Para astronom yang mempelajari gelombang gravitasi telah menemukan sebuah tambang emas. Sensasi: gelombang gravitasi dari bintang neutron terdeteksi pertama kali Gemini di Alam Semesta

Gelombang gravitasi, yang secara teoritis diprediksi oleh Einstein pada tahun 1917, masih menunggu penemunya.

Alexei Levin

Pada akhir tahun 1969, profesor fisika Universitas Maryland Joseph Weber membuat pernyataan yang sensasional. Dia mengumumkan bahwa dia telah menemukan gelombang gravitasi yang datang ke Bumi dari kedalaman ruang angkasa. Hingga saat itu, belum ada ilmuwan yang membuat klaim seperti itu, dan kemungkinan mendeteksi gelombang semacam itu dianggap masih jauh dari jelas. Namun, Weber dikenal sebagai otoritas di bidangnya, dan oleh karena itu rekan-rekannya menanggapi pesannya dengan sangat serius.

Namun, kekecewaan segera datang. Amplitudo gelombang yang diduga dicatat oleh Weber jutaan kali lebih tinggi dari nilai teoritis. Weber berpendapat bahwa gelombang-gelombang ini datang dari pusat Galaksi kita, tertutup oleh awan debu, yang pada saat itu hanya sedikit yang diketahui. Ahli astrofisika berpendapat bahwa ada lubang hitam raksasa yang bersembunyi di sana, yang setiap tahun melahap ribuan bintang dan membuang sebagian energi yang diserap dalam bentuk radiasi gravitasi, dan para astronom memulai pencarian yang sia-sia untuk mencari jejak yang lebih jelas dari kanibalisme kosmik ini (itu kini telah terbukti bahwa memang ada lubang hitam di sana, namun petunjuknya berperilaku cukup baik). Fisikawan dari Amerika Serikat, Uni Soviet, Perancis, Jerman, Inggris dan Italia memulai percobaan pada detektor dengan jenis yang sama - dan tidak menghasilkan apa-apa.

Para ilmuwan masih belum tahu apa yang harus dikaitkan dengan pembacaan aneh dari instrumen Weber. Namun usahanya tidak sia-sia meski gelombang gravitasi masih belum terdeteksi. Beberapa instalasi untuk mencarinya telah dibangun atau sedang dibangun, dan dalam sepuluh tahun detektor tersebut akan diluncurkan ke luar angkasa. Sangat mungkin bahwa dalam waktu dekat, radiasi gravitasi akan menjadi realitas fisik yang dapat diamati seperti osilasi elektromagnetik. Sayangnya, Joseph Weber tidak mengetahui hal ini lagi - dia meninggal pada bulan September 2000.

Apa itu gelombang gravitasi

Sering dikatakan bahwa gelombang gravitasi adalah gangguan pada medan gravitasi yang merambat di ruang angkasa. Definisi ini benar, tetapi tidak lengkap. Menurut teori relativitas umum, gravitasi muncul karena kelengkungan kontinum ruang-waktu. Gelombang gravitasi merupakan fluktuasi metrik ruang-waktu, yang memanifestasikan dirinya sebagai fluktuasi medan gravitasi, sehingga sering kali secara kiasan disebut riak ruang-waktu. Gelombang gravitasi secara teoritis diprediksi pada tahun 1917 oleh Albert Einstein. Tidak ada yang meragukan keberadaannya, namun gelombang gravitasi masih menunggu penemunya.

Sumber gelombang gravitasi adalah setiap pergerakan benda material yang menyebabkan terjadinya perubahan gaya gravitasi yang tidak seragam pada ruang sekitarnya. Sebuah benda yang bergerak dengan kecepatan konstan tidak memancarkan apapun, karena sifat medan gravitasinya tidak berubah. Untuk memancarkan gelombang gravitasi, diperlukan percepatan, tetapi bukan sembarang percepatan. Sebuah silinder yang berputar pada sumbu simetrinya mengalami percepatan, namun medan gravitasinya tetap seragam dan gelombang gravitasi tidak timbul. Namun jika Anda memutar silinder ini pada sumbu yang berbeda, medan akan mulai berosilasi dan gelombang gravitasi akan mengalir dari silinder ke segala arah.

