اخترشناسانی که امواج گرانشی را مطالعه می کنند به طور تصادفی به یک معدن طلا برخورد کرده اند. حس: امواج گرانشی ستارگان نوترونی برای اولین بار جمینی در کیهان شناسایی شد

امواج گرانشی که به طور نظری توسط انیشتین در سال 1917 پیش بینی شده بود، هنوز در انتظار کاشف خود هستند.

الکسی لوین

در پایان سال 1969، جوزف وبر، استاد فیزیک دانشگاه مریلند، بیانیه‌ای هیجان‌انگیز بیان کرد. او اعلام کرد که امواج گرانشی را کشف کرده است که از اعماق فضا به زمین می آیند. تا آن زمان، هیچ دانشمندی چنین ادعایی را مطرح نکرده بود و خود امکان تشخیص چنین امواجی به دور از واقعیت در نظر گرفته می شد. با این حال، وبر به عنوان یک مرجع در حوزه خود شناخته می شد و به همین دلیل همکارانش پیام او را بسیار جدی گرفتند.

با این حال، ناامیدی به زودی آغاز شد. دامنه امواجی که ادعا می شود توسط وبر ثبت شده است میلیون ها بار بیشتر از مقدار تئوری بوده است. وبر استدلال می‌کرد که این امواج از مرکز کهکشان ما می‌آیند، که توسط ابرهای غباری پوشیده شده‌اند، که در آن زمان اطلاعات کمی در مورد آن وجود داشت. اخترفیزیکدانان پیشنهاد کرده اند که سیاهچاله ای غول پیکر در آنجا پنهان شده است که سالانه هزاران ستاره را می بلعد و بخشی از انرژی جذب شده را به شکل تابش گرانشی به بیرون پرتاب می کند و ستاره شناسان جستجوی بیهوده را برای یافتن آثار آشکارتر این آدم خواری کیهانی آغاز کردند. اکنون ثابت شده است که واقعاً یک سیاهچاله در آنجا وجود دارد، اما منجر به رفتار کاملاً شایسته ای می شود). فیزیکدانان از ایالات متحده آمریکا، اتحاد جماهیر شوروی، فرانسه، آلمان، انگلستان و ایتالیا آزمایشاتی را بر روی آشکارسازهایی از همان نوع آغاز کردند - و به هیچ چیز نرسیدند.

دانشمندان هنوز نمی‌دانند خوانش‌های عجیب و غریب از ابزار وبر را به چه چیزی نسبت دهند. با این حال، تلاش های او بیهوده نبود، اگرچه امواج گرانشی هنوز شناسایی نشده اند. چندین تأسیسات برای جستجوی آنها قبلاً ساخته شده یا در حال ساخت هستند و ده سال دیگر چنین آشکارسازهایی به فضا پرتاب خواهند شد. کاملاً ممکن است که در آینده ای نه چندان دور، تابش گرانشی به اندازه نوسانات الکترومغناطیسی به یک واقعیت فیزیکی قابل مشاهده تبدیل شود. متأسفانه جوزف وبر دیگر این را نمی داند - او در سپتامبر 2000 درگذشت.

امواج گرانشی چیست؟

اغلب گفته می شود که امواج گرانشی اختلالات میدان گرانشی منتشر شده در فضا هستند. این تعریف درست، اما ناقص است. طبق نظریه نسبیت عام، گرانش به دلیل انحنای پیوستار فضا-زمان به وجود می آید. امواج گرانشی نوسانات متریک فضا-زمان هستند که خود را به صورت نوسانات در میدان گرانشی نشان می دهند، بنابراین اغلب به صورت مجازی امواج فضا-زمان نامیده می شوند. امواج گرانشی به طور نظری در سال 1917 توسط آلبرت انیشتین پیش بینی شد. هیچ کس در وجود آنها شک ندارد، اما امواج گرانشی هنوز منتظر کاشف خود هستند.

منبع امواج گرانشی هر حرکت اجسام مادی است که منجر به تغییر غیر یکنواخت نیروی گرانش در فضای اطراف شود. جسمی که با سرعت ثابت حرکت می کند چیزی از خود ساطع نمی کند، زیرا ماهیت میدان گرانشی آن تغییر نمی کند. برای انتشار امواج گرانشی، شتاب لازم است، اما نه هر شتابی. استوانه ای که حول محور تقارن خود می چرخد، شتاب را تجربه می کند، اما میدان گرانشی آن یکنواخت می ماند و امواج گرانشی ایجاد نمی شوند. اما اگر این استوانه را حول محور دیگری بچرخانید، میدان شروع به نوسان می کند و امواج گرانشی از استوانه در همه جهات حرکت می کند.

این نتیجه برای هر جسم (یا سیستم اجسام) که نسبت به محور چرخش نامتقارن باشد صدق می کند (در چنین مواردی گفته می شود که جسم دارای یک گشتاور چهارقطبی است). یک سیستم جرمی که گشتاور چهارقطبی آن با زمان تغییر می کند همیشه امواج گرانشی ساطع می کند.

چراغ های گرانشی فضا

تابش گرانشی از منابع زمینی بسیار ضعیف است. یک ستون فولادی به وزن 10000 تن که از مرکز در یک صفحه افقی معلق است و حول محور عمودی تا 600 دور در دقیقه می چرخد، توانی حدود 10 تا 24 وات ساطع می کند. بنابراین، تنها امید برای تشخیص امواج گرانشی، یافتن منبع کیهانی تابش گرانشی است.

از این نظر، ستاره های دوگانه نزدیک بسیار امیدوار کننده هستند. دلیل آن ساده است: قدرت تابش گرانشی چنین سیستمی به نسبت معکوس با قدرت پنجم قطر آن رشد می کند. حتی بهتر است که مسیر ستارگان بسیار دراز باشد، زیرا این امر باعث افزایش سرعت تغییر گشتاور چهارقطبی می شود. اگر سیستم دوتایی از ستاره های نوترونی یا سیاهچاله ها تشکیل شده باشد، بسیار خوب است. چنین سیستم هایی شبیه به چراغ های گرانشی در فضا هستند - تابش آنها دوره ای است.

همچنین منابع "پالسی" در فضا وجود دارد که انفجارهای گرانشی کوتاه اما بسیار قوی ایجاد می کند. این زمانی اتفاق می افتد که یک ستاره عظیم قبل از یک انفجار ابرنواختر فرو می ریزد. با این حال، تغییر شکل ستاره باید نامتقارن باشد، در غیر این صورت تابش رخ نخواهد داد. در هنگام فروپاشی، امواج گرانشی می توانند تا 10 درصد از کل انرژی ستاره را با خود ببرند! قدرت تابش گرانشی در این حالت حدود 1050 وات است. حتی انرژی بیشتری در طول ادغام ستارگان نوترونی آزاد می شود، در اینجا اوج قدرت به 10 52 وات می رسد. یک منبع عالی تابش برخورد سیاهچاله ها است: جرم آنها می تواند میلیاردها بار از جرم ستاره های نوترونی بیشتر شود.

منبع دیگر امواج گرانشی تورم کیهانی است. بلافاصله پس از انفجار بزرگ، کیهان به سرعت شروع به انبساط کرد و در کمتر از 10-34 ثانیه قطر آن از 10-33 سانتی متر به اندازه ماکروسکوپی آن افزایش یافت. این فرآیند امواج گرانشی را که قبل از شروع آن وجود داشت و نسل آن‌ها تا به امروز ادامه دارد، به طرز بی‌اندازه‌ای تقویت کرد.

تایید غیر مستقیم

اولین شواهد وجود امواج گرانشی از کار جوزف تیلور، ستاره شناس رادیویی آمریکایی و شاگردش راسل هالس بدست می آید. در سال 1974، آنها یک جفت ستاره نوترونی را کشف کردند که به دور یکدیگر می چرخیدند (یک تپ اختر رادیویی با یک همراه خاموش). تپ اختر حول محور خود با سرعت زاویه ای پایدار می چرخید (که همیشه اینطور نیست) و بنابراین به عنوان یک ساعت بسیار دقیق عمل می کرد. این ویژگی امکان اندازه گیری جرم هر دو ستاره و تعیین ماهیت حرکت مداری آنها را فراهم کرد. مشخص شد که دوره مداری این سیستم دوتایی (حدود 3 ساعت و 45 دقیقه) سالانه 70 میکرو ثانیه کاهش می یابد. این مقدار با حل معادلات نظریه نسبیت عام که از دست دادن انرژی یک جفت ستاره در اثر تشعشعات گرانشی را توصیف می کند به خوبی مطابقت دارد (البته برخورد این ستارگان به زودی و بعد از 300 میلیون سال اتفاق نخواهد افتاد). در سال 1993، تیلور و هولس به خاطر این کشف جایزه نوبل دریافت کردند.

آنتن های امواج گرانشی

چگونه امواج گرانشی را به صورت تجربی تشخیص دهیم؟ وبر از سیلندرهای آلومینیومی جامد یک متری با سنسورهای پیزوالکتریک در انتهای آن به عنوان آشکارساز استفاده کرد. آنها با حداکثر مراقبت از تأثیرات مکانیکی خارجی در یک محفظه خلاء جدا شدند. وبر دو تا از این سیلندرها را در پناهگاهی در زیر زمین گلف دانشگاه مریلند و یکی در آزمایشگاه ملی آرگون نصب کرد.

