أكثر تقدمًا في مراصد مجمع LIGO، مما سيؤدي إلى زيادة الحساسية بمقدار 15 ضعفًا. الآن هو 10 -21 (عند ترددات حوالي 100 هرتز)، وبعد التحديث سوف يتجاوز 10 -22. سيزيد المجمع المطور، Advanced LIGO، من عمق الاختراق في الفضاء بمقدار 15 مرة. ويشارك بنشاط في هذا المشروع البروفيسور في جامعة موسكو الحكومية فلاديمير براغنسكي، وهو أحد رواد دراسة موجات الجاذبية.

من المقرر إطلاق مقياس التداخل الفضائي LISA (هوائي التداخل الفضائي بالليزر) بطول ذراع يبلغ 5 ملايين كيلومتر في منتصف العقد المقبل، وهو مشروع مشترك بين وكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية. وستكون حساسية هذا المرصد أعلى بمئات المرات من قدرات الأجهزة الأرضية. وهو مصمم بشكل أساسي للبحث عن موجات الجاذبية ذات التردد المنخفض (10 -4 -10 -1 هرتز) والتي لا يمكن اكتشافها على سطح الأرض بسبب التداخلات الجوية والزلازل. تنبعث مثل هذه الموجات من أنظمة نجمية مزدوجة، وهي سكان نموذجيون تمامًا للكون. سيكون LISA أيضًا قادرًا على اكتشاف موجات الجاذبية المتولدة عندما تمتص الثقوب السوداء النجوم العادية. ولكن للكشف عن موجات الجاذبية الأثرية التي تحمل معلومات حول حالة المادة في اللحظات الأولى بعد الانفجار الكبير، فمن المرجح أن تكون هناك حاجة إلى أدوات فضائية أكثر تقدما. تتم الآن مناقشة مثل هذا التثبيت، Big Bang Observer، ولكن من غير المرجح أن يتم إنشاؤه وإطلاقه قبل 30 إلى 40 عامًا.

اكتشف الفيزيائيون في مرصد الجاذبية التداخلي بالليزر LIGO لأول مرة موجات الجاذبية - وهي اضطرابات في الزمكان تنبأ بها منذ مائة عام مؤسس النظرية النسبية العامة ألبرت أينشتاين. حول الافتتاح خلال البث المباشر الذي نظمته Lenta.ru وجامعة موسكو الحكومية (MSU) التي تحمل اسم M.V. لومونوسوف، علماء من كلية الفيزياء، مشاركين في تعاون LIGO الدولي. تحدث موقع Lenta.ru مع أحدهم، وهو الفيزيائي الروسي سيرجي فياتشانين.

ما هي موجات الجاذبية؟

وفقا لقانون الجذب العام لنيوتن، فإن الجسمين ينجذبان لبعضهما البعض بقوة تتناسب عكسيا مع مربع المسافة بينهما. تصف هذه النظرية، على سبيل المثال، دوران الأرض والقمر في الفضاء المسطح والزمن العالمي. أدرك أينشتاين، بعد أن طور النظرية النسبية الخاصة، أن الزمان والمكان هما مادة واحدة، واقترح نظرية النسبية العامة - نظرية الجاذبية القائمة على حقيقة أن الجاذبية تتجلى في شكل انحناء الزمكان الذي تخلقه المادة.

دكتور في العلوم الفيزيائية والرياضية يرأس سيرجي فياتشانين قسم فيزياء التذبذب بكلية الفيزياء بجامعة موسكو الحكومية منذ عام 2012. تتركز اهتماماته البحثية على دراسة القياسات الكمومية غير المضطربة، وهوائيات موجات الجاذبية الليزرية، وآليات التبديد، والضوضاء الأساسية والتأثيرات البصرية غير الخطية. تعاون العالم مع معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في الولايات المتحدة الأمريكية وجمعية ماكس بلانك في ألمانيا.

يمكنك تخيل دائرة مرنة. إذا رميت كرة خفيفة عليها، فسوف تتدحرج في خط مستقيم. إذا وضعت تفاحة ثقيلة في وسط الدائرة، فسوف ينحني المسار. ومن معادلات النسبية العامة، تعلم أينشتاين على الفور أن موجات الجاذبية ممكنة. لكن في ذلك الوقت (بداية القرن العشرين) كان التأثير يعتبر ضعيفا للغاية. يمكنك القول أن موجات الجاذبية هي تموجات في الزمكان. الشيء السيئ هو أن هذا تفاعل ضعيف للغاية.

إذا أخذنا موجات (كهرومغناطيسية) مماثلة، فقد كانت هناك تجربة هيرتز، الذي وضع الباعث في أحد أركان الغرفة والمستقبل في الزاوية الأخرى. هذا لا يعمل مع موجات الجاذبية. التفاعل ضعيف جدا . لا يمكننا الاعتماد إلا على الكوارث الفيزيائية الفلكية.

كيف يعمل هوائي الجاذبية؟

يوجد مقياس تداخل فابري-بيرو، وهو عبارة عن كتلتين تفصل بينهما مسافة أربعة كيلومترات. يتم التحكم في المسافة بين الجماهير. إذا جاءت الموجة من أعلى، تتغير المسافة قليلاً.

هل اضطراب الجاذبية هو في الأساس تشويه للقياس؟

تستطيع قول ذلك. تصف الرياضيات هذا بأنه انحناء طفيف في الفضاء. اقترح هيرزنشتاين وبوستوفويت استخدام الليزر للكشف عن موجات الجاذبية في عام 1962. لقد كانت مقالة سوفييتية، خيالًا... عظيمًا، لكنها لا تزال رحلة من الخيال. فكر الأمريكيون وقرروا في التسعينيات (كيب ثورن، ورونالد دريفر، وراينر فايس) صنع هوائي جاذبية ليزري. علاوة على ذلك، هناك حاجة إلى هوائيين، لأنه إذا كانت هناك أحداث، فمن الضروري استخدام مخطط الصدفة. وبعد ذلك بدأ كل شيء. انها قصة طويلة. نحن نتعاون مع معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا منذ عام 1992، وتحولنا إلى أساس تعاقدي رسمي في عام 1998.

ألا تعتقد أن حقيقة موجات الجاذبية كانت بلا شك؟

بشكل عام، كان المجتمع العلمي واثقًا من وجودها، وكان اكتشافها مسألة وقت. حصل هولس وتايلور على جائزة نوبل لاكتشافهما الفعلي لموجات الجاذبية. ماذا فعلوا؟ هناك نجوم مزدوجة - النجوم النابضة. وبما أنها تدور، فإنها تنبعث منها موجات الجاذبية. لا يمكننا أن نلاحظهم. لكن إذا بعثت موجات جاذبية، فإنها تطلق طاقة. وهذا يعني أن دورانها يتباطأ، كما لو كان بسبب الاحتكاك. تقترب النجوم من بعضها البعض ويمكن رؤية تغير في التردد. نظروا - ورأوا (في عام 1974 - تقريبا. "الأشرطة.ru"). وهذا دليل غير مباشر على وجود موجات الجاذبية.