Kesimpulan ini berlaku untuk setiap benda (atau sistem benda) yang asimetris terhadap sumbu rotasi (dalam kasus seperti itu benda dikatakan mempunyai momen kuadrupol). Sistem massa yang momen kuadrupolnya berubah terhadap waktu selalu memancarkan gelombang gravitasi.

Suar gravitasi ruang angkasa

Radiasi gravitasi dari sumber terestrial sangat lemah. Sebuah kolom baja berbobot 10.000 ton, digantung di tengah pada bidang horizontal dan diputar pada sumbu vertikal hingga 600 rpm, memancarkan daya sekitar 10 -24 W. Oleh karena itu, satu-satunya harapan untuk mendeteksi gelombang gravitasi adalah dengan menemukan sumber radiasi gravitasi kosmik.

Dalam hal ini, bintang ganda yang dekat sangat menjanjikan. Alasannya sederhana: kekuatan radiasi gravitasi sistem semacam itu tumbuh berbanding terbalik dengan pangkat kelima diameternya. Lebih baik lagi jika lintasan bintang-bintang sangat memanjang, karena hal ini meningkatkan laju perubahan momen kuadrupol. Cukup baik jika sistem biner terdiri dari bintang neutron atau lubang hitam. Sistem seperti ini mirip dengan suar gravitasi di ruang angkasa - radiasinya bersifat periodik.

Ada juga sumber “denyut” di luar angkasa yang menghasilkan ledakan gravitasi yang singkat namun sangat kuat. Ini terjadi ketika sebuah bintang masif runtuh sebelum terjadi ledakan supernova. Namun, deformasi bintang harus asimetris, jika tidak maka radiasi tidak akan terjadi. Selama keruntuhan, gelombang gravitasi dapat membawa hingga 10% total energi bintang! Kekuatan radiasi gravitasi dalam hal ini adalah sekitar 10 50 W. Lebih banyak energi yang dilepaskan selama penggabungan bintang neutron, di sini daya puncaknya mencapai 10 52 W. Sumber radiasi yang sangat baik adalah tumbukan lubang hitam: massanya dapat melebihi massa bintang neutron hingga miliaran kali lipat.

Sumber gelombang gravitasi lainnya adalah inflasi kosmologis. Segera setelah Big Bang, Alam Semesta mulai mengembang dengan sangat cepat, dan dalam waktu kurang dari 10 -34 detik diameternya meningkat dari 10 -33 cm ke ukuran makroskopisnya. Proses ini sangat memperkuat gelombang gravitasi yang ada sebelum dimulainya, dan keturunannya bertahan hingga hari ini.

Konfirmasi tidak langsung

Bukti pertama keberadaan gelombang gravitasi berasal dari karya astronom radio Amerika Joseph Taylor dan muridnya Russell Hulse. Pada tahun 1974, mereka menemukan sepasang bintang neutron yang mengorbit satu sama lain (pulsar yang memancarkan radio dengan pendamping diam). Pulsar berputar pada porosnya dengan kecepatan sudut yang stabil (yang tidak selalu terjadi) dan oleh karena itu berfungsi sebagai jam yang sangat akurat. Fitur ini memungkinkan untuk mengukur massa kedua bintang dan menentukan sifat gerakan orbitalnya. Ternyata periode orbit sistem biner ini (sekitar 3 jam 45 menit) berkurang 70 s setiap tahunnya. Nilai ini sangat sesuai dengan solusi persamaan teori relativitas umum, yang menggambarkan hilangnya energi pasangan bintang akibat radiasi gravitasi (namun, tabrakan bintang-bintang ini tidak akan terjadi dalam waktu dekat, setelah 300 juta tahun). Pada tahun 1993, Taylor dan Hulse dianugerahi Hadiah Nobel atas penemuan ini.

Antena gelombang gravitasi

Bagaimana cara mendeteksi gelombang gravitasi secara eksperimental? Weber menggunakan silinder aluminium padat sepanjang satu meter dengan sensor piezoelektrik di ujungnya sebagai detektor. Mereka diisolasi dengan sangat hati-hati dari pengaruh mekanis eksternal dalam ruang vakum. Weber memasang dua silinder ini di bunker di bawah lapangan golf Universitas Maryland, dan satu di Laboratorium Nasional Argonne.