ایده آزمایش ساده است. فضا تحت تأثیر امواج گرانشی فشرده و کشیده می شود. به لطف این، سیلندر در جهت طولی ارتعاش می کند و به عنوان یک آنتن موج گرانشی عمل می کند و کریستال های پیزوالکتریک ارتعاشات را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کند. هر گونه عبور از امواج گرانشی کیهانی تقریباً به طور همزمان بر آشکارسازهایی که با هزار کیلومتر از هم جدا شده اند تأثیر می گذارد و این امکان فیلتر کردن تکانه های گرانشی از انواع مختلف نویز را فراهم می کند.

حسگرهای وبر قادر به تشخیص جابجایی انتهای سیلندر برابر با 10-15 طول آن بودند - در این مورد 10-13 سانتی متر. دقیقاً چنین نوساناتی بود که وبر قادر به تشخیص آن بود که او برای اولین بار در سال 1959 گزارش داد. صفحات بررسی نامه های فیزیکی. تمام تلاش ها برای تکرار این نتایج بی نتیجه بوده است. داده‌های وبر نیز با این نظریه در تضاد است، که عملاً به ما اجازه نمی‌دهد جابه‌جایی نسبی بالاتر از 10-18 را انتظار داشته باشیم (و مقادیر کمتر از 10-20 بسیار محتمل‌تر هستند). ممکن است که وبر هنگام پردازش آماری نتایج اشتباه کرده باشد. اولین تلاش برای تشخیص تجربی تابش گرانشی با شکست انجام شد.

پس از آن، آنتن های امواج گرانشی به طور قابل توجهی بهبود یافتند. در سال 1967، بیل فیربنک، فیزیکدان آمریکایی، خنک کردن آنها در هلیوم مایع را پیشنهاد کرد. این نه تنها خلاص شدن از شر بیشتر نویزهای حرارتی را ممکن کرد، بلکه امکان استفاده از SQUID (تداخل سنج‌های کوانتومی ابررسانا)، دقیق‌ترین مغناطیس‌سنج‌های فوق‌العاده حساس را نیز باز کرد. اجرای این ایده مملو از مشکلات فنی بسیاری بود و خود فیربنک هم زنده نبود. در اوایل دهه 1980، فیزیکدانان دانشگاه استنفورد یک تاسیسات با حساسیت 10-18 ساخته بودند، اما هیچ امواجی شناسایی نشد. در حال حاضر در تعدادی از کشورها آشکارسازهای ارتعاش فوق برودتی امواج گرانشی وجود دارد که در دماهای تنها یک دهم و صدم درجه بالاتر از صفر مطلق کار می کنند. این، برای مثال، نصب AURIGA در پادوآ است. آنتن برای آن یک استوانه سه متری از آلیاژ آلومینیوم منیزیم است که قطر آن 60 سانتی متر و وزن آن 2.3 تن است و در یک محفظه خلاء خنک شده تا 0.1 کلوین آویزان است. ضربه های آن (با فرکانس حدود 1000 هرتز) به یک تشدید کننده کمکی با وزن 1 کیلوگرم منتقل می شود که با همان فرکانس، اما با دامنه بسیار بزرگتر می لرزد. این ارتعاشات توسط تجهیزات اندازه گیری ثبت و با استفاده از کامپیوتر تجزیه و تحلیل می شوند. حساسیت مجموعه AURIGA حدود 10 -20 -10 -21 می باشد.

تداخل سنج

روش دیگر برای تشخیص امواج گرانشی بر اساس رها کردن تشدیدگرهای عظیم به نفع پرتوهای نور است. اولین بار توسط فیزیکدانان شوروی میخائیل هرزنشتاین و ولادیسلاو پوستوویت در سال 1962 و دو سال بعد توسط وبر پیشنهاد شد. در اوایل دهه 1970، رابرت فوروارد، کارمند آزمایشگاه تحقیقاتی شرکت هواپیماسازی هیوز (دانشجوی سابق وبر و بعدها نویسنده بسیار مشهور داستان های علمی تخیلی)، اولین آشکارساز از این دست را با حساسیت کاملا مناسب ساخت. در همان زمان، راینر وایس، استاد موسسه فناوری ماساچوست (MIT) یک تحلیل نظری بسیار عمیق از امکان ثبت امواج گرانشی با استفاده از روش‌های نوری انجام داد.

این روش ها شامل استفاده از آنالوگ های دستگاهی است که 125 سال پیش فیزیکدان آلبرت مایکلسون با آن ثابت کرد که سرعت نور در همه جهات کاملاً یکسان است. در این نصب، یک تداخل سنج Michelson، یک پرتو نور به یک صفحه نیمه شفاف برخورد می کند و به دو پرتو عمود بر هم تقسیم می شود که از آینه هایی که در همان فاصله از صفحه قرار دارند منعکس می شوند. سپس پرتوها دوباره ادغام می شوند و روی صفحه می افتند، جایی که یک الگوی تداخلی ظاهر می شود (راه راه ها و خطوط روشن و تیره). اگر سرعت نور به جهت آن بستگی دارد، پس زمانی که کل نصب می چرخد، این تصویر باید تغییر کند، اگر نه، باید مانند قبل باقی بماند.

آشکارساز تداخل امواج گرانشی به روشی مشابه کار می کند. یک موج عبوری فضا را تغییر شکل می دهد و طول هر بازوی تداخل سنج (مسیری که نور در طول آن از شکافنده به آینه می رسد) تغییر می دهد، یک بازو را کشیده و دیگری را فشرده می کند. الگوی تداخل تغییر می کند و می توان آن را ثبت کرد. اما این کار آسانی نیست: اگر تغییر نسبی مورد انتظار در طول بازوهای تداخل سنج 10-20 باشد، با اندازه رومیزی دستگاه (مانند مایکلسون) منجر به نوساناتی با دامنه 10 - می شود. 18 سانتی متر برای مقایسه: امواج نور مرئی 10 تریلیون. بار دیگر! می توانید طول شانه ها را تا چند کیلومتر افزایش دهید، اما مشکلات همچنان پابرجا خواهند بود. منبع نور لیزر باید از نظر فرکانس قدرتمند و پایدار باشد، آینه‌ها باید کاملاً مسطح و کاملاً بازتابنده باشند، خلاء در لوله‌هایی که نور از آن عبور می‌کند باید تا حد امکان عمیق باشد و تثبیت مکانیکی کل سیستم باید باشد. واقعا عالی به طور خلاصه، آشکارساز تداخل امواج گرانشی یک دستگاه گران قیمت و حجیم است.

امروزه بزرگترین تاسیسات از این نوع، مجتمع آمریکایی LIGO (رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنج نور) است. این رصدخانه شامل دو رصدخانه است که یکی از آنها در سواحل اقیانوس آرام ایالات متحده و دیگری در نزدیکی خلیج مکزیک واقع شده است. اندازه گیری ها با استفاده از سه تداخل سنج (دو تا در ایالت واشنگتن، یکی در لوئیزیانا) با بازوهایی به طول چهار کیلومتر انجام می شود. این نصب مجهز به باتری های نور آینه ای است که حساسیت آن را افزایش می دهد. پیتر ساولسون، نماینده مجتمع LIGO، استاد فیزیک دانشگاه سیراکیوز، به Popular Mechanics گفت: «از نوامبر 2005، هر سه تداخل سنج ما به طور عادی کار می کنند. ما دائماً داده‌ها را با رصدخانه‌های دیگری مبادله می‌کنیم که سعی می‌کنند امواج گرانشی با فرکانس ده‌ها و صدها هرتز را که در طی قوی‌ترین انفجارهای ابرنواختر و ادغام ستاره‌های نوترونی و سیاه‌چاله‌ها به وجود آمده‌اند، شناسایی کنیم. در حال حاضر تداخل سنج GEO 600 آلمان (طول بازو - 600 متر) در 25 کیلومتری هانوفر واقع شده است. ساز 300 متری TAMA ژاپنی در حال حاضر در حال ارتقا است. آشکارساز Virgo سه کیلومتری نزدیک پیزا در اوایل سال 2007 به این تلاش ملحق خواهد شد و در فرکانس های زیر 50 هرتز می تواند از LIGO پیشی بگیرد. تاسیسات با تشدید کننده های اولتراکریوژنیک با افزایش کارایی کار می کنند، اگرچه حساسیت آنها هنوز تا حدودی کمتر از حساسیت ما است.

1. در فضای خالی با سرعت نور منتشر می شوند. علاوه بر این، این سرعت تقریباً همیشه هنگام برخورد با اجسام مادی حفظ می شود، به طوری که امواج گرانشی دچار شکست نمی شوند. ماده فوق چگال می تواند سرعت امواج گرانشی را کاهش دهد، اما در موارد دیگر این اثر ناچیز است. دامنه امواج گرانشی با فاصله از منبع محو می شود، اما به صفر نمی رسد: هنگامی که یک موج گرانشی به وجود می آید، به معنای خاصی، محکوم به زندگی ابدی است. به ویژه، جهان باید با امواج یادگاری به ارث رسیده از مرحله تورم نفوذ کند. آنها اطلاعات مربوط به ساختار جهان "جنین" را رمزگذاری می کنند، اما هنوز باید رمزگشایی شود. 2. امواج گرانشی عرضی هستند. چنین موجی ساختار فضا را در صفحه ای عمود بر بردار انتشار آن مخدوش می کند. جسم جامدی که در ناحیه جلوی یک موج گرانشی گرفتار شده است، دقیقاً در این صفحه تغییر شکل‌هایی را تجربه می‌کند (که به ماهیت موج بستگی دارد). 3. امواج گرانشی انرژی را که از ماده ساطع کننده خود می گیرند، می برند. بنابراین، با گذشت زمان، ستارگان منظومه دوتایی به هم نزدیک می شوند و دوره چرخش آنها در اطراف مرکز جرم مشترک کاهش می یابد.