الآن - مباشر؟

الآن - مباشر. وصلت إشارة وتم تسجيلها على جهازي كشف.

هل الموثوقية عالية؟

يكفي أن تفتح.

ما هي مساهمة العلماء الروس في هذه التجربة؟

مفتاح. في مرصد LIGO الأولي (نسخة مبكرة من الهوائي - تقريبا. "الأشرطة.ru") تم استخدام كتل تزن عشرة كيلوغرامات، وتم تعليقها على خيوط فولاذية. لقد عبر عالمنا براغينسكي بالفعل عن فكرة استخدام خيوط الكوارتز. تم نشر بحث أثبت أن خيوط الكوارتز تصدر ضوضاء أقل بكثير. والآن الجماهير (في LIGO المتقدم، تركيب حديث - تقريبا. "الأشرطة.ru") معلقة على خيوط الكوارتز.

المساهمة الثانية تجريبية وتتعلق بالرسوم. يجب تعديل الكتل التي تفصل بينها أربعة كيلومترات بطريقة أو بأخرى باستخدام المنشطات الكهروستاتيكية. وهذا النظام أفضل من النظام المغناطيسي الذي تم استخدامه سابقاً ولكنه يستشعر الشحنة. على وجه الخصوص، في كل ثانية، يمر عدد كبير من الجسيمات - الميونات - عبر راحة يد الشخص، والتي يمكن أن تترك شحنة. الآن هم يعانون من هذه المشكلة. تشارك مجموعتنا (فاليري ميتروفانوف وليونيد بروخوروف) في هذا بشكل تجريبي وأصبحت أكثر خبرة بشكل ملحوظ.

في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، كانت هناك فكرة لاستخدام خيوط الياقوت في مرصد LIGO المتقدم، نظرًا لأن الياقوت رسميًا يتمتع بعامل جودة أعلى. لماذا هو مهم؟ كلما زاد عامل الجودة، قلت الضوضاء. هذه قاعدة عامة. قامت مجموعتنا بحساب ما يسمى بالضوضاء الحرارية المرنة وأظهرت أنه لا يزال من الأفضل استخدام الكوارتز بدلاً من الياقوت.

وأكثر من ذلك. حساسية هوائي الجاذبية قريبة من الحد الكمي. هناك ما يسمى بالحد الكمي القياسي: إذا قمت بقياس الإحداثيات، فوفقًا لمبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ فإنك تشوهه على الفور. إذا قمت بقياس الإحداثيات بشكل مستمر، فإنك تشوشها طوال الوقت. ليس من الجيد قياس الإحداثيات بدقة شديدة: سيكون هناك تأثير تقلب عكسي كبير. وقد ظهر هذا في عام 1968 من قبل براغنسكي. محسوبة لـ LIGO. لقد اتضح أن حساسية مرصد LIGO الأولي أعلى بعشر مرات تقريبًا من الحد الكمي القياسي.

الأمل الآن هو أن يصل مرصد LIGO المتقدم إلى الحد الكمي القياسي. ربما سوف تنخفض. هذا في الواقع حلم. هل يمكنك تخيل هذا؟ سيكون لديك جهاز مجهري كمي: كتلتان ثقيلتان على مسافة أربعة كيلومترات.

تم تسجيل موجات الجاذبية في 14 سبتمبر 2015 الساعة 05:51 صباحًا بالتوقيت الصيفي الشرقي (13:51 بتوقيت موسكو) في الكاشفين التوأم لمرصد موجات الجاذبية بالتداخل الليزري LIGO الموجود في ليفينغستون (لويزيانا) وهانفورد (ولاية واشنطن). ) في الولايات المتحدة الأمريكية. اكتشفت كاشفات LIGO تقلبات نسبية تتراوح ما بين عشرة إلى سالب 19 مترًا (وهذا يساوي تقريبًا نسبة قطر الذرة إلى قطر التفاحة) لأزواج من كتل الاختبار مفصولة بأربعة كيلومترات. تتولد الاضطرابات عن طريق زوج من الثقوب السوداء (أثقل من الشمس بـ 29 و36 مرة) في الأجزاء الأخيرة من الثانية قبل أن يندمجا في جسم جاذبي دوار أكثر ضخامة (أثقل من الشمس بـ 62 مرة). وفي جزء من الثانية، تحولت ثلاث كتل شمسية إلى موجات جاذبية، كانت قوتها الإشعاعية القصوى أكبر بنحو 50 مرة من إشعاع الكون المرئي بأكمله. حدث اندماج الثقوب السوداء منذ 1.3 مليار سنة (وهذا هو الوقت الذي استغرقه اضطراب الجاذبية للوصول إلى الأرض). من خلال تحليل لحظات وصول الإشارات (سجل كاشف ليفينغستون الحدث قبل سبعة مللي ثانية من كاشف هانفورد)، افترض العلماء أن مصدر الإشارة يقع في نصف الكرة الجنوبي. قدم العلماء نتائجهم للنشر في مجلة Physical Review Letters.

للوهلة الأولى، هذا غير متوافق للغاية.

وهذا هو المفارقة. وهذا هو، اتضح أنه رائع. يبدو الأمر وكأنه شعوذة، لكنه في الواقع ليس كذلك، كل شيء صادق. لكن هذه مجرد أحلام في الوقت الحالي. لم يتم الوصول إلى الحد الكمي القياسي. هناك لا تزال بحاجة إلى العمل والعمل. ولكن من الواضح بالفعل أنه قريب.

هل هناك أي أمل في أن يحدث هذا؟

نعم. يجب التغلب على الحد الكمي القياسي، وقد شاركت مجموعتنا في تطوير طرق لكيفية القيام بذلك. هذه هي ما يسمى بالقياسات الكمومية غير المزعجة، ما هو مخطط القياس المحدد المطلوب - هذا أو ذاك... بعد كل شيء، عندما تدرس نظريًا، فإن الحسابات لا تكلف شيئًا، والتجربة باهظة الثمن. حقق مرصد LIGO دقة تتراوح بين عشرة إلى 19 مترًا تحت الصفر.

دعونا نتذكر مثال الطفل. إذا قمنا بتصغير حجم الأرض إلى حجم البرتقالة، ثم قمنا بتصغيرها بنفس المقدار، فسنحصل على حجم الذرة. لذا، إذا قللنا الذرة بنفس المقدار، فسنحصل على عشرة أمتار إلى درجة سالب 19. هذه أشياء مجنونة. وهذا إنجاز للحضارة.

هذا مهم جداً، نعم. إذن ماذا يعني اكتشاف موجات الجاذبية للعلم؟ ويعتقد أن هذا يمكن أن يغير أساليب الرصد في علم الفلك.