Ide eksperimennya sederhana. Ruang dikompresi dan diregangkan di bawah pengaruh gelombang gravitasi. Berkat ini, silinder bergetar dalam arah memanjang, bertindak sebagai antena gelombang gravitasi, dan kristal piezoelektrik mengubah getaran menjadi sinyal listrik. Setiap lintasan gelombang gravitasi kosmik hampir secara bersamaan mempengaruhi detektor yang berjarak seribu kilometer, sehingga memungkinkan untuk menyaring impuls gravitasi dari berbagai jenis kebisingan.

Sensor Weber mampu mendeteksi perpindahan ujung silinder yang hanya sama dengan 10 -15 panjangnya - dalam hal ini 10 -13 cm Fluktuasi inilah yang dapat dideteksi Weber, yang pertama kali ia laporkan pada tahun 1959 di halaman Surat Tinjauan Fisik. Segala upaya untuk mengulangi hasil ini sia-sia. Data Weber juga bertentangan dengan teori, yang secara praktis tidak memungkinkan kita mengharapkan perpindahan relatif di atas 10 -18 (dan kemungkinan besar nilai kurang dari 10 -20). Ada kemungkinan Weber melakukan kesalahan saat memproses hasil secara statistik. Upaya pertama untuk mendeteksi radiasi gravitasi secara eksperimental berakhir dengan kegagalan.

Selanjutnya, antena gelombang gravitasi ditingkatkan secara signifikan. Pada tahun 1967, fisikawan Amerika Bill Fairbank mengusulkan untuk mendinginkannya dalam helium cair. Hal ini tidak hanya menghilangkan sebagian besar kebisingan termal, tetapi juga membuka kemungkinan penggunaan SQUID (interferometer kuantum superkonduktor), magnetometer ultra-sensitif paling akurat. Implementasi ide ini ternyata penuh dengan banyak kesulitan teknis, dan Fairbank sendiri tidak dapat menyaksikannya. Pada awal 1980-an, fisikawan dari Universitas Stanford telah membangun instalasi dengan sensitivitas 10 -18, namun tidak ada gelombang yang terdeteksi. Sekarang di sejumlah negara terdapat detektor getaran gelombang gravitasi ultra-kriogenik yang beroperasi pada suhu hanya sepersepuluh dan seperseratus derajat di atas nol mutlak. Ini misalnya instalasi AURIGA di Padua. Antenanya berbentuk silinder tiga meter yang terbuat dari paduan aluminium-magnesium, diameter 60 cm, dan berat 2,3 ton, digantung di ruang vakum yang didinginkan hingga 0,1 K. Guncangannya (dengan frekuensi sekitar 1000 Hz) ditransmisikan ke resonator bantu seberat 1 kg, yang bergetar dengan frekuensi yang sama, tetapi dengan amplitudo yang jauh lebih besar. Getaran ini dicatat dengan alat ukur dan dianalisis menggunakan komputer. Sensitivitas kompleks AURIGA sekitar 10 -20 -10 -21.

Interferometer

Metode lain untuk mendeteksi gelombang gravitasi didasarkan pada ditinggalkannya resonator masif demi sinar cahaya. Ini pertama kali diusulkan oleh fisikawan Soviet Mikhail Herzenstein dan Vladislav Pustovoit pada tahun 1962, dan dua tahun kemudian oleh Weber. Pada awal tahun 1970-an, Robert Forward, seorang karyawan laboratorium penelitian Hughes Aircraft Corporation (mantan mahasiswa pascasarjana Weber, dan kemudian menjadi penulis fiksi ilmiah yang sangat terkenal), membangun detektor pertama dengan sensitivitas yang cukup baik. Pada saat yang sama, profesor Institut Teknologi Massachusetts (MIT) Rainer Weiss melakukan analisis teoretis yang sangat mendalam tentang kemungkinan perekaman gelombang gravitasi menggunakan metode optik.

Metode ini melibatkan penggunaan perangkat analog yang 125 tahun lalu fisikawan Albert Michelson membuktikan bahwa kecepatan cahaya sama persis ke segala arah. Pada instalasi interferometer Michelson ini, seberkas cahaya mengenai pelat tembus pandang dan terbagi menjadi dua berkas yang saling tegak lurus, yang dipantulkan dari cermin yang terletak pada jarak yang sama dari pelat. Kemudian sinar-sinar tersebut menyatu kembali dan jatuh pada layar, dimana muncul pola interferensi (garis dan garis terang dan gelap). Jika kecepatan cahaya bergantung pada arahnya, maka ketika seluruh instalasi diputar, gambar ini akan berubah; jika tidak, maka harus tetap sama seperti sebelumnya.