چشم انداز

آینده نزدیک برای روش های تشخیص امواج گرانشی چه چیزی را در پیش خواهد داشت؟ پروفسور راینر وایس در این باره به Popular Mechanics گفت: «تا چند سال دیگر، لیزرهای قدرتمندتر و آشکارسازهای پیشرفته تری در رصدخانه های مجتمع LIGO نصب خواهند شد که منجر به افزایش 15 برابری حساسیت می شود. اکنون 10 -21 است (در فرکانس های حدود 100 هرتز) و پس از مدرن سازی از 10 -22 تجاوز می کند. مجتمع ارتقا یافته، Advanced LIGO، عمق نفوذ به فضا را 15 برابر افزایش می دهد. ولادیمیر براگینسکی، استاد دانشگاه دولتی مسکو، یکی از پیشگامان مطالعه امواج گرانشی، به طور فعال در این پروژه مشارکت دارد.

پرتاب تداخل سنج فضایی LISA (Laser Interferometer Space Antenna) با طول بازوی 5 میلیون کیلومتر برای اواسط دهه آینده برنامه ریزی شده است، این پروژه مشترک ناسا و آژانس فضایی اروپا است. حساسیت این رصدخانه صدها برابر بیشتر از قابلیت های ابزارهای زمینی خواهد بود. در اصل برای جستجوی امواج گرانشی با فرکانس پایین (10-4-10-1 هرتز) طراحی شده است که به دلیل تداخل جوی و لرزه ای روی سطح زمین قابل شناسایی نیستند. چنین امواجی توسط سیستم‌های ستاره‌ای دوتایی ساطع می‌شوند، ساکنان کاملاً معمولی کیهان. LISA همچنین قادر خواهد بود امواج گرانشی ایجاد شده در هنگام جذب ستاره های معمولی توسط سیاهچاله ها را تشخیص دهد. اما برای تشخیص امواج گرانشی باقیمانده که اطلاعاتی درباره وضعیت ماده در اولین لحظات پس از انفجار بزرگ دارند، به احتمال زیاد به ابزارهای فضایی پیشرفته تری نیاز است. چنین نصبی، Big Bang Observer، اکنون در حال بحث است، اما بعید است که زودتر از 30-40 سال آینده ایجاد و راه اندازی شود.

فیزیکدانان LIGO (رصدخانه گرانشی تداخل سنجی لیزری) برای اولین بار امواج گرانشی را کشف کردند - اختلالات فضا-زمان که صد سال پیش توسط خالق نظریه نسبیت عام، آلبرت انیشتین پیش بینی شده بود. درباره افتتاحیه در طول یک پخش زنده که توسط Lenta.ru و دانشگاه دولتی مسکو (MSU) به نام M.V. لومونوسوف، دانشمندان دانشکده فیزیک، شرکت کنندگان در همکاری بین المللی LIGO. Lenta.ru با یکی از آنها، فیزیکدان روسی سرگئی ویاتچانین صحبت کرد.

امواج گرانشی چیست؟

طبق قانون گرانش جهانی نیوتن، دو جسم با نیرویی که متناسب با مجذور فاصله بین آنهاست، به یکدیگر جذب می شوند. این نظریه، برای مثال، چرخش زمین و ماه در فضای صاف و زمان جهانی را توصیف می کند. انیشتین با توسعه نظریه نسبیت خاص، متوجه شد که زمان و مکان یک جوهر هستند و یک نظریه نسبیت عام ارائه کرد - نظریه گرانش بر اساس این واقعیت که گرانش خود را به عنوان انحنای فضا-زمان که ماده ایجاد می کند نشان می دهد.

دکتر سرگئی ویاتچانین، دکترای علوم فیزیک و ریاضی، از سال 2012 ریاست گروه فیزیک نوسانات دانشکده فیزیک دانشگاه دولتی مسکو را بر عهده دارد. علایق تحقیقاتی او بر مطالعه اندازه‌گیری‌های کوانتومی بدون اغتشاش، آنتن‌های امواج گرانشی لیزری، مکانیسم‌های اتلاف، نویز بنیادی و اثرات نوری غیرخطی متمرکز است. این دانشمند با موسسه فناوری کالیفرنیا در ایالات متحده و انجمن ماکس پلانک در آلمان همکاری داشت.

می توانید یک دایره الاستیک را تصور کنید. اگر یک توپ سبک به سمت آن پرتاب کنید، در یک خط مستقیم می غلتد. اگر یک سیب سنگین را در مرکز دایره قرار دهید، مسیر خم می شود. از معادلات نسبیت عام، انیشتین بلافاصله متوجه شد که امواج گرانشی امکان پذیر است. اما در آن زمان (در آغاز قرن بیستم) این اثر به شدت ضعیف تلقی می شد. می توان گفت که امواج گرانشی موج هایی در فضا-زمان هستند. نکته بد این است که این یک تعامل بسیار ضعیف است.

اگر امواج مشابه (الکترومغناطیسی) را در نظر بگیریم، آزمایش هرتز وجود داشت که امیتر را در یک گوشه اتاق و گیرنده را در گوشه دیگر قرار داد. این با امواج گرانشی کار نمی کند. تعامل خیلی ضعیف ما فقط می توانیم به فجایع اخترفیزیکی تکیه کنیم.

آنتن گرانشی چگونه کار می کند؟

یک تداخل سنج Fabry-Pero وجود دارد که دو جرم با چهار کیلومتر از هم فاصله دارند. فاصله بین توده ها کنترل می شود. اگر موج از بالا بیاید، فاصله کمی تغییر می کند.

آیا اغتشاش گرانشی اساساً تحریف متریک است؟

شما می توانید این را بگویید. ریاضیات این را به عنوان انحنای جزئی فضا توصیف می کند. هرزنشتاین و پوستوویت در سال 1962 استفاده از لیزر را برای تشخیص امواج گرانشی پیشنهاد کردند. این یک مقاله اتحاد جماهیر شوروی بود، یک فانتزی... عالی، اما هنوز هم یک پرواز خیالی. آمریکایی ها در دهه 1990 (کیپ تورن، رونالد درور و راینر وایس) فکر کردند و تصمیم گرفتند که یک آنتن گرانشی لیزری بسازند. علاوه بر این، دو آنتن مورد نیاز است، زیرا در صورت وجود رویدادها، لازم است از یک طرح تصادفی استفاده شود. و سپس همه چیز شروع شد. قصه اش مفصل است. ما از سال 1992 با Caltech همکاری می کنیم و در سال 1998 به صورت قراردادی رسمی تغییر می کنیم.

آیا فکر نمی کنید که واقعیت امواج گرانشی بدون شک بود؟

به طور کلی، جامعه علمی به وجود آنها اطمینان داشت و کشف آنها یک مسئله زمان بود. هالس و تیلور جایزه نوبل را برای کشف واقعی امواج گرانشی دریافت کردند. آنها چه کردند؟ ستاره های دوگانه وجود دارد - تپ اخترها. از آنجایی که می چرخند، امواج گرانشی ساطع می کنند. ما نمی توانیم آنها را مشاهده کنیم. اما اگر امواج گرانشی ساطع کنند، انرژی ساطع می کنند. این بدان معنی است که چرخش آنها کم می شود، گویی به دلیل اصطکاک. ستارگان به هم نزدیکتر می شوند و تغییر فرکانس دیده می شود. آنها نگاه کردند - و دیدند (در سال 1974 - تقریبا "Tapes.ru"). این شواهد غیر مستقیم از وجود امواج گرانشی است.

حالا - مستقیم؟

اکنون - مستقیم. یک سیگنال رسید و روی دو آشکارساز ثبت شد.

آیا قابلیت اطمینان بالاست؟

باز کردن کافی است.

سهم دانشمندان روسی در این آزمایش چیست؟

کلید. در LIGO اولیه (نسخه اولیه آنتن - تقریبا "Tapes.ru") از توده های ده کیلویی استفاده می کردند و به نخ های فولادی آویزان می کردند. براگینسکی دانشمند ما قبلاً ایده استفاده از نخ های کوارتز را بیان کرده است. مقاله ای منتشر شد که ثابت کرد رشته های کوارتز صدای بسیار کمتری تولید می کنند. و اکنون توده ها (در LIGO پیشرفته، یک نصب مدرن - تقریبا "Tapes.ru") روی نخ های کوارتز آویزان کنید.