ما الذي نملكه؟ علم الفلك في النطاق المعتاد. التلسكوبات الراديوية، التلسكوبات التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء، مراصد الأشعة السينية.

هل كل شيء في النطاقات الكهرومغناطيسية؟

نعم. وبالإضافة إلى ذلك، هناك مراصد النيوترينو. هناك تسجيل للجزيئات الكونية. هذه قناة أخرى للمعلومات. إذا أنتج هوائي الجاذبية معلومات فيزيائية فلكية، فسيكون لدى الباحثين تحت تصرفهم عدة قنوات مراقبة في وقت واحد، يمكنهم من خلالها اختبار النظرية. تم اقتراح العديد من النظريات الكونية، التي تتنافس مع بعضها البعض. سيكون من الممكن التخلص من شيء ما. على سبيل المثال، عندما تم اكتشاف بوزون هيغز في مصادم الهادرونات الكبير، سقطت العديد من النظريات على الفور.

وهذا يعني أن هذا سيساهم في اختيار النماذج الكونية العاملة. سؤال آخر. هل من الممكن استخدام هوائي الجاذبية لقياس التوسع المتسارع للكون بدقة؟

حتى الآن الحساسية منخفضة للغاية.

ماذا عن المستقبل؟

وفي المستقبل، يمكن أيضًا استخدامه لقياس خلفية الجاذبية الأثرية. لكن أي مجرب سيقول لك: "آي-ياي!" أي أن هذا لا يزال بعيدًا. نسأل الله أن نسجل كارثة فيزيائية فلكية.

اصطدام الثقب الأسود...

نعم. بعد كل شيء، هذه كارثة. لا سمح الله أن ينتهي بك الأمر هناك. لن نكون موجودين. وهذه هي الخلفية... في الوقت الحالي... "إنهم يغذون آمال الشباب، ويفرحون الكبار".

هل يمكن أن يقدم اكتشاف موجات الجاذبية دليلا إضافيا على وجود الثقوب السوداء؟ ففي نهاية المطاف، لا يزال هناك من لا يعتقد بوجودها.

نعم. كيف يعملون في LIGO؟ يتم تسجيل الإشارة لشرح العلماء الذين يقومون بتطوير الأنماط ومقارنتها ببيانات الرصد. اصطدام نجوم نيوترونية، سقوط نجم نيوتروني في ثقب أسود، انفجار سوبر نوفا، اندماج ثقب أسود مع ثقب أسود... سنغير المعلمات، على سبيل المثال، نسبة الكتلة، اللحظة الأولية... ما الذي ينبغي نحن نرى؟ التسجيل قيد التقدم، وفي لحظة الإشارة يتم تقييم أداء القوالب. إذا كان النمط المصمم لاصطدام ثقبين أسودين مطابقًا للإشارة، فهذا دليل. ولكن ليس مطلقا.

ألا يوجد تفسير أفضل؟ هل يتم تفسير اكتشاف موجات الجاذبية ببساطة عن طريق اصطدام الثقوب السوداء؟

في هذه اللحظة - نعم. يعتقد المجتمع العلمي الآن أنه كان اندماج الثقوب السوداء. ولكن المجتمع الجماعي هو رأي الكثيرين، والإجماع. وبطبيعة الحال، إذا ظهرت بعض العوامل الجديدة، فمن الممكن التخلي عنها.

متى سيكون من الممكن اكتشاف موجات الجاذبية من الأجسام الأقل كتلة؟ ألا يعني هذا ضرورة بناء مراصد جديدة وأكثر حساسية؟

هناك برنامج للجيل القادم يسمى LIGO. هذا ثانيهم. سيكون هناك ثالث. هناك الكثير من الخيارات هناك. يمكنك زيادة المسافة وزيادة القوة والتعليق. الآن تتم مناقشة كل هذا. على مستوى العصف الذهني. إذا تم تأكيد رصد إشارة الجاذبية، فسيكون من الأسهل الحصول على المال لتحسين المرصد.

هل هناك طفرة في بناء مراصد الجاذبية؟

لا أعرف. إنه مكلف (تكلفة مرصد ليجو حوالي 370 مليون دولار - تقريبا. "الأشرطة.ru"). بعد كل شيء، عرض الأمريكيون على أستراليا بناء هوائي في نصف الكرة الجنوبي ووافقوا على توفير جميع المعدات اللازمة لذلك. رفضت أستراليا. لعبة باهظة الثمن. ستستهلك صيانة المرصد كامل الميزانية العلمية للبلاد.

هل تشارك روسيا ماليًا في LIGO؟

نحن نتعاون مع الأمريكان. ماذا سيحدث بعد ذلك غير واضح. حتى الآن لدينا علاقات جيدة مع العلماء، لكن السياسيين هم من يحكمون كل شيء... لذلك علينا أن نراقب. إنهم يقدروننا. نحن نقدم نتائج ترقى حقًا إلى المستوى المطلوب. لكنهم ليسوا هم الذين يقررون ما إذا كانوا سيكونون أصدقاء لروسيا أم لا.

للأسف نعم.

هذه هي الحياة فلننتظر

يتم تمويل مرصد LIGO من قبل مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية. يتم إجراء الأبحاث في مرصد LIGO كجزء من تعاون يحمل نفس الاسم من قبل أكثر من ألف عالم من الولايات المتحدة و14 دولة أخرى، بما في ذلك روسيا، ممثلة بمجموعتين من جامعة موسكو الحكومية ومعهد الفيزياء التطبيقية الروسي. أكاديمية العلوم (نيجني نوفغورود).

هل هناك أي خطط لبناء مرصد الجاذبية في روسيا؟

لم يتم التخطيط له بعد. في الثمانينيات، أراد معهد ستيرنبرغ الفلكي التابع لجامعة موسكو الحكومية بناء هوائي الجاذبية نفسه في مضيق باكسان، ولكن على نطاق أصغر فقط. لكن البيريسترويكا جاءت، وكان كل شيء مغطى بحوض نحاسي لفترة طويلة. الآن تحاول شرطة المرور في جامعة موسكو الحكومية أن تفعل شيئًا ما، لكن الهوائي لم يعمل حتى الآن...

ما الذي يمكنك أيضًا محاولة التحقق منه باستخدام هوائي الجاذبية؟

صحة نظرية الجاذبية. بعد كل شيء، تعتمد معظم النظريات الموجودة على نظرية أينشتاين.

ولا يمكن لأحد أن يدحض ذلك بعد.

إنها تحتل مكانة رائدة. تم تصميم النظريات البديلة بطريقة تؤدي بشكل أساسي إلى نفس النتائج التجريبية التي تؤدي إليها. وهذا طبيعي. ولذلك، نحن بحاجة إلى حقائق جديدة من شأنها أن تزيل النظريات الخاطئة.