Detektor interferensi gelombang gravitasi bekerja dengan cara yang sama. Gelombang yang lewat merusak ruang dan mengubah panjang masing-masing lengan interferometer (jalur yang dilalui cahaya dari pembagi ke cermin), meregangkan satu lengan dan menekan lengan lainnya. Pola interferensi berubah, dan ini dapat didaftarkan. Namun ini tidak mudah: jika perubahan relatif yang diharapkan pada panjang lengan interferometer adalah 10 -20, maka dengan ukuran perangkat di atas meja (seperti milik Michelson) hal ini menghasilkan osilasi dengan amplitudo sekitar 10 - 18 cm Sebagai perbandingan: gelombang cahaya tampak 10 triliun. kali lebih lama! Anda dapat menambah panjang bahu hingga beberapa kilometer, tetapi masalah masih tetap ada. Sumber cahaya laser harus kuat dan frekuensinya stabil, cermin harus benar-benar rata dan memantulkan cahaya dengan sempurna, ruang hampa di dalam pipa yang dilalui cahaya harus sedalam mungkin, dan stabilisasi mekanis seluruh sistem harus dijaga. benar-benar sempurna. Singkatnya, detektor interferensi gelombang gravitasi adalah perangkat yang mahal dan besar.

Saat ini, instalasi terbesar dari jenis ini adalah kompleks Amerika LIGO (Light Interferometer Gravitational Waves Observatory). Terdiri dari dua observatorium, salah satunya terletak di pantai Pasifik Amerika Serikat, dan yang lainnya di dekat Teluk Meksiko. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan tiga interferometer (dua di negara bagian Washington, satu di Louisiana) dengan lengan sepanjang empat kilometer. Instalasi ini dilengkapi dengan akumulator cahaya cermin, yang meningkatkan sensitivitasnya. “Sejak November 2005, ketiga interferometer kami telah beroperasi secara normal,” perwakilan kompleks LIGO Peter Saulson, seorang profesor fisika di Universitas Syracuse, mengatakan kepada Popular Mechanics. “Kami terus-menerus bertukar data dengan observatorium lain yang mencoba mendeteksi gelombang gravitasi dengan frekuensi puluhan dan ratusan hertz, yang muncul selama ledakan supernova paling kuat dan penggabungan bintang neutron dan lubang hitam. Saat ini yang beroperasi adalah interferometer GEO 600 Jerman (panjang lengan - 600 m), terletak 25 km dari Hannover. Instrumen TAMA Jepang sepanjang 300 meter saat ini sedang ditingkatkan. Detektor Virgo sepanjang tiga kilometer di dekat Pisa akan bergabung dalam upaya ini pada awal tahun 2007, dan pada frekuensi di bawah 50 Hz akan mampu melampaui LIGO. Instalasi dengan resonator ultrakriogenik beroperasi dengan efisiensi yang meningkat, meskipun sensitivitasnya masih kurang dibandingkan milik kita.”

1. Di ruang kosong, mereka merambat dengan kecepatan cahaya. Selain itu, kecepatan ini hampir selalu dipertahankan ketika bertemu dengan benda material, sehingga gelombang gravitasi tidak mengalami pembiasan. Materi yang sangat padat dapat mengurangi kecepatan gelombang gravitasi, namun dalam kasus lain, efek ini dapat diabaikan. Amplitudo gelombang gravitasi memudar seiring bertambahnya jarak dari sumbernya, tetapi tidak turun ke nol: begitu gelombang gravitasi muncul, dalam arti tertentu, ia akan mengalami kehidupan kekal. Secara khusus, Alam Semesta harus dipenuhi dengan gelombang peninggalan yang diwarisi dari fase inflasi. Mereka menyandikan informasi tentang struktur “embrio” Alam Semesta, yang, bagaimanapun, masih perlu diuraikan. 2. Gelombang gravitasi bersifat transversal. Gelombang seperti itu mendistorsi struktur ruang pada bidang yang tegak lurus terhadap vektor rambatnya. Benda padat yang terperangkap di daerah depan gelombang gravitasi akan mengalami deformasi tepat pada bidang ini (yang bergantung pada sifat gelombang). 3. Gelombang gravitasi membawa energi yang diambil dari materi yang memancarkannya. Oleh karena itu, seiring berjalannya waktu, bintang-bintang dalam sistem biner semakin mendekat dan periode revolusinya mengelilingi pusat massa bersama berkurang.