سهم دوم تجربی و مربوط به اتهامات است. توده ها که با چهار کیلومتر از هم جدا شده اند، باید به نحوی با استفاده از فعال کننده های الکترواستاتیک تنظیم شوند. این سیستم بهتر از مغناطیسی است که قبلا استفاده می شد، اما بار را حس می کند. به طور خاص، در هر ثانیه تعداد زیادی ذره - میون - از کف دست فرد عبور می کند که می تواند باری از خود به جا بگذارد. اکنون آنها با این مشکل دست و پنجه نرم می کنند. گروه ما (والری میتروفانوف و لئونید پروخوروف) به صورت آزمایشی در این مسابقه شرکت می کنند و به طور قابل توجهی با تجربه تر شده اند.

در اوایل دهه 2000، ایده ای برای استفاده از رشته های یاقوت کبود در LIGO پیشرفته وجود داشت، زیرا یاقوت کبود به طور رسمی فاکتور کیفیت بالاتری دارد. چرا مهم است؟ هر چه ضریب کیفیت بالاتر باشد، نویز کمتری دارد. این یک قانون کلی است. گروه ما به اصطلاح نویز ترموالاستیک را محاسبه کرد و نشان داد که هنوز بهتر است از کوارتز به جای یاقوت کبود استفاده شود.

و بیشتر. حساسیت آنتن گرانشی نزدیک به حد کوانتومی است. به اصطلاح حد کوانتومی استاندارد وجود دارد: اگر یک مختصات را اندازه‌گیری کنید، طبق اصل عدم قطعیت هایزنبرگ بلافاصله آن را به هم می‌زنید. اگر به طور مداوم یک مختصات را اندازه گیری کنید، در این صورت دائماً آن را مختل می کنید. اندازه گیری مختصات خیلی دقیق خوب نیست: یک اثر نوسان معکوس بزرگ وجود خواهد داشت. این در سال 1968 توسط Braginsky نشان داده شد. برای LIGO محاسبه شده است. مشخص شد که برای LIGO اولیه حساسیت تقریباً ده برابر بیشتر از حد استاندارد کوانتومی است.

اکنون امید این است که LIGO پیشرفته به حد استاندارد کوانتومی برسد. شاید پایین بیاید. این در واقع یک رویا است. آیا می توانید این را تصور کنید؟ شما یک دستگاه ماکروسکوپی کوانتومی خواهید داشت: دو جرم سنگین در فاصله چهار کیلومتری.

امواج گرانشی در 14 سپتامبر 2015 در ساعت 05:51 صبح به وقت شرق شرقی (13:51 به وقت مسکو) در آشکارسازهای دوقلوی رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنج لیزری LIGO واقع در لیوینگستون (لوئیزیانا) و هانفورد (ایالت واشنگتن) ثبت شد. ) در آمریکا. آشکارسازهای LIGO نوسانات نسبی ده تا منفی 19 متر (این تقریباً برابر است با نسبت قطر یک اتم به قطر یک سیب) از جفت جرم های آزمایشی که با چهار کیلومتر از هم جدا شده بودند را شناسایی کردند. این آشفتگی ها توسط یک جفت سیاهچاله (29 و 36 برابر سنگین تر از خورشید) در آخرین کسری از ثانیه قبل از اینکه در یک جسم گرانشی دوار پرجرم تر (62 برابر سنگین تر از خورشید) ادغام شوند، ایجاد می شوند. در کسری از ثانیه، سه جرم خورشیدی به امواج گرانشی تبدیل شدند که حداکثر قدرت تابش آن حدود 50 برابر بیشتر از کل جهان مرئی بود. ادغام سیاهچاله ها 1.3 میلیارد سال پیش رخ داد (این مدت زمان طول کشید تا اختلال گرانشی به زمین برسد). دانشمندان با تجزیه و تحلیل لحظه های رسیدن سیگنال ها (آشکارگر لیوینگستون این رویداد را هفت میلی ثانیه زودتر از آشکارساز هانفورد ثبت کرد)، فرض کردند که منبع سیگنال در نیمکره جنوبی قرار دارد. دانشمندان نتایج خود را برای انتشار در مجله Physical Review Letters ارسال کردند.

در نگاه اول، این خیلی سازگار نیست.

این چیزی است که متناقض است. یعنی معلوم می شود که فوق العاده است. به نظر می رسد بوی شارلاتانیسم می دهد، اما در واقعیت اینطور نیست، همه چیز صادقانه است. اما در حال حاضر اینها رویا هستند. به حد استاندارد کوانتومی نرسیده است. در آنجا هنوز باید کار کنید و کار کنید. اما از قبل مشخص است که نزدیک است.

آیا امیدی هست که این اتفاق بیفتد؟

آره. محدودیت کوانتومی استاندارد باید غلبه شود و گروه ما در توسعه روش هایی برای چگونگی انجام این کار مشارکت داشته است. اینها به اصطلاح اندازه گیری های کوانتومی بدون اغتشاش هستند، چه طرح اندازه گیری خاصی مورد نیاز است - این یا آن... بالاخره، وقتی به صورت تئوری مطالعه می کنید، محاسبات هیچ هزینه ای ندارند، و آزمایش گران است. LIGO به دقت ده تا منفی 19 متر دست یافت.

بیایید مثال یک کودک را به یاد بیاوریم. اگر زمین را به اندازه یک پرتقال کوچک کنیم و سپس آن را به همان اندازه کوچک کنیم، به اندازه یک اتم می رسیم. بنابراین، اگر اتم را به همان مقدار کاهش دهیم، ده متر به منفی 19 درجه می رسیم. این چیزهای دیوانه کننده است این یک دستاورد تمدنی است.

این خیلی مهم است، بله. بنابراین کشف امواج گرانشی چه معنایی برای علم دارد؟ اعتقاد بر این است که این می تواند روش های رصدی نجوم را تغییر دهد.

ما چه داریم؟ نجوم در محدوده معمول. تلسکوپ های رادیویی، تلسکوپ های مادون قرمز، رصدخانه های اشعه ایکس.

آیا همه چیز در محدوده الکترومغناطیسی است؟

آره. علاوه بر این، رصدخانه های نوترینو نیز وجود دارد. ثبت ذرات کیهانی وجود دارد. این یک کانال دیگر اطلاعات است. اگر آنتن گرانشی اطلاعات اخترفیزیکی تولید کند، محققان چندین کانال رصدی را به طور همزمان در اختیار خواهند داشت که از طریق آنها می توانند نظریه را آزمایش کنند. بسیاری از نظریه های کیهان شناسی ارائه شده است که با یکدیگر رقابت می کنند. از بین بردن چیزی امکان پذیر خواهد بود. به عنوان مثال، زمانی که بوزون هیگز در برخورد دهنده بزرگ هادرون کشف شد، چندین نظریه بلافاصله از بین رفتند.

یعنی این به انتخاب مدل های کیهانی کار کمک می کند. یه سوال دیگه آیا می توان از یک آنتن گرانشی برای اندازه گیری دقیق انبساط شتاب یافته کیهان استفاده کرد؟

تا اینجا حساسیت خیلی کم است.

در آینده چطور؟

در آینده می توان از آن برای اندازه گیری پس زمینه گرانشی باقیمانده نیز استفاده کرد. اما هر آزمایش‌کننده‌ای به شما می‌گوید: "آی-ای!" یعنی این هنوز خیلی فاصله دارد. خدا کنه که یک فاجعه اخترفیزیکی ثبت کنیم.

برخورد سیاهچاله...

آره. بالاخره این یک فاجعه است. خدا نکنه به اونجا برسی ما وجود نخواهیم داشت و اینجا چنین پیش زمینه ای است... فعلا... «امیدهای جوان را تغذیه می کنند، به بزرگترها شادی می بخشند».

آیا کشف امواج گرانشی می تواند شواهد بیشتری از وجود سیاهچاله ها ارائه دهد؟ بالاخره هنوز کسانی هستند که وجودشان را باور ندارند.

آره. آنها چگونه در LIGO کار می کنند؟ این سیگنال در حال ضبط است تا توضیح دهد که کدام دانشمندان الگوهایی را توسعه داده و آنها را با داده های رصدی مقایسه می کنند. برخورد ستارگان نوترونی، ستاره نوترونی به سیاهچاله می افتد، انفجار ابرنواختری، سیاهچاله با سیاهچاله ادغام می شود ... پارامترها را تغییر می دهیم، مثلا نسبت جرم، لحظه اولیه ... چه چیزی باید می بینیم؟ ضبط در حال انجام است و در لحظه سیگنال عملکرد الگوها ارزیابی می شود. اگر الگوی طراحی شده برای برخورد دو سیاهچاله با سیگنال مطابقت داشت، پس این اثبات است. اما نه مطلق.

آیا توضیح بهتری وجود ندارد؟ آیا کشف امواج گرانشی به سادگی با برخورد سیاهچاله ها توضیح داده می شود؟

در حال حاضر - بله. اکنون جامعه علمی معتقد است که این ادغام سیاهچاله ها بوده است. اما یک جامعه جمعی نظر بسیاری است، یک اجماع. البته در صورت بروز برخی عوامل جدید می توان آن را کنار گذاشت.

چه زمانی می توان امواج گرانشی را از اجسام کم جرم ردیابی کرد؟ آیا این بدان معنا نیست که باید رصدخانه های جدید و حساس تری ساخته شود؟

یک برنامه نسل بعدی به نام LIGO وجود دارد. این دومی است. سومی وجود خواهد داشت. گزینه های زیادی در آنجا وجود دارد. می توانید فاصله را افزایش دهید، قدرت و سیستم تعلیق را افزایش دهید. اکنون همه اینها مورد بحث است. در سطح طوفان فکری. اگر مشاهده یک سیگنال گرانشی تایید شود، به دست آوردن پول برای بهبود رصدخانه آسان تر خواهد بود.