باختصار، كيف يمكنك صياغة معنى الاكتشاف؟

في الواقع، بدأ علم فلك الجاذبية. ولأول مرة، تم ربط موجات انحناء الفضاء. ليس بشكل غير مباشر، بل بشكل مباشر. الإنسان معجب بنفسه: يا ابن العاهرة أنا!

أنيا جروشينا

البلورات الزمنية أو الزمنية هي فكرة جديدة في الفيزياء تمت مناقشتها على نطاق واسع في السنوات الأخيرة. إنها أنظمة فيزيائية تكرر نفسها "بنفسها" مع مرور الوقت. وعلى الرغم من الطبيعة الغريبة للمفهوم، فإن الباحثين يدرسون بالفعل المجالات الممكنة لتطبيق الفكرة ويبحثون عن "الوصفات" الأكثر نجاحا لإعداد "الوقت البلوري".

فرانك ويلتشيك، الحائز على جائزة نوبل عام 2004 ومؤلف مفهوم بلورة الزمن.تصوير: كينيث سي.زيركل/ويكيميديا ​​كومنز/CC BY-SA 3.0.

"وصفة" البلورة الزمنية من تجربة كريستوفر مونرو: إشعاع الليزر، الذي يظهر من خلال الأسهم البرتقالية والخضراء، يقلب العزوم المغناطيسية (يدور)؛ يُحدث ضوء الليزر، الموضح بالسهم الأحمر، اضطرابًا ويسبب تفاعلات بين الدورات. ونتيجة لذلك، يتأرجح نظام السبينات بين حالتين مستقرتين مقاومتين للتغيرات في تردد المضخة.

إن جمال قوانين الطبيعة يسير جنبًا إلى جنب مع التناظر. بالمعنى الدقيق للكلمة، التناظر في الفيزياء يعني أن بعض الخصائص تظل دون تغيير في ظل تحول معين: يمكن أن يكون هذا دورانًا أو تحولًا في الفضاء، أو انعكاسًا في المرآة. ببساطة، بغض النظر عن كيفية تحريف جسم ما أو الكون، فإن قوانين الفيزياء لا تتغير. يمكن أن يكون التماثل مستمرًا أو منفصلاً. على سبيل المثال، يمكن تدوير كرة متجانسة إلى أي زاوية - لن يتغير شيء. لكن المكعب "يكرر نفسه" فقط عند تدويره بزاوية معينة. هذه أمثلة على التماثل الدوراني المستمر والمنفصل.

تبدأ الفيزياء المثيرة للاهتمام حيث يتغير التناظر، أو بالأحرى، ينكسر. لنفترض أن البلورة أقل تناسقًا من السائل المتجانس الذي يتكون من نفس الذرات، لذلك يمكن اعتباره انتهاكًا للتماثل المكاني. توجد الذرات الموجودة فيه في عقد ما يسمى بالشبكة البلورية بمسافات وزوايا محددة بوضوح. من أجل الحصول على نفس البلورة عند التحرك في الفضاء، يجب نقلها لمسافة محددة بوضوح (ما يسمى بثابت الشبكة - حجم الخلية الأولية، التي يمكن أن يؤدي تكرارها إلى إعادة إنتاج البلورة بأكملها) أو تدويرها بواسطة الزاوية المناسبة. تعتمد الخصائص المحددة للبلورات بشكل مباشر على كيفية كسر التماثل بالضبط: عدد الإلكترونات الموجودة على الغلاف الخارجي للذرات، والعزوم المغناطيسية، ودرجة الحرارة - كل هذا يؤثر على التفاعلات بين الذرات ويحدد في النهاية خصائص المادة. لقد كان الفيزيائيون يدرسون البلورات لفترة طويلة، بل وتعلموا إنشاء أنظمة مماثلة باستخدام أشعة الليزر أو الموجات الدقيقة، حيث يمكن لعب دور العقد الشبكية ليس فقط عن طريق الذرات والإلكترونات، ولكن أيضًا عن طريق الفوتونات أو أشباه الجسيمات، مثل الفونونات. يتعطل أيضًا تناسق الوسط بسبب المغنطة وتدفق التيار الكهربائي.

لكن الانتهاك المنفصل للتماثل الزمني أو الزمني (التدفق المستمر للوقت إلى الأمام فقط) لا يزال منطقة غير مستكشفة. بدأ فرانك ويلتشيك، الحائز على جائزة نوبل لعام 2004 لوصف التفاعل بين الكواركات والجلونات، بالتفكير في عام 2012 حول سبب عدم كسر التناظر الزمني تلقائيًا (أي بسبب التفاعلات العشوائية بين عناصر النظام) وما إذا كان ذلك ممكنًا لتهيئة الظروف التي يكون فيها ذلك ممكنا. ونتيجة لذلك، توصل إلى بلورات زمنية كوسيلة لكسر التماثل الزمني.

البلورات الزمنية هي هياكل افتراضية تنبض دون استهلاك الطاقة، مثل الساعة الميكانيكية التي لا تحتاج إلى تعبئة. ويتكرر التسلسل بمرور الوقت، تمامًا كما تتكرر ذرات البلورة في الفضاء. للوهلة الأولى، تشبه البلورة الزمنية عالم البلورة العظيمة لكاتب الخيال العلمي فلاديسلاف كرابيفين أكثر من الفيزياء الصارمة، ولكن مثل هذا الهيكل قد يكون له أسباب مادية جيدة لوجوده.

أحد التطبيقات المحتملة للبلورة الزمنية هو حلقة من الذرات التي يجب أن تدور، وتعود بانتظام إلى حالتها الأصلية. وستكون خصائصه متزامنة إلى الأبد مع مرور الوقت، على غرار كيفية ترابط مواقع الذرات في البلورة. وبتعريف البلورة الزمنية، فإن مثل هذا النظام يجب أن يكون في حالة ذات طاقة أقل بحيث لا تحتاج الحركة إلى طاقة من الخارج. بمعنى ما، ستكون البلورة الزمنية آلة ذات حركة أبدية، إلا أنها لن تنتج أي عمل مفيد.

واعتبر المجتمع العلمي في معظمه الفكرة استفزازية. ومع ذلك، ظل فرانك ويلتشيك ثابتًا على موقفه، واثقًا من أن المشكلة كانت أكثر دقة مما تبدو للوهلة الأولى، وأن البلورات الزمنية تمثل نوعًا جديدًا من النظام. علاوة على ذلك، فإن الحركة الأبدية لها سوابق في العالم الكمي: من الناحية النظرية، تقوم الموصلات الفائقة بتوصيل التيار الكهربائي إلى الأبد (على الرغم من أن التدفق في هذه الحالة منتظم وبالتالي لا يتغير بمرور الوقت).