Prospek

Apa yang akan terjadi dalam waktu dekat untuk metode deteksi gelombang gravitasi? Profesor Rainer Weiss mengatakan kepada Popular Mechanics tentang hal ini: “Dalam beberapa tahun, laser yang lebih kuat dan detektor yang lebih canggih akan dipasang di observatorium kompleks LIGO, yang akan menghasilkan peningkatan sensitivitas sebesar 15 kali lipat. Sekarang 10 -21 (pada frekuensi sekitar 100 Hz), dan setelah modernisasi akan melebihi 10 -22. Kompleks yang ditingkatkan, Advanced LIGO, akan meningkatkan kedalaman penetrasi ke luar angkasa sebanyak 15 kali lipat. Profesor Universitas Negeri Moskow Vladimir Braginsky, salah satu pionir dalam studi gelombang gravitasi, terlibat aktif dalam proyek ini.

Peluncuran interferometer luar angkasa LISA (Laser Interferometer Space Antenna) dengan panjang lengan 5 juta kilometer direncanakan pada pertengahan dekade berikutnya, ini merupakan proyek bersama NASA dan Badan Antariksa Eropa. Sensitivitas observatorium ini akan ratusan kali lebih tinggi dibandingkan kemampuan instrumen berbasis darat. Hal ini terutama dirancang untuk mencari gelombang gravitasi frekuensi rendah (10 -4 -10 -1 Hz), yang tidak dapat dideteksi di permukaan bumi karena gangguan atmosfer dan seismik. Gelombang seperti itu dipancarkan oleh sistem bintang ganda, yang merupakan ciri khas penghuni Kosmos. LISA juga akan mampu mendeteksi gelombang gravitasi yang dihasilkan ketika bintang biasa diserap oleh lubang hitam. Namun untuk mendeteksi gelombang gravitasi peninggalan yang membawa informasi tentang keadaan materi pada saat-saat pertama setelah Big Bang, kemungkinan besar diperlukan instrumen luar angkasa yang lebih canggih. Instalasi seperti itu, Big Bang Observer, kini sedang dibahas, namun kecil kemungkinannya akan dibuat dan diluncurkan lebih awal dari 30-40 tahun mendatang.”

Fisikawan di LIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory) pertama kali menemukan gelombang gravitasi - gangguan ruang-waktu yang diprediksi seratus tahun lalu oleh pencipta teori relativitas umum, Albert Einstein. Tentang pembukaan selama siaran langsung yang diselenggarakan oleh Lenta.ru dan Universitas Negeri Moskow (MSU) dinamai M.V. Lomonosov, ilmuwan dari Fakultas Fisika, peserta kolaborasi internasional LIGO. Lenta.ru berbicara dengan salah satu dari mereka, fisikawan Rusia Sergei Vyatchanin.

Apa itu gelombang gravitasi?

Menurut hukum gravitasi universal Newton, dua benda ditarik satu sama lain dengan gaya yang berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya. Teori ini menjelaskan, misalnya, rotasi Bumi dan Bulan dalam ruang datar dan waktu universal. Einstein, setelah mengembangkan teori relativitas khusus, menyadari bahwa waktu dan ruang adalah satu substansi, dan mengajukan teori relativitas umum - teori gravitasi yang didasarkan pada fakta bahwa gravitasi memanifestasikan dirinya sebagai kelengkungan ruang-waktu yang diciptakan oleh materi.

Doktor Ilmu Fisika dan Matematika Sergei Vyatchanin mengepalai Departemen Fisika Osilasi Fakultas Fisika Universitas Negeri Moskow sejak 2012. Minat penelitiannya fokus pada studi pengukuran kuantum non-perturbatif, antena gelombang gravitasi laser, mekanisme disipasi, kebisingan mendasar, dan efek optik nonlinier. Ilmuwan tersebut berkolaborasi dengan California Institute of Technology di AS dan Max Planck Society di Jerman.