آیا در ساخت رصدخانه های گرانشی رونق وجود دارد؟

نمی دانم. گران است (LIGO حدود 370 میلیون دلار هزینه دارد - تقریبا "Tapes.ru"). به هر حال، آمریکایی ها به استرالیا پیشنهاد ساخت آنتن در نیمکره جنوبی دادند و موافقت کردند که تمام تجهیزات این کار را فراهم کنند. استرالیا امتناع کرد. اسباب بازی خیلی گران قیمت نگهداری از رصدخانه کل بودجه علمی کشور را به خود اختصاص می دهد.

آیا روسیه از نظر مالی در LIGO مشارکت دارد؟

ما با آمریکایی ها همکاری می کنیم. در ادامه چه اتفاقی خواهد افتاد نامشخص است. تا اینجا ما با دانشمندان روابط خوبی داریم، اما سیاستمداران بر همه چیز حکومت می کنند... بنابراین، ما باید مراقب باشیم. قدر ما را می دانند. ما نتایجی را ارائه می دهیم که واقعاً هم سطح هستند. اما آنها نیستند که تصمیم می گیرند با روسیه دوست شوند یا نه.

متاسفانه بله.

این زندگی است، صبر کنیم.

رصدخانه LIGO توسط بنیاد ملی علوم ایالات متحده تأمین مالی می شود. تحقیقات در LIGO به عنوان بخشی از همکاری با همین نام توسط بیش از هزار دانشمند از ایالات متحده و 14 کشور دیگر، از جمله روسیه، به نمایندگی از دو گروه از دانشگاه دولتی مسکو و موسسه فیزیک کاربردی روسیه انجام می شود. آکادمی علوم (نیژنی نووگورود).

آیا برنامه ای برای ساخت رصدخانه گرانشی در روسیه وجود دارد؟

هنوز برنامه ریزی نشده در دهه 1980، موسسه نجوم دولتی استرنبرگ دانشگاه دولتی مسکو می خواست همان آنتن گرانشی را در دره باکسان، تنها در مقیاس کوچکتر بسازد. اما پرسترویکا آمد و همه چیز برای مدت طولانی با یک حوض مسی پوشیده شد. اکنون پلیس راهنمایی و رانندگی دانشگاه دولتی مسکو در تلاش است تا کاری انجام دهد، اما تا کنون آنتن کار نکرده است...

چه چیز دیگری را می توانید با استفاده از آنتن گرانشی بررسی کنید؟

اعتبار نظریه گرانش. به هر حال، بیشتر نظریه های موجود بر اساس نظریه انیشتین هستند.

هنوز کسی نمی تواند آن را رد کند.

او موقعیت پیشرو را اشغال می کند. نظریه های جایگزین به گونه ای طراحی شده اند که اساساً به همان نتایج تجربی منجر می شوند. و این طبیعی است. بنابراین، ما به حقایق جدیدی نیاز داریم که نظریه های نادرست را از بین ببرد.

به طور خلاصه، معنای کشف را چگونه بیان می کنید؟

در واقع نجوم گرانشی آغاز شد. و برای اولین بار امواج انحنای فضا قلاب شد. نه غیر مستقیم، بلکه مستقیم. آدم خودش را تحسین می کند: من چه پسر عوضی هستم!

آنیا گروشینا

کریستال های زمانی یا زمانی ایده جدیدی در فیزیک هستند که در سال های اخیر به طور گسترده ای مورد بحث قرار گرفته است. آنها سیستم های فیزیکی هستند که در طول زمان خود را "به تنهایی" تکرار می کنند. علیرغم ماهیت عجیب و غریب این مفهوم، محققان در حال حاضر در حال بررسی زمینه های احتمالی کاربرد این ایده هستند و به دنبال موفق ترین "دستور العمل ها" برای تهیه "زمان بلورین" هستند.

فرانک ویلچک، برنده جایزه نوبل 2004 و نویسنده مفهوم کریستال زمان عکس: کنت سی زیرکل/ویکی‌مدیا کامانز/CC BY-SA 3.0.

"دستور العمل" برای یک کریستال زمانی از آزمایش کریستوفر مونرو: تابش لیزر، که با فلش های نارنجی و سبز نشان داده شده است، لحظات مغناطیسی (اسپین) را برعکس می کند. نور لیزر که با فلش قرمز نشان داده می شود، بی نظمی ایجاد می کند و باعث برهمکنش بین چرخش ها می شود. در نتیجه، سیستم اسپین ها بین دو حالت پایدار که در برابر تغییرات فرکانس پمپ مقاوم هستند، نوسان می کند.

زیبایی قوانین طبیعت با تقارن همراه است. به بیان دقیق، تقارن در فیزیک نشان می‌دهد که برخی از ویژگی‌ها تحت یک تبدیل خاص بدون تغییر باقی می‌مانند: این می‌تواند یک چرخش یا جابجایی در فضا، یک بازتاب آینه‌ای باشد. به عبارت ساده، مهم نیست که چگونه یک جسم یا جهان را بپیچانید، قوانین فیزیک تغییر نمی کند. تقارن می تواند پیوسته یا گسسته باشد. به عنوان مثال، یک توپ همگن را می توان به هر زاویه ای چرخاند - هیچ چیز تغییر نخواهد کرد. اما مکعب فقط زمانی که در یک زاویه خاص بچرخد "تکرار می شود". اینها نمونه هایی از تقارن دورانی پیوسته و گسسته هستند.

فیزیک جالب از جایی شروع می شود که تقارن تغییر می کند، یا بهتر است بگوییم، شکسته می شود. فرض کنید یک کریستال از یک مایع همگن متشکل از اتم های یکسان کمتر متقارن است، بنابراین می توان آن را به عنوان نقض تقارن فضایی در نظر گرفت. اتم های موجود در آن در گره های به اصطلاح شبکه کریستالی با فواصل و زوایای مشخص قرار دارند. برای به دست آوردن کریستال یکسان در هنگام حرکت در فضا، باید با یک فاصله کاملاً مشخص حرکت کرد (به اصطلاح ثابت شبکه - اندازه سلول ابتدایی، که تکرار آن می تواند کل کریستال را بازتولید کند) یا توسط زاویه مناسب ویژگی‌های خاص کریستال‌ها مستقیماً به نحوه دقیق شکسته شدن تقارن بستگی دارد: تعداد الکترون‌های روی پوسته بیرونی اتم‌ها، گشتاورهای مغناطیسی، دما - همه اینها بر تعامل بین اتم‌ها تأثیر می‌گذارد و در نهایت خواص ماده را تعیین می‌کند. فیزیکدانان برای مدت طولانی روی کریستال ها مطالعه کرده اند و حتی یاد گرفته اند که سیستم های مشابهی را با استفاده از لیزر یا امواج مایکروویو ایجاد کنند، جایی که نقش گره های شبکه را می توان نه تنها توسط اتم ها و الکترون ها، بلکه توسط فوتون ها یا شبه ذرات، مانند فونون ها، ایفا کرد. تقارن محیط نیز توسط مغناطیس و جریان الکتریکی مختل می شود.

اما نقض گسسته تقارن زمانی یا زمانی (جریان پیوسته زمان فقط به جلو) هنوز قلمروی ناشناخته است. فرانک ویلچک، برنده جایزه نوبل سال 2004 برای توصیف برهمکنش بین کوارک ها و گلوئون ها، در سال 2012 شروع به فکر کردن به این موضوع کرد که چرا تقارن زمانی هرگز به طور خود به خود شکسته نمی شود (یعنی به دلیل تعاملات تصادفی بین عناصر سیستم) و اینکه آیا این امکان وجود دارد یا خیر. برای ایجاد شرایطی که در آن این امکان وجود داشته باشد. در نتیجه، او کریستال های زمانی را به عنوان راهی برای شکستن تقارن زمانی ارائه کرد.

کریستال های زمانی ساختارهای فرضی هستند که بدون صرف انرژی مانند ساعت مکانیکی که نیازی به سیم پیچی ندارد، ضربان دارند. توالی در زمان تکرار می شود، درست همانطور که اتم های یک کریستال در فضا تکرار می شوند. در نگاه اول، کریستال زمانی بیشتر یادآور دنیای کریستال بزرگ نویسنده علمی تخیلی ولادیسلاو کراپیوین است تا فیزیک سخت، اما چنین ساختاری ممکن است دلایل فیزیکی خوبی برای وجودش داشته باشد.

یکی از اجرای احتمالی یک کریستال زمانی، حلقه ای از اتم است که باید بچرخد و مرتباً به حالت اولیه خود بازگردد. ویژگی‌های آن برای همیشه در زمان هماهنگ می‌شوند، شبیه به نحوه ارتباط اتم‌ها در یک کریستال. با تعریف کریستال زمانی، چنین سیستمی باید در حالتی با کمترین انرژی باشد تا حرکت نیازی به انرژی از بیرون نداشته باشد. به یک معنا، کریستال زمانی یک ماشین حرکت دائمی خواهد بود، با این تفاوت که هیچ کار مفیدی تولید نمی کند.