أثارت المفارقة البلورية الزمنية اهتمام هاروكي واتانابي، وهو طالب دراسات عليا في جامعة كاليفورنيا في بيركلي. وعندما قدم عمله حول كسر التناظر في الفضاء، سُئل عن الآثار المترتبة على فكرة ويلتشيك حول البلورة الزمنية. لم يتمكن واتانابي من الإجابة وقرر النظر في هذه المسألة من خلال التركيز على الارتباطات بين الأجزاء البعيدة من النظام في الزمان والمكان. في عام 2015، أثبت واتانابي مع الفيزيائي ماساكي أوشيكاوا من جامعة طوكيو نظرية مفادها أنه من المستحيل إنشاء بلورة زمنية في أدنى حالة طاقة. كما أثبتوا أن البلورات الزمنية مستحيلة لأي نظام توازن وصل إلى حالة مستقرة عند أي قيمة طاقة.

عند هذه النقطة، اعتبر المجتمع المادي مسألة وجود البلورات الزمنية مغلقة. ومع ذلك، تركت الأدلة ثغرة. ولم يستبعد إمكانية وجود بلورات زمنية في الأنظمة التي لم يتحقق فيها التوازن بعد. وبدأ المنظرون في جميع أنحاء العالم بالتفكير في كيفية إنشاء نسخ بديلة من البلورات الزمنية للتحايل على النظرية.

وجاء هذا الاختراق بشكل غير متوقع من مجال الفيزياء الذي لم يفكر الباحثون فيه على الإطلاق في هذا الموضوع. درس المنظر شيفاجي سوندي وزملاؤه من جامعة برينستون سلوك نظام كمي معزول يتكون من "حساء" من الجسيمات المتفاعلة التي يتم "ركلها" بقوة بانتظام. إذا كنت تصدق الكتب المدرسية، فيجب أن يسخن مثل هذا النظام ويصبح فوضويًا تمامًا في النهاية. لكن مجموعة زوندي أظهرت أنه عند استيفاء شروط معينة، تتجمع الجسيمات معًا وتشكل "نمطًا" يتكرر بمرور الوقت.

لفت هذا البحث انتباه تشيتان ناياك، أحد طلاب ويلتشيك السابقين. اقترح ناياك وزملاؤه أن الشكل الغريب وغير المتوازن للمادة يمكن أن يكون نوعًا من البلورات الزمنية، على الرغم من أنه ليس بالضبط النوع الذي تحدث عنه ويلتشيك في الأصل. والفرق هو أن مثل هذا النظام ليس في حالة ذات طاقة منخفضة ويحتاج إلى تزويده بالطاقة من الخارج للحفاظ على النبضات. لكن مثل هذا "الحساء" له إيقاعه الخاص، الذي يختلف عن تردد الضخ، وهو ما يعني في الواقع انتهاكًا للتماثل الزمني.

كريستوفر مونرو من جامعة ميريلاند في كوليدج بارك، على الرغم من شكوكه، حاول إنشاء بلورة زمنية مماثلة باستخدام الذرات الباردة. تحتوي "الوصفة" المعقدة على ثلاثة مكونات رئيسية: القوة التي تؤثر على النظام، والتفاعل بين الذرات، وعنصر الفوضى العشوائية. يحد هذا المزيج من كمية الطاقة التي يمكن للجزيئات امتصاصها، مما يسمح لها بالبقاء في حالة منتظمة.

في التجربة، تم إضاءة سلسلة مكونة من عشرة أيونات من الإيتربيوم بواسطة جهازي ليزر بالتناوب. قام الليزر الأول بقلب العزوم المغناطيسية للذرات، وأجبرها الثاني على التفاعل مع بعضها البعض بشكل عشوائي. أدى ذلك إلى تذبذبات في إسقاط العزم المغناطيسي للنظام بفترة ضعف فترة ضخ الدوران بالليزر. علاوة على ذلك، حتى لو انحرف الليزر الأول عن تردد الإشعاع المطلوب، فإن التذبذبات في النظام لم تتغير. مثلما تقاوم البلورات العادية محاولات نقل الذرات من مواقعها في الشبكة البلورية، كذلك تحتفظ البلورة الزمنية بدوريتها مع مرور الوقت.

اتخذت مجموعة من علماء الفيزياء من جامعة هارفارد بقيادة ميخائيل لوكين (وهو أيضًا أحد مؤسسي مركز الكم الروسي) طريقًا مختلفًا ونفذوا بلورة زمنية باستخدام الماس. ولهذا الغرض، تم تصنيع عينة خاصة تحتوي على حوالي مليون عيب مضطرب، لكل منها عزم مغناطيسي خاص به. عندما تم تعريض مثل هذه البلورة لنبضات من إشعاع الميكروويف لقلب السبينات، سجل الفيزيائيون استجابة النظام عند تردد لا يمثل سوى جزء صغير من تردد الإشعاع المثير.

ويؤكد عالم الفيزياء النظرية نورمان ياو، الذي شارك في كلتا التجربتين، أن الأنظمة في حالة الطاقة الأدنى، بحكم تعريفها، لا ينبغي أن تتغير بمرور الوقت. خلاف ذلك، فهذا يعني أن لديهم طاقة إضافية يمكنهم إنفاقها، وفي النهاية يجب أن تتوقف الحركة. قارن ياو نتيجة التجارب بحبل القفز: تقوم اليد بدورتين، ولكن الحبل يقوم بدورة واحدة فقط، وهذا انتهاك أضعف للتناظر مما تصوره في الأصل ويلتشيك، الذي اعتقد أن الحبل يمكن أن يهتز من تلقاء نفسه.

تم نشر نتائج كلتا التجربتين في مجلة Nature وهي بالتأكيد مثيرة للاهتمام، ولكن يمكن اعتبار تعريف البلورة الزمنية في كلتا الحالتين بعيد المنال بعض الشيء. ويتفق الفيزيائيون على أن كلا النظامين يكسران التناظر الزمني تلقائيًا بطريقة ما، وبالتالي يستوفيان متطلبات البلورة الزمنية من وجهة نظر رياضية. ولكن ما إذا كان من الممكن حقًا اعتبارها على هذا النحو هو موضوع نقاش علمي.

سيحدد الوقت ما إذا كان مونرو ولوكين قد نجحا في الحصول على بلورات زمنية أم لا. على أية حال، فإن هذه التجارب مثيرة للاهتمام لأنها أظهرت لأول مرة أبسط الأمثلة على أطوار جديدة للمادة في منطقة غير مستكشفة نسبيًا من حالات عدم التوازن. وتتكون هذه الحالة الجديدة للمادة من مجموعة من الجسيمات الكمومية التي تتغير باستمرار، ولا تصل إلى حالة مستقرة أبدًا. ويتحقق الاستقرار من خلال تفاعلات عشوائية من شأنها أن تخل بالتوازن في أي نوع آخر من المادة.