Anda dapat membayangkan sebuah lingkaran elastis. Jika bola ringan dilempar ke arahnya, bola tersebut akan menggelinding lurus. Jika Anda meletakkan apel yang berat di tengah lingkaran, lintasannya akan melengkung. Dari persamaan relativitas umum, Einstein segera mengetahui bahwa gelombang gravitasi mungkin terjadi. Namun pada saat itu (awal abad ke-20) pengaruhnya dianggap sangat lemah. Bisa dibilang gelombang gravitasi adalah riak dalam ruang-waktu. Hal buruknya adalah ini adalah interaksi yang sangat lemah.

Jika kita mengambil gelombang (elektromagnetik) yang serupa, maka ada eksperimen Hertz yang menempatkan emitor di salah satu sudut ruangan dan penerima di sudut lainnya. Hal ini tidak berlaku pada gelombang gravitasi. Interaksi terlalu lemah. Kita hanya bisa mengandalkan bencana astrofisika.

Bagaimana cara kerja antena gravitasi?

Ada interferometer Fabry-Perot, dua massa dipisahkan sejauh empat kilometer. Jarak antar massa dikendalikan. Jika gelombang datang dari atas, jaraknya sedikit berubah.

Apakah gangguan gravitasi pada dasarnya merupakan distorsi metrik?

Bisa dibilang begitu. Matematika menggambarkan ini sebagai sedikit kelengkungan ruang. Herzenstein dan Pustovoit mengusulkan penggunaan laser untuk mendeteksi gelombang gravitasi pada tahun 1962. Itu adalah artikel Soviet, sebuah fantasi... Hebat, tapi tetap saja mewah. Orang Amerika berpikir dan memutuskan pada tahun 1990-an (Kip Thorne, Ronald Drever dan Rainer Weiss) untuk membuat antena gravitasi laser. Selain itu, diperlukan dua antena, karena jika ada kejadian perlu menggunakan skema kebetulan. Dan kemudian semuanya dimulai. Ceritanya panjang. Kami telah bekerja sama dengan Caltech sejak tahun 1992, dan beralih ke basis kontrak formal pada tahun 1998.

Tidakkah menurut Anda realitas gelombang gravitasi tidak diragukan lagi?

Secara umum, komunitas ilmiah yakin bahwa mereka ada, dan tinggal menunggu waktu saja untuk menemukannya. Hulse dan Taylor dianugerahi Hadiah Nobel atas penemuan gelombang gravitasi yang sebenarnya. Apa yang mereka lakukan? Ada bintang ganda - pulsar. Saat berputar, mereka memancarkan gelombang gravitasi. Kita tidak bisa mengamatinya. Namun jika mereka memancarkan gelombang gravitasi, mereka mengeluarkan energi. Artinya putarannya melambat, seolah-olah akibat gesekan. Bintang-bintang bergerak mendekat satu sama lain dan perubahan frekuensi dapat terlihat. Mereka melihat - dan melihat (pada tahun 1974 - kira-kira. "Tape.ru"). Ini merupakan bukti tidak langsung adanya gelombang gravitasi.

Sekarang - langsung?

Sekarang - langsung. Sebuah sinyal tiba dan didaftarkan pada dua detektor.

Apakah keandalannya tinggi?

Cukup untuk membukanya.

Apa kontribusi ilmuwan Rusia terhadap eksperimen ini?

Kunci. Di LIGO awal (versi awal antena - kira-kira. "Tape.ru") massa sepuluh kilogram digunakan, dan digantung pada benang baja. Ilmuwan kami Braginsky telah mengungkapkan ide untuk menggunakan benang kuarsa. Sebuah makalah diterbitkan yang membuktikan bahwa filamen kuarsa menghasilkan lebih sedikit kebisingan. Dan sekarang massa (di LIGO tingkat lanjut, instalasi modern - kira-kira. "Tape.ru") gantung pada benang kuarsa.