جامعه علمی در اکثر موارد این ایده را تحریک آمیز می دانست. با این وجود، فرانک ویلچک روی موضع خود ایستاد و مطمئن بود که مشکل از آنچه در نگاه اول به نظر می‌رسید ظریف‌تر است و کریستال‌های موقتی نوع جدیدی از نظم را نشان می‌دهند. علاوه بر این، حرکت دائمی در دنیای کوانتومی سابقه دارد: از نظر تئوری، ابررساناها برای همیشه جریان الکتریکی را هدایت می کنند (اگرچه جریان در این مورد یکنواخت است و بنابراین در طول زمان تغییر نمی کند).

پارادوکس کریستالی زمانی، هاروکی واتانابه، دانشجوی فارغ التحصیل دانشگاه کالیفرنیا در برکلی را مورد توجه قرار داد. هنگامی که او کار خود را در مورد شکستن تقارن در فضا ارائه کرد، از او در مورد مفاهیم ایده ویلچک در مورد کریستال زمانی پرسیده شد. واتانابه نتوانست پاسخ دهد و تصمیم گرفت با تمرکز بر همبستگی بین بخش های دوردست سیستم در زمان و مکان به این موضوع بپردازد. در سال 2015، واتانابه به همراه فیزیکدانی از دانشگاه توکیو، ماساکی اوشیکاوا، قضیه ای را اثبات کردند که بر اساس آن، ایجاد یک کریستال موقت در کمترین حالت انرژی غیرممکن است. آنها همچنین ثابت کردند که بلورهای زمانی برای هر سیستم تعادلی که در هر مقدار انرژی به حالت پایدار رسیده است غیرممکن است.

در این مرحله، جامعه فیزیکی مسئله وجود کریستال های زمانی را بسته در نظر گرفت. با این حال، شواهد یک راه گریز باقی گذاشت. این امکان وجود بلورهای زمانی را در سیستم هایی که هنوز تعادل در آنها برقرار نشده بود را رد نکرد. و نظریه پردازان در سراسر جهان شروع به فکر کردن در مورد اینکه چگونه می توانند نسخه های جایگزین کریستال های زمانی را برای دور زدن این قضیه ایجاد کنند، شروع کردند.

این پیشرفت به طور غیرمنتظره ای از حوزه ای از فیزیک حاصل شد که در آن محققان اصلاً به این موضوع فکر نکرده بودند. نظریه پرداز شیواجی سوندی و همکارانش از دانشگاه پرینستون رفتار یک سیستم کوانتومی ایزوله متشکل از "سوپی" از ذرات برهم کنش را که به طور منظم با انرژی "لگد" می شوند، مورد مطالعه قرار دادند. اگر به کتاب های درسی اعتقاد دارید، پس چنین سیستمی باید داغ شود و در نهایت کاملاً آشفته شود. اما گروه زوندی نشان داد که وقتی شرایط خاصی برآورده شود، ذرات با هم خوشه می شوند و «الگویی» را تشکیل می دهند که در طول زمان تکرار می شود.

این تحقیق توجه چتان نایاک، یکی از شاگردان سابق ویلچک را به خود جلب کرد. نایاک و همکارانش پیشنهاد کردند که شکل عجیب و خارج از تعادل ماده می تواند نوعی کریستال زمانی باشد، اگرچه دقیقاً آن چیزی نیست که ویلچک در ابتدا از آن صحبت کرد. با این تفاوت که چنین سیستمی در حالتی با کمترین انرژی نیست و برای حفظ ضربان ها نیاز به تامین انرژی از بیرون دارد. اما چنین "سوپ" ریتم خاص خود را دارد، متفاوت از فرکانس پمپاژ، که در واقع به معنای نقض تقارن زمانی است.

کریستوفر مونرو از دانشگاه مریلند در کالج پارک، علی‌رغم بدبینی‌اش، با این وجود تلاش کرد تا کریستال زمانی مشابهی را با استفاده از اتم‌های سرد ایجاد کند. "دستور العمل" پیچیده شامل سه عنصر اصلی است: نیرویی که بر سیستم تأثیر می گذارد، برهمکنش بین اتم ها، و عنصری از بی نظمی تصادفی. این ترکیب ذرات را در مقدار انرژی که می توانند جذب کنند محدود می کند و به آنها اجازه می دهد در یک حالت منظم باقی بمانند.

در این آزمایش، زنجیره ای از ده یون ایتربیوم به طور متناوب توسط دو لیزر روشن شد. لیزر اول گشتاورهای مغناطیسی اتم ها را تغییر داد و لیزر دوم آنها را مجبور کرد که به طور تصادفی با یکدیگر برهمکنش کنند. این منجر به نوساناتی در طرح لنگر مغناطیسی سیستم با دوره ای دو برابر دوره پمپاژ اسپین لیزری شد. علاوه بر این، حتی اگر اولین لیزر از فرکانس تابش مورد نظر دور شود، نوسانات در سیستم تغییر نمی کند. همانطور که کریستال های معمولی در برابر تلاش برای جابجایی اتم ها از موقعیت خود در شبکه بلوری مقاومت می کنند، بلور موقت نیز تناوب خود را در زمان حفظ کرده است.

گروهی از فیزیکدانان دانشگاه هاروارد به رهبری میخائیل لوکین (که همچنین یکی از بنیانگذاران مرکز کوانتومی روسیه است) مسیر متفاوتی را در پیش گرفتند و یک کریستال زمانی را با استفاده از الماس اجرا کردند. برای این منظور، یک نمونه ویژه حاوی حدود یک میلیون نقص نامنظم سنتز شد که هر کدام دارای گشتاور مغناطیسی خاص خود بودند. هنگامی که چنین کریستالی برای چرخاندن چرخش ها در معرض پالس های تشعشعات مایکروویو قرار گرفت، فیزیکدانان پاسخ سیستم را در فرکانسی ثبت کردند که تنها کسری از فرکانس تابش هیجان انگیز بود.

نورمن یائو، فیزیکدان نظری، که در هر دو آزمایش شرکت کرد، تأکید می کند که سیستم هایی که در پایین ترین حالت انرژی قرار دارند، طبق تعریف، نباید در طول زمان تغییر کنند. در غیر این صورت، به این معنی است که آنها انرژی اضافی دارند که می توانند خرج کنند و در نهایت حرکت باید متوقف شود. یائو نتیجه آزمایش ها را با یک طناب پرش مقایسه کرد: دست دو چرخش می کند، اما طناب فقط یک چرخش را انجام می دهد و این نقض تقارن ضعیف تری نسبت به تصور اولیه ویلچک است که معتقد بود طناب می تواند به خودی خود ارتعاش کند.

نتایج هر دو آزمایش در مجله Nature منتشر شد و مطمئناً جالب است، اما تعریف کریستال زمانی در هر دو مورد را می توان کمی دور از ذهن در نظر گرفت. فیزیکدانان موافق هستند که هر دو سیستم به طور خود به خود تقارن زمانی را به نوعی می شکند و بنابراین الزامات یک کریستال زمانی را از دیدگاه ریاضی برآورده می کنند. اما اینکه آیا واقعاً می توان آنها را چنین در نظر گرفت یا خیر، موضوع بحث علمی است.

اینکه آیا مونرو و لوکین موفق به دریافت کریستال های موقتی شدند یا نه، زمان مشخص خواهد کرد. در هر صورت، این آزمایش‌ها جالب هستند زیرا برای اولین بار ساده‌ترین نمونه‌های فازهای جدید ماده را در منطقه نسبتاً ناشناخته حالت‌های غیرتعادلی نشان دادند. این حالت جدید ماده شامل گروهی از ذرات کوانتومی است که به طور مداوم تغییر می کنند و هرگز به حالت پایدار نمی رسند. ثبات از طریق فعل و انفعالات تصادفی حاصل می شود که تعادل را در هر نوع ماده دیگری بر هم می زند.

علاوه بر این، این نتایج ممکن است پیامدهای عملی داشته باشد. کریستال های زمانی می توانند به عنوان حسگرهای بسیار دقیق مفید باشند. رفتار گشتاورهای مغناطیسی نقص در الماس قبلاً برای ثبت کوچکترین تغییرات دما و میدان های مغناطیسی استفاده می شود. اما این رویکرد محدودیت‌های خود را دارد: هنگامی که نقص‌های بیش از حد در حجم کم «ازدحام» می‌کنند، برهمکنش‌های بین آن‌ها حالت‌های کوانتومی را از بین می‌برند. برعکس، در یک کریستال موقت، فعل و انفعالات سیستم را تثبیت می کنند، بنابراین میلیون ها نقص را می توان با هم برای تقویت سیگنال استفاده کرد. این امکان مطالعه، به ویژه، سلول های زنده و مواد با ضخامت اتمی را فراهم می کند.

نمونه دیگری از استفاده از چنین سیستم هایی، محاسبات کوانتومی در دماهای نسبتاً بالا است. کامپیوترهای کوانتومی فناوری امیدوارکننده و مورد انتظاری هستند که هنوز تا پیاده سازی عملی فاصله دارند. نکته این است که بیت‌های کوانتومی شکننده که محاسبات را انجام می‌دهند باید از اثرات تخریب کوانتومی حرکت حرارتی و سایر "عوارض جانبی" محیطی محافظت شوند و در عین حال بتوانند اطلاعات را از آنها رمزگذاری کرده و بخوانند. فیزیکدانان برای انجام این کار از دمای بسیار پایین استفاده می کنند، فقط نانودرجات بالاتر از صفر مطلق. یک کریستال زمانی اساساً یک سیستم کوانتومی است که در دماهای بسیار بالاتری وجود دارد. در مورد الماس لوکین، این به طور کلی در دمای اتاق صادق است.