علاوة على ذلك، قد يكون لهذه النتائج آثار عملية. يمكن أن تكون البلورات الزمنية مفيدة كأجهزة استشعار فائقة الدقة. يتم بالفعل استخدام سلوك اللحظات المغناطيسية للعيوب في الماس لتسجيل أدنى التغيرات في درجة الحرارة والمجالات المغناطيسية. لكن هذا النهج له حدوده: فعندما "تتزاحم" الكثير من العيوب في حجم صغير، فإن التفاعلات بينها تدمر الحالات الكمومية. على العكس من ذلك، في البلورة الزمنية، تعمل التفاعلات على استقرار النظام، بحيث يمكن استخدام ملايين العيوب معًا لتضخيم الإشارة. وهذا سيجعل من الممكن دراسة الخلايا الحية والمواد ذات السمك الذري على وجه الخصوص.

مثال آخر على استخدام مثل هذه الأنظمة هو الحوسبة الكمومية في درجات حرارة عالية إلى حد ما. تعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية تقنية واعدة طال انتظارها ولا تزال بعيدة عن التنفيذ العملي. النقطة المهمة هي أن البتات الكمومية الهشة التي تقوم بالحسابات تحتاج إلى أن تكون معزولة عن التأثيرات المدمرة الكم للحركة الحرارية وغيرها من "الآثار الجانبية" البيئية مع الاستمرار في القدرة على تشفير وقراءة المعلومات منها. يستخدم الفيزيائيون درجات حرارة منخفضة جدًا للقيام بذلك، فقط نانانودرجة فوق الصفر المطلق. البلورة الزمنية هي في الأساس نظام كمي موجود في درجات حرارة أعلى بكثير. في حالة ألماسة لوكين، يكون هذا صحيحًا بشكل عام في درجة حرارة الغرفة.

في مقابلة يمكن قراءتها في العدد 12 من مجلة "العلم والحياة" لعام 2013، تحدث ميخائيل لوكين على وجه التحديد عن مثل هذه "الآثار الجانبية" العملية غير المتوقعة لما يبدو للوهلة الأولى علمًا أساسيًا تمامًا. وربما يكون المفهوم الرائع للبلورة الزمنية هو الذي سيفتح الطريق أمام الحوسبة الكمومية دون الحاجة إلى عمليات التبريد المعقدة والمكلفة.

قدم الفضاء للعلماء هدية بمناسبة الذكرى المئوية للنظرية النسبية العامة لأينشتاين - حيث تم اكتشاف موجات الجاذبية

في منتصف شهر فبراير من هذا العام، أعلن أعضاء تعاون LIGO الدولي، الذي يضم مئات العلماء من سبعة عشر دولة، بما في ذلك روسيا، عن أول اكتشاف مباشر لموجات الجاذبية المنبعثة من ثقبين أسودين مندمجين يبلغ إجمالي كتلتهما أكثر من 60 شمسًا (1.3 مليار دولار). سنين مضت. وهذا حدث علمي، دون مبالغة، على نطاق كوني، وقد حدث في سبتمبر الماضي بمرصد تداخل موجات الجاذبية بالليزر LIGO (الولايات المتحدة الأمريكية). للحصول على تعليق مفصل، لجأنا إلى رئيس مختبر الفيزياء النظرية بمعهد الفيزياء الكهربية التابع لفرع الأورال التابع لأكاديمية العلوم الروسية، الأكاديمي ميخائيل سادوفسكي.

- عزيزي ميخائيل فيساريونوفيتش، أولاً، اشرح لأحد الهواة ما هي موجة الجاذبية؟

تخيل أربع كرات معلقة بالعرض. إذا حدث اضطراب في الجاذبية، فسوف تنحرف كرتان عن بعضهما البعض بمسافة معينة، وسوف تندفع الكرتان الأخريان نحو بعضهما البعض في نفس الوقت؛ وفي المرحلة التالية من الموجة ستكون حركتهم معاكسة. نتيجة لذلك، تحت تأثير موجة الجاذبية، ستبدأ الكرات الأربع في التأرجح بشكل متزامن. لكن هذه تجربة خيالية. في الحياة اليومية، لا أحد يشعر أو يلاحظ موجات الجاذبية، وليس لها أي تأثير على أي شيء، لأن تفاعلات الجاذبية ضعيفة جدًا مقارنة، على سبيل المثال، بالتفاعلات الكهرومغناطيسية. وعلى الرغم من أن معظم علماء الفيزياء النظرية لم يشكوا أبدًا في وجود موجات الجاذبية، إلا أن مهمة تسجيلها تجريبيًا في ظل الظروف الأرضية بدت صعبة للغاية. لا يسعنا إلا أن نأمل في الفضاء - حيث تحدث اضطرابات الجاذبية القوية هناك، ويمكن للموجات الناجمة عنها أن تصل إلى الأرض.

- إذن لا يمكن وصف الاكتشاف الحالي بأنه غير متوقع؟

لقد تنبأ ألبرت أينشتاين نظريًا بوجود موجات الجاذبية قبل 100 عام بالضبط في بحثه الذي نشره عام 1916. وينبع هذا بطبيعة الحال من النظرية النسبية العامة، أو النظرية الحديثة للجاذبية. إذا كانت الموجات الكهرومغناطيسية موجودة، فلا بد أن تكون هناك أيضًا اضطرابات في الجاذبية، والتي تنتشر على شكل موجات بسرعة الضوء وتغير محليًا هندسة المكان والزمان. إن التنبؤ بوجود موجات الجاذبية جعل من الممكن، على سبيل المثال، تفسير التغير في معدل تقارب الأنظمة القريبة من النجوم المزدوجة.

لأول مرة، حاول الفيزيائي الأمريكي جوزيف ويبر حل مشكلة التسجيل المباشر لتأثيرات الجاذبية في الستينيات. قام بتطوير أجهزة الكشف الأولى - اسطوانتان ضخمتان من الألومنيوم معلقتان على مسافة كبيرة من بعضهما البعض. وفقًا لفيبر، فإن موجة الجاذبية الكبيرة ستجعلها تتأرجح في انسجام تام، وبالتالي يمكن تسجيل مرورها. وفي عام 1968، أعلن عن اكتشاف موجات الجاذبية بواسطة أجهزة الكشف الخاصة به، لكن نتائج تجاربه كانت محل شك من قبل باحثين آخرين. لسوء الحظ، لم يعش جوزيف فيبر ليرى الانتصار الحالي للحركة التي أسسها. ومع ذلك، فإن مساهمة العالم في علم فلك موجات الجاذبية معترف بها من قبل المجتمع العلمي.