Kontribusi kedua bersifat eksperimental dan terkait dengan biaya. Massa, yang dipisahkan sejauh empat kilometer, perlu diatur menggunakan aktivator elektrostatis. Sistem ini lebih baik daripada sistem magnetis yang digunakan sebelumnya, tetapi sistem ini mendeteksi muatannya. Khususnya, setiap detik sejumlah besar partikel - muon - melewati telapak tangan seseorang, yang dapat meninggalkan muatan. Kini mereka sedang berjuang mengatasi masalah ini. Kelompok kami (Valery Mitrofanov dan Leonid Prokhorov) berpartisipasi dalam hal ini secara eksperimental dan menjadi jauh lebih berpengalaman.

Pada awal tahun 2000-an, ada ide untuk menggunakan filamen safir di LIGO tingkat lanjut, karena secara formal safir memiliki faktor kualitas yang lebih tinggi. Mengapa ini penting? Semakin tinggi faktor kualitas, semakin sedikit noise. Ini adalah aturan umum. Kelompok kami menghitung apa yang disebut kebisingan termoelastik dan menunjukkan bahwa masih lebih baik menggunakan kuarsa daripada safir.

Dan selanjutnya. Sensitivitas antena gravitasi mendekati batas kuantum. Ada yang disebut batas kuantum standar: jika Anda mengukur suatu koordinat, maka menurut prinsip ketidakpastian Heisenberg Anda akan segera mengganggunya. Jika Anda terus-menerus mengukur suatu koordinat, maka Anda selalu mengganggunya. Tidaklah baik untuk mengukur koordinat dengan sangat akurat: akan ada efek fluktuasi terbalik yang besar. Hal ini ditunjukkan pada tahun 1968 oleh Braginsky. Dihitung untuk LIGO. Ternyata untuk LIGO awal, sensitivitasnya kira-kira sepuluh kali lebih tinggi dari batas kuantum standar.

Harapannya sekarang adalah LIGO tingkat lanjut akan mencapai batas kuantum standar. Mungkin akan turun. Ini sebenarnya mimpi. Bisakah Anda bayangkan ini? Anda akan memiliki perangkat makroskopis kuantum: dua massa berat pada jarak empat kilometer.

Gelombang gravitasi terekam pada 14 September 2015 pukul 05:51 Waktu Musim Panas Bagian Timur (13:51 waktu Moskow) di detektor kembar Observatorium Gelombang Gravitasi Interferometer Laser LIGO yang berlokasi di Livingston (Louisiana) dan Hanford (Negara Bagian Washington). ) di USA. Detektor LIGO mendeteksi fluktuasi relatif sepuluh hingga minus 19 meter (kira-kira sama dengan rasio diameter atom terhadap diameter apel) dari pasangan massa uji yang dipisahkan sejauh empat kilometer. Gangguan tersebut disebabkan oleh sepasang lubang hitam (29 dan 36 kali lebih berat dari Matahari) dalam sepersekian detik terakhir sebelum mereka bergabung menjadi objek gravitasi berputar yang lebih masif (62 kali lebih berat dari Matahari). Dalam sepersekian detik, tiga massa matahari berubah menjadi gelombang gravitasi, dengan kekuatan radiasi maksimum sekitar 50 kali lebih besar daripada seluruh alam semesta yang terlihat. Penggabungan lubang hitam terjadi 1,3 miliar tahun yang lalu (ini adalah waktu yang dibutuhkan gangguan gravitasi untuk mencapai Bumi). Menganalisis momen kedatangan sinyal (detektor Livingston mencatat peristiwa tersebut tujuh milidetik lebih awal dari detektor Hanford), para ilmuwan berasumsi bahwa sumber sinyal terletak di belahan bumi selatan. Para ilmuwan menyerahkan hasilnya untuk dipublikasikan di jurnal Physical Review Letters.

Sekilas, ini sangat tidak cocok.

Inilah yang paradoks. Artinya, ternyata luar biasa. Tampaknya berbau penipuan, tetapi kenyataannya tidak, semuanya jujur. Tapi untuk saat ini, ini hanyalah mimpi. Batas kuantum standar belum tercapai. Di sana Anda masih perlu bekerja dan bekerja. Tapi sudah jelas bahwa itu sudah dekat.

Apakah ada harapan hal ini akan terjadi?