میخائیل لوکین در مصاحبه‌ای که می‌توان در «علم و زندگی» شماره 12 در سال 2013 خواند، دقیقاً در مورد چنین «عوارض جانبی» عملی غیرمنتظره‌ای صحبت کرد که در نگاه اول یک علم کاملاً بنیادی است. و شاید این مفهوم با صدای خارق العاده از یک کریستال زمانی است که راه را برای محاسبات کوانتومی بدون نیاز به برودتی پیچیده و گران قیمت باز می کند.

فضا برای صدمین سالگرد نظریه نسبیت عام انیشتین به دانشمندان هدیه داد - امواج گرانشی کشف شد

در اواسط فوریه امسال، اعضای همکاری بین المللی LIGO، با متحد کردن صدها دانشمند از هفده کشور، از جمله روسیه، اولین تشخیص مستقیم امواج گرانشی منتشر شده از دو سیاهچاله ادغام شده با جرم کل بیش از 60 خورشید 1.3 میلیارد را اعلام کردند. سالها پیش. این یک رویداد علمی، بدون اغراق، در مقیاس کیهانی است و در سپتامبر گذشته در رصدخانه امواج گرانشی لیزری-تداخل سنج LIGO (ایالات متحده آمریکا) اتفاق افتاد. برای اظهار نظر دقیق، به رئیس آزمایشگاه فیزیک نظری موسسه الکتروفیزیک شعبه اورال آکادمی علوم روسیه، آکادمیک مراجعه کردیم. میخائیل سادوفسکی.

- میخائیل ویساریونویچ عزیز، اول از همه برای یک آماتور توضیح دهید که موج گرانشی چیست؟

چهار توپ را تصور کنید که به صورت ضربدری آویزان شده اند. اگر یک اختلال گرانشی رخ دهد، دو توپ با فاصله معینی از یکدیگر منحرف می شوند و دو توپ دیگر همزمان به سمت یکدیگر می شتابند. در فاز بعدی موج حرکت آنها برعکس خواهد بود. در نتیجه، تحت تأثیر یک موج گرانشی، هر چهار توپ به طور همزمان شروع به نوسان خواهند کرد. اما این یک آزمایش خیالی است. در زندگی روزمره، هیچ کس امواج گرانشی را احساس یا مشاهده نمی کند، آنها هیچ تأثیری بر هیچ چیز ندارند، زیرا برهمکنش های گرانشی، به عنوان مثال، در مقایسه با امواج الکترومغناطیسی بسیار ضعیف هستند. و اگرچه اکثر فیزیکدانان نظری هرگز در وجود امواج گرانشی تردید نداشتند، اما کار ثبت تجربی آنها در شرایط زمینی بسیار دشوار به نظر می رسید. ما فقط می‌توانیم به فضا امیدوار باشیم - اختلالات گرانشی قدرتمندی در آنجا اتفاق می‌افتد و امواج ناشی از آنها می‌توانند به زمین برسند.

- بنابراین، کشف فعلی را نمی توان غیر منتظره نامید؟

وجود امواج گرانشی توسط آلبرت انیشتین دقیقا 100 سال پیش در مقاله خود در سال 1916 به صورت تئوری پیش بینی شد. این به طور طبیعی از نظریه نسبیت عام یا نظریه مدرن گرانش پیروی می کند. اگر امواج الکترومغناطیسی وجود داشته باشد، پس باید اختلالات گرانشی نیز وجود داشته باشد که به شکل امواج با سرعت نور منتشر می شود و هندسه فضا و زمان را به صورت موضعی تغییر می دهد. پیش‌بینی وجود امواج گرانشی به عنوان مثال توضیح تغییر در سرعت همگرایی سیستم‌های نزدیک ستاره‌های دوگانه را ممکن کرد.

برای اولین بار، فیزیکدان آمریکایی جوزف وبر تلاش کرد تا مشکل ثبت مستقیم اثرات گرانشی را در دهه 1960 حل کند. او اولین آشکارسازها را توسعه داد - دو سیلندر آلومینیومی عظیم که در فاصله زیادی از یکدیگر معلق بودند. به گفته وبر، یک موج گرانشی بزرگ باعث می شود که آنها به صورت هماهنگ نوسان کنند و بنابراین عبور آن می تواند ثبت شود. در سال 1968، او کشف امواج گرانشی را با آشکارسازهای خود اعلام کرد، اما نتایج آزمایشات او مورد تردید سایر محققان قرار گرفت. متأسفانه، جوزف وبر برای دیدن پیروزی کنونی جنبشی که خود تأسیس کرد زنده نماند. با این حال، سهم این دانشمند در نجوم امواج گرانشی توسط جامعه علمی به رسمیت شناخته شده است.

- آیا هموطنان ما برای ثبت امواج گرانشی اقدام کرده اند؟

در اتحاد جماهیر شوروی و روسیه، پیشگام تحقیقات امواج گرانشی یکی از اعضای مرتبط آکادمی علوم روسیه بود. ولادیمیر براگینسکی. او در مورد آزمایشات وبر شک داشت و معتقد بود که با چنین آشکارسازهایی نمی توان چیزی را ثبت کرد، اما به کار خود در این مسیر ادامه داد.

طرح اجرا شده در آزمایش فعلی نیز توسط دانشمندان داخلی - پروفسور - پیشنهاد شد میخائیل هرزنشتاینو آکادمیک ولادیسلاو پوستوویتدر مقاله ای که در مجله فیزیک تجربی و نظری در سال 1962 منتشر شد. این طرح بسیار ساده است. این بر روی یک تداخل سنج مایکلسون ساخته شده است که اصل عملکرد آن به شرح زیر است: یک پرتو نور از یک منبع به آینه ای که در فاصله ای از آن قرار دارد هدایت می شود، از آینه منعکس می شود و به عقب باز می گردد و سیگنال نور دوم در جهت عمود فرستاده می شود، از آینه نیز منعکس شده و برمی گردد. در نقطه ای که سیگنال های نور روی آشکارسازها قطع می شوند، می توانید الگوی تداخل را مشاهده کنید. اگر یک موج گرانشی عبور کند، آینه ها به طور همزمان شروع به لرزیدن می کنند و الگوی تداخل تغییر می کند. با توجه به اینکه اپتیک علم بسیار دقیقی است، تشخیص یک اثر گرانشی بسیار ضعیف نیز ممکن می شود.

- آیا تداخل سنج، جایی که این کشف هیجان انگیز انجام شد، بر اساس این اصل کار می کند؟

آره. رصدخانه LIGO از دو تاسیسات تشکیل شده است: یکی در هانفورد، واشنگتن، دیگری در لیوینگستون، لوئیزیانا، در فاصله حدود 3 هزار کیلومتری واقع شده است. هر تداخل سنج دارای دو بازو به طول 4 کیلومتر است که عمود بر یکدیگر قرار دارند. اینها لوله هایی هستند که درون آنها پرتو لیزر شلیک می شود. اگر یک موج گرانشی وارد شود، یک الگوی تداخل مشخصه باید به طور همزمان در هر دو تداخل سنج روی آشکارساز در نقطه ای که پرتوها قطع می شوند ظاهر شود.

مبتکران پروژه LIGO در دهه 1980 اساتید موسسه فناوری کالیفرنیا بودند کیپ تورن(به هر حال، یکی از نویسندگان فیلمنامه فیلم اکشن فضایی "Interstellar") و رونالد درایورو همچنین استاد موسسه فناوری ماساچوست راینر وایس.
لیست شرکت کنندگان در همکاری بین المللی که بیش از 200 نفر را شامل می شود، شامل هموطنان ما می شود، از جمله ولادیمیر براژینسکی، عضو مربوطه نامبرده، استاد. والری میتروفانوف(MSU)، اعضای متناظر الکساندر سرگئیفو افیم خزانوف(موسسه فیزیک کاربردی RAS، نیژنی نووگورود) و سایر محققان.

کار شرکت کنندگان در پروژه روسی تا حدی توسط کمک های مالی بنیاد روسیه برای تحقیقات اساسی حمایت شد. متأسفانه، شرایط مسخره کمک مالی که توسط بنیاد علوم روسیه اتخاذ شده است، حمایت از این نوع تحقیقات جمعی را کاملاً حذف می کند. بنابراین، طبق قوانین بنیاد، کارهایی که توسط بنیاد علوم روسیه تامین می شود، نمی توانند توسط هیچ کمک مالی یا کمک مالی دیگری حمایت شوند. این الزام به همان اندازه سختگیرانه و غیرسازنده است. به هر حال، هر پروژه علمی بزرگ، به ویژه پروژه بین المللی، از ده ها بنیاد مختلف حمایت می شود و همکاری LIGO نمونه ای از این امر است.