- هل قام مواطنونا بمحاولات لتسجيل موجات الجاذبية؟

في الاتحاد السوفييتي وروسيا، كان رائد أبحاث موجات الجاذبية عضوًا مراسلًا في الأكاديمية الروسية للعلوم فلاديمير براغنسكي. لقد كان متشككًا بشأن تجارب ويبر، معتقدًا أنه لا يمكن تسجيل أي شيء بمثل هذه الكاشفات، لكنه استمر في العمل في هذا الاتجاه.

المخطط المطبق في التجربة الحالية اقترحه أيضًا علماء محليون - أستاذ ميخائيل هيرزينستينوالأكاديمي فلاديسلاف بوستوفويتفي مقال نشر في مجلة الفيزياء التجريبية والنظرية عام 1962. هذا المخطط بسيط للغاية. إنه مبني على مقياس تداخل ميشيلسون، ومبدأ تشغيله كما يلي: يتم توجيه شعاع الضوء من المصدر إلى مرآة تقع على مسافة ما منه، وينعكس من المرآة ويعود للخلف، ويتم وضع إشارة ضوئية ثانية وأرسلت في اتجاه عمودي، فإنها تنعكس أيضًا عن المرآة وتعود. عند النقطة التي تتقاطع فيها الإشارات الضوئية على الكاشفات، يمكنك رؤية نمط التداخل. إذا مرت موجة الجاذبية، تبدأ المرايا في الارتعاش بشكل متزامن، ويتغير نمط التداخل. ونظرًا لحقيقة أن علم البصريات هو علم دقيق جدًا، فقد أصبح من الممكن اكتشاف حتى تأثير الجاذبية الضعيف جدًا.

- هل يعمل مقياس التداخل، حيث تم الاكتشاف المثير، على هذا المبدأ؟

نعم. يتكون مرصد LIGO من منشأتين: إحداهما تقع في هانفورد، واشنطن، والأخرى في ليفينغستون، لويزيانا، على مسافة حوالي 3 آلاف كيلومتر. يحتوي كل مقياس تداخل على "ذراعين" بطول 4 كم، متعامدين مع بعضهما البعض. هذه هي الأنابيب التي يتم من خلالها إطلاق شعاع الليزر. إذا وصلت موجة الجاذبية، فيجب أن يظهر نمط التداخل المميز بشكل متزامن في كلا مقياسي التداخل الموجودين على الكاشف عند النقطة التي تتقاطع فيها الحزم.

كان المبادرون لمشروع LIGO في الثمانينيات من القرن الماضي أساتذة في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا كيب ثورن(بالمناسبة، أحد مؤلفي السيناريو لفيلم الحركة الفضائية "بين النجوم") و رونالد درايفر، وأيضا أستاذ في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا راينر فايس.
تشمل قائمة المشاركين في التعاون الدولي، والتي يبلغ عددها أكثر من 200 شخص، مواطنينا، بما في ذلك العضو المقابل المذكور بالفعل فلاديمير براغنسكي، الأستاذ فاليري ميتروفانوف(MSU)، الأعضاء المناظرين الكسندر سيرجيفو افيم خزانوف(معهد الفيزياء التطبيقية RAS، نيجني نوفغورود) وباحثين آخرين.

تم دعم عمل المشاركين في المشروع الروسي جزئيًا من خلال المنح المقدمة من المؤسسة الروسية للأبحاث الأساسية. ومن المؤسف أن شروط المنح السخيفة التي اعتمدتها مؤسسة العلوم الروسية تستبعد تماما دعم هذا النوع من البحوث الجماعية. وبالتالي، وفقًا لقواعد المؤسسة، لا يمكن دعم العمل الممول من قبل مؤسسة العلوم الروسية بأي أموال أو منح أخرى. وهذا المطلب صارم بقدر ما هو غير بناء. ففي نهاية المطاف، فإن أي مشروع علمي كبير، وخاصة المشروع الدولي، يتلقى الدعم من العشرات من المؤسسات المختلفة، ويعد تعاون LIGO مثالاً على ذلك.

مرصد موجات الجاذبية بمقياس التداخل بالليزر LIGO (مرصد موجات الجاذبية بمقياس التداخل بالليزر). وتبلغ التكلفة الإجمالية للمشروع حوالي 620 مليون دولار

وفي الوقت نفسه، فإن مشروع LIGO مكلف للغاية. وبلغت تكلفة بناء المرصد 300 مليون دولار، بالإضافة إلى تكاليف التشغيل والتحديث. تم إطلاق مرصد LIGO في عام 2002 وعمل حتى عام 2010. ومع ذلك، في ذلك الوقت لم يكن من الممكن تسجيل موجات الجاذبية، وتم تسجيل أصوات مختلفة فقط. تم بعد ذلك إيقاف تشغيل مقياس التداخل لإجراء التحسينات. بدأ تشغيل مقياس تداخل مماثل لـ LIGO، وهو Virgo، بأذرع يبلغ طولها ثلاثة كيلومترات، في عام 2007 في إيطاليا، بالقرب من بيزا. وقد خضع للتحديث منذ عام 2011، ومن المقرر إطلاقه مرة أخرى في النصف الثاني من هذا العام. وبدأ مجمع LIGO المحسن العمل في أوائل خريف عام 2015.

- اتضح أن الاكتشاف حدث بعد وقت قصير من الإطلاق؟

بالضبط. وفي 14 سبتمبر/أيلول، اكتشف كاشف LIGO إشارة بدت "مشبوهة" من وجهة نظر رصد موجات الجاذبية. كانت التغييرات في نمط التداخل متوافقة تمامًا مع الحسابات التي أجراها المشاركون في التعاون مسبقًا في حالة حدوث اضطراب الجاذبية. وكان هذا بالضبط ما كان ينبغي أن يحدث أثناء مرور موجة الجاذبية الناتجة عن اصطدام ثقبين أسودين - نجوم ضخمة في المرحلة الأخيرة من الحياة، "تزن" 29 و36 كتلة شمسية. ونتيجة للكارثة الكونية، تشكل ثقب أسود كتلته 62 كتلة شمسية، وتحولت طاقة ثلاث كتل شمسية إلى إشعاع جاذبية وصل إلينا بعد 1.3 مليار سنة ضوئية. إذا كان مقياس تداخل برج العذراء يعمل بالفعل في وقت التثبيت، فسيكون من الممكن تحديد مصدر موجة الجاذبية. لم يكن من الممكن القيام بذلك هذه المرة، لكن العلماء يأملون أن يكون ذلك ممكنًا في المستقبل، عندما يعمل ليجو وفيرجو بالتوازي.

- وأخيراً بضع كلمات عن أهمية الحدث...

إن اكتشاف مثل هذه الثقوب السوداء “الثقيلة” يعد في حد ذاته اكتشافا كبيرا في علم الفلك. والتسجيل المباشر لموجات الجاذبية هو في الأساس ولادة اتجاه علمي جديد، وهو علم فلك موجات الجاذبية. ومن خلال دراسة تأثيرات الجاذبية، قد نتمكن من الاطلاع على الفترات الأولى لتشكل الكون. بعد كل شيء، منذ المراحل الأولى لتطور "الكرة النارية" التي نشأت نتيجة للانفجار الكبير، لا تمر الإشارات الضوئية، لكن موجات الجاذبية المنبعثة في هذه المرحلة من توسع الكون يمكن أن تصل إلينا. ومن الجدير بالملاحظة أيضًا أن النظرية النسبية العامة قد تم اختبارها تجريبيًا بشكل كامل تقريبًا على المستوى الكلاسيكي (غير الكمي)، وهي بالفعل تصف الجاذبية بدقة شديدة. لذلك أصبح الاكتشاف "هدية" مشرقة للذكرى المئوية لهذه النظرية.

بالطبع من الصعب الحديث عن المعنى العملي لتسجيل موجات الجاذبية، ولكن من الممكن أن يتم الكشف عنه في المستقبل. في بداية القرن العشرين، لم يكن من الممكن أن يتخيل أحد أن ملاحي نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) الحديثين، على سبيل المثال، سيحددون موقعك بشكل صحيح فقط مع مراعاة تأثيرات النسبية العامة. ويبدو أن علم فلك موجات الجاذبية أصبح قاب قوسين أو أدنى.

أول إشارة موجة الجاذبية المسجلة

موجة الجاذبية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء الثنائية التي اكتشفتها كاشفات LIGO في هانفورد وليفينغستون على اليسار توجد بيانات من الكاشف في هانفورد (H1)، وعلى اليمين توجد بيانات من ليفينغستون (L1). يتم حساب الوقت اعتبارًا من 14 سبتمبر 2015، الساعة 09:50:45 بالتوقيت العالمي المنسق. الصف العلوي: الفولتية ح في أجهزة الكشف. وصلت إشارة GW150914 لأول مرة إلى L1 وبعد 6.9+0.5?0.4 مللي ثانية عند H1؛ للمقارنة البصرية، تظهر البيانات من H1 في مؤامرة L1 في شكل عكسي ومتغير زمنيًا (لحساب الاتجاه النسبي لأجهزة الكشف). الصف الثاني: الجهد h من إشارة موجة الجاذبية، التي تمر عبر نفس مرشح تمرير النطاق، 35 - 350 هرتز. الخط الصلب هو نتيجة النسبية الرقمية لنظام ذي معلمات متوافقة مع تلك الموجودة بناءً على دراسة إشارة GW150914 التي تم الحصول عليها بواسطة رمزين مستقلين مع تطابق ناتج قدره 99.9. الخطوط السميكة الرمادية هي مناطق الثقة بنسبة 90% من الشكل الموجي المعاد بناؤه من بيانات الكاشف بطريقتين مختلفتين. يمثل الخط الرمادي الداكن الإشارات المتوقعة من اندماج الثقب الأسود، بينما لا يستخدم الخط الرمادي الفاتح النماذج الفيزيائية الفلكية، ولكنه يمثل الإشارة كمجموعة خطية من المويجات الجيبية الغوسية. تتداخل عمليات إعادة البناء بنسبة 94٪. الصف الثالث: الأخطاء المتبقية بعد استخراج التنبؤ المرشح لإشارة النسبية العددية من الإشارة المرشحة للكاشفات. الصف السفلي: تمثيل لخريطة تردد الجهد، موضحًا الزيادة في التردد السائد للإشارة مع مرور الوقت.

ماذا رأت كاشفات LIGO؟

لقد رأينا إشارة تبدو تمامًا كما كان متوقعًا لاندماج زوج من الثقوب السوداء. يظهر التمدد النسبي لمقياس التداخل تحت تأثير موجة الجاذبية. المقياس الرأسي هو 10-21، مما يعني أن ذراع مقياس التداخل الذي يبلغ طوله أربعة كيلومترات ممتد بمقدار 2.5 × 10-15 سم (يمكنهم قياس امتدادات تصل إلى 10-17 سم، بغض النظر عن مدى روعة ذلك). ويوضح الشكل تمدد وانكماش كاشفين (موضحين بألوان مختلفة) يقعان على مسافة 3000 كم. أولاً، هناك ضجيج، حيث تبدأ الموجات الواضحة في الظهور، والتي تأتي أكثر فأكثر، ثم تنتهي فجأة. كل موجة هي نصف ثورة في نظام الثقبين الأسودين. وهي تتقارب بسرعة، وبالتالي يقل الوقت بين القمم. والموجة الأخيرة هي عمليا ثقب أسود واحد، وإن كان مشوها للغاية.

كيف يمكنك، بالنظر إلى الصورة، تقدير كتلة الثقوب السوداء المندمجة والمسافة إليها؟
من الضروري تقدير فترة دوران الكائنات المدمجة في اللحظة الأخيرة. ننظر إلى الشكل ونرى أن المسافة بين القمم الأخيرة أقل بعشر مرات تقريبًا من المسافة بين المخاطر، أي حوالي 5 مللي ثانية. وهذا هو نصف فترة دوران الثقب الأسود الذي لا يزال مشوهًا للغاية. ما السرعة الخطية التي يدور بها سطحه؟ تضاهي سرعة الضوء، ولكن أقل، حوالي الثلث (حد ثقب كير) - بغض النظر عن حجمها.

عندها سيكون نصف دائرة الدوران حوالي 500 كيلومتر، مقسومًا على؟، نحصل على نصف قطر قدره 170 كيلومترًا. ويبلغ نصف قطر الثقب الأسود الذي تبلغ كتلته الشمسية 3 كيلومترات، مما يعني أن كتلة النظام تبلغ حوالي 60 كتلة شمسية. في الواقع - 62. دقة مذهلة، خاصة بالنظر إلى أننا قدرنا الوقت بين القمم بالعين المجردة.

الآن دعونا نحاول تقدير المسافة. الأمر أكثر تعقيدًا بعض الشيء. يتناسب اتساع موجة الجاذبية (التشوه النسبي للفضاء) عكسيا مع المسافة إلى المصدر. التشوه في المصدر هائل، حسنًا، ليس وحدة، بالطبع، ولكن 0.1 واقعي تمامًا (الحسابات تعطي بالضبط هذا الترتيب من حيث الحجم). لدينا 10-21 (انظر الوحدات على المحور الرأسي)، مما يعني أننا أبعد عن المصدر بحوالي 1020 مرة من حجمه - 170 كم (انظر أعلاه). نحصل على 1.7 × 107 سم × 1020 = 1.7 × 1027 سم = 0.6 جيجا فرسخ فلكي (في الواقع 0.4 جيجا فرسخ فلكي). مرة أخرى، كانت الضربة ملحوظة على الرغم من أنه لا يزال هناك عدم يقين في اتجاه المستوى الاستوائي للنظام بالنسبة إلى خط الرؤية.