تداخل سنج لیزری رصدخانه امواج گرانشی LIGO (رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنج لیزری). هزینه کل این پروژه حدود 620 میلیون دلار است

در همین حال، پروژه LIGO بسیار گران است. هزینه ساخت این رصدخانه 300 میلیون دلار به اضافه هزینه های عملیاتی و نوسازی بوده است. LIGO در سال 2002 راه اندازی شد و تا سال 2010 فعالیت داشت. با این حال، در آن زمان امکان ثبت امواج گرانشی وجود نداشت، فقط نویزهای مختلف ثبت می شد. سپس تداخل سنج برای ارتقاء خاموش شد. تداخل سنج مشابه LIGO، Virgo، با بازوهای سه کیلومتری، در سال 2007 در ایتالیا، نزدیک پیزا، شروع به کار کرد. از سال 2011 در حال نوسازی بوده است و باید در نیمه دوم سال جاری مجدداً راه اندازی شود. و مجتمع پیشرفته پیشرفته LIGO در اوایل پاییز 2015 شروع به کار کرد.

- معلوم می شود که این کشف مدت کوتاهی پس از پرتاب رخ داده است؟

دقیقا. در 14 سپتامبر، آشکارساز LIGO سیگنالی را شناسایی کرد که از نقطه نظر مشاهده امواج گرانشی "مشکوک" به نظر می رسید. تغییرات در الگوی تداخل با محاسباتی که شرکت کنندگان در همکاری از قبل در صورت بروز اختلال گرانشی انجام می دادند، کاملاً سازگار بود. این دقیقاً همان چیزی است که باید در هنگام عبور از یک موج گرانشی ایجاد شده از برخورد دو سیاهچاله - ستارگان پرجرم در آخرین مرحله زندگی، با "وزن" 29 و 36 خورشیدی اتفاق بیفتد. در نتیجه این فاجعه کیهانی، سیاهچاله ای با جرم 62 خورشیدی تشکیل شد و انرژی سه جرم خورشیدی به تشعشعات گرانشی تبدیل شد که پس از 1.3 میلیارد سال نوری به ما رسید. اگر تداخل سنج Virgo در زمان تثبیت کار می کرد، می توان تعیین کرد که موج گرانشی از کجا آمده است. این بار انجام این کار ممکن نبود، اما دانشمندان امیدوارند که در آینده، زمانی که LIGO و Virgo به طور موازی کار کنند، امکان پذیر باشد.

- و در آخر چند کلمه در مورد اهمیت رویداد ...

کشف چنین سیاهچاله های "سنگین" به خودی خود یک کشف بزرگ در نجوم است. و ثبت مستقیم امواج گرانشی اساسا تولد یک جهت علمی جدید، نجوم امواج گرانشی است. با مطالعه اثرات گرانشی، ممکن است بتوانیم به اولین دوره های شکل گیری کیهان نگاه کنیم. از این گذشته ، از اولین مراحل تکامل "گلوله آتشین" که در نتیجه انفجار بزرگ بوجود آمد ، سیگنال های نوری از آن عبور نمی کنند ، اما امواج گرانشی ساطع شده در این مرحله از انبساط کیهان می توانند به ما برسند. همچنین قابل توجه است که نظریه نسبیت عام اکنون تقریباً به طور کامل به صورت تجربی در سطح کلاسیک (غیر کوانتومی) آزمایش شده است و در واقع گرانش را بسیار دقیق توصیف می کند. بنابراین این کشف به یک "هدیه" درخشان برای صدمین سالگرد این نظریه تبدیل شد.

البته صحبت از معنای عملی ثبت امواج گرانشی دشوار است، اما ممکن است در آینده آشکار شود. در آغاز قرن بیستم، هیچ کس نمی توانست تصور کند که برای مثال، ناوبرهای مدرن GPS مکان شما را تنها با در نظر گرفتن تأثیرات نسبیت عام به درستی تعیین کنند. و نجوم امواج گرانشی ظاهراً همین نزدیکی است.

اولین سیگنال موج گرانشی ثبت شد

موج گرانشی حاصل از ادغام سیاهچاله های دوتایی توسط آشکارسازهای LIGO در هانفورد و لیوینگستون شناسایی شد. در سمت چپ داده های آشکارساز در Hanford (H1) و در سمت راست در Livingston (L1) قرار دارد. زمان از 14 سپتامبر 2015، 09:50:45 UTC شمارش شده است. ردیف بالا: ولتاژ h در آشکارسازها. سیگنال GW150914 ابتدا به L1 رسید و پس از 6.9+0.5?0.4 ms در H1. برای مقایسه بصری، داده‌های H1 در نمودار L1 به شکل معکوس و جابجایی زمان نشان داده می‌شوند (برای در نظر گرفتن جهت نسبی آشکارسازها). ردیف دوم: ولتاژ h از سیگنال موج گرانشی، از فیلتر باند گذر مشابه، 35 - 350 هرتز عبور می کند. خط جامد نتیجه نسبیت عددی برای یک سیستم با پارامترهای سازگار با پارامترهایی است که بر اساس مطالعه سیگنال GW150914 بدست آمده توسط دو کد مستقل با تطابق 99.9 بدست آمده است. خطوط ضخیم خاکستری، نواحی اطمینان 90 درصدی شکل موج هستند که از داده های آشکارساز با دو روش مختلف بازسازی شده اند. خط خاکستری تیره سیگنال های مورد انتظار از ادغام سیاهچاله را مدل می کند، خط خاکستری روشن از مدل های اخترفیزیکی استفاده نمی کند، اما سیگنال را به عنوان ترکیبی خطی از موجک های سینوسی-گاوسی نشان می دهد. بازسازی ها تا 94 درصد همپوشانی دارند. ردیف سوم: خطاهای باقیمانده پس از استخراج پیش بینی فیلتر شده سیگنال نسبیت عددی از سیگنال فیلتر شده آشکارسازها. ردیف پایین: نمایشی از نقشه فرکانس ولتاژ، که افزایش فرکانس غالب سیگنال را در طول زمان نشان می دهد.

آشکارسازهای LIGO چه دیدند؟

ما سیگنالی را دیدیم که دقیقاً همانطور که برای ادغام یک جفت سیاهچاله پیش بینی شده بود به نظر می رسید. کشش نسبی تداخل سنج تحت تأثیر یک موج گرانشی نشان داده شده است. مقیاس عمودی 10-21 است، به این معنی که بازوی چهار کیلومتری تداخل سنج 2.5 × 10-15 سانتی متر کشیده شده است (آنها می توانند کشش هایی تا 10-17 سانتی متر را اندازه گیری کنند، مهم نیست که چقدر خارق العاده به نظر می رسد). شکل انبساط و انقباض دو آشکارساز (نشان داده شده در رنگ های مختلف) در فاصله 3000 کیلومتری را نشان می دهد. ابتدا نویز وجود دارد که در آن امواج آشکار شروع به ظاهر شدن می کنند، که بیشتر و بیشتر می آیند و سپس به طور ناگهانی پایان می یابند. هر موج نیمی از چرخش سیستم دو سیاهچاله است. آنها به سرعت همگرا می شوند، بنابراین زمان بین قله ها کاهش می یابد. آخرین موج عملاً یک سیاهچاله است، البته به شدت تغییر شکل داده است.

چگونه با نگاه کردن به یک تصویر، می توانید جرم سیاهچاله های ادغام شده و فاصله آنها را تخمین بزنید؟
لازم است دوره چرخش اجسام ادغام شده را در آخرین لحظه تخمین بزنیم. به شکل نگاه می کنیم و می بینیم که فاصله بین آخرین قله ها حدود ده برابر کمتر از بین خطرات است، یعنی حدود 5 میلی ثانیه. این نیمی از دوره چرخش یک سیاهچاله هنوز به شدت تغییر شکل یافته است. سطح آن با چه سرعت خطی می چرخد؟ قابل مقایسه با سرعت نور، اما کمتر، حدود یک سوم (حفره کر محدود کننده) - صرف نظر از اندازه.

سپس نیم دایره چرخش تقریباً 500 کیلومتر خواهد بود، تقسیم بر؟، شعاع 170 کیلومتر را بدست می آوریم. شعاع یک سیاهچاله با جرم خورشیدی 3 کیلومتر است، یعنی جرم منظومه حدود 60 جرم خورشید است. در واقع - 62. دقت شگفت انگیز، به ویژه با توجه به اینکه زمان بین قله ها را با چشم تخمین زدیم.

حالا بیایید سعی کنیم فاصله را تخمین بزنیم. کمی پیچیده تر است. دامنه موج گرانشی (تغییر شکل نسبی فضا) با فاصله تا منبع نسبت معکوس دارد. تغییر شکل در منبع بسیار زیاد است، خوب، البته نه وحدت، اما 0.1 کاملاً واقعی است (محاسبات دقیقاً این مرتبه بزرگی را نشان می دهد). ما 10 تا 21 داریم (به واحدهای روی محور عمودی مراجعه کنید)، که به این معنی است که ما حدود 1020 برابر از اندازه آن - 170 کیلومتر - از منبع دورتر هستیم (به بالا مراجعه کنید). ما 1.7 x 107 cm x 1020 = 1.7 x 1027 cm = 0.6 گیگاپارسک (در واقع 0.4 گیگاپارسک) را دریافت می کنیم. باز هم، یک ضربه قابل توجه با وجود این واقعیت که هنوز عدم قطعیت در جهت گیری صفحه استوایی منظومه نسبت به خط دید وجود دارد.