Ya. Batasan kuantum standar perlu diatasi, dan kelompok kami telah terlibat dalam mengembangkan metode untuk mengatasi hal ini. Inilah yang disebut pengukuran kuantum non-perturbing, skema pengukuran spesifik apa yang diperlukan - ini atau itu... Lagi pula, ketika Anda belajar secara teoritis, perhitungan tidak memerlukan biaya apa pun, dan eksperimen itu mahal. LIGO mencapai akurasi sepuluh hingga minus 19 meter.

Mari kita ingat contoh seorang anak kecil. Jika kita memperkecil bumi menjadi seukuran jeruk, lalu memperkecilnya dengan jumlah yang sama, kita mendapatkan ukuran atom. Jadi, jika kita mereduksi atom dengan jumlah yang sama, maka kita mendapatkan sepuluh meter hingga minus 19 derajat. Ini hal yang gila. Ini adalah pencapaian peradaban.

Ini sangat penting, ya. Lalu apa arti penemuan gelombang gravitasi bagi sains? Hal ini diyakini dapat mengubah metode pengamatan astronomi.

Apa yang kita punya? Astronomi dalam kisaran biasa. Teleskop radio, teleskop inframerah, observatorium sinar-X.

Apakah semuanya berada dalam rentang elektromagnetik?

Ya. Selain itu, terdapat observatorium neutrino. Ada registrasi partikel kosmik. Ini adalah saluran informasi lainnya. Jika antena gravitasi menghasilkan informasi astrofisika, maka peneliti akan memiliki beberapa saluran observasi sekaligus, yang melaluinya mereka dapat menguji teori tersebut. Banyak teori kosmologi telah diajukan, saling bersaing satu sama lain. Ada kemungkinan untuk menyingkirkan sesuatu. Misalnya, ketika Higgs boson ditemukan di Large Hadron Collider, beberapa teori langsung hilang.

Artinya, hal ini akan berkontribusi pada pemilihan model kosmologis yang berfungsi. Pertanyaan lain. Mungkinkah menggunakan antena gravitasi untuk mengukur percepatan perluasan alam semesta secara akurat?

Sejauh ini sensitivitasnya sangat rendah.

Bagaimana dengan masa depan?

Di masa depan, ini juga dapat digunakan untuk mengukur latar belakang gravitasi peninggalan. Namun setiap pelaku eksperimen akan memberi tahu Anda: “Ay-yay!” Artinya, ini masih jauh. Tuhan mengabulkan bahwa kita mencatat bencana astrofisika.

Tabrakan lubang hitam...

Ya. Bagaimanapun, ini adalah bencana. Tuhan melarang Anda berakhir di sana. Kami tidak akan ada. Dan inilah latar belakangnya... Untuk saat ini... “mereka memenuhi harapan kaum muda, mereka memberikan kegembiraan kepada yang lebih tua.”

Bisakah penemuan gelombang gravitasi memberikan bukti lebih lanjut tentang keberadaan lubang hitam? Bagaimanapun, masih ada orang yang tidak percaya bahwa mereka ada.

Ya. Bagaimana cara kerjanya di LIGO? Sinyal tersebut direkam, untuk menjelaskan ilmuwan mana yang mengembangkan pola dan membandingkannya dengan data observasi. Tabrakan bintang neutron, bintang neutron jatuh ke dalam lubang hitam, ledakan supernova, lubang hitam menyatu dengan lubang hitam... Kita akan mengubah parameter, misalnya rasio massa, momen awal... Apa yang harus kami melihat? Perekaman sedang berlangsung, dan pada saat sinyal diberikan, kinerja templat dinilai. Jika pola yang dirancang untuk tabrakan dua lubang hitam cocok dengan sinyalnya, maka itu adalah buktinya. Namun tidak mutlak.

Apakah tidak ada penjelasan yang lebih baik? Apakah penemuan gelombang gravitasi paling sederhana dijelaskan melalui tumbukan lubang hitam?

Saat ini - ya. Komunitas ilmiah kini percaya bahwa itu adalah penggabungan lubang hitam. Namun komunitas kolektif adalah pendapat banyak orang, sebuah konsensus. Tentu saja, jika muncul beberapa faktor baru, hal itu bisa ditinggalkan.

Kapan gelombang gravitasi dapat dideteksi dari benda bermassa lebih kecil? Bukankah ini berarti perlu dibangun observatorium baru dan lebih sensitif?

Ada program generasi berikutnya yang disebut LIGO. Ini yang kedua. Akan ada yang ketiga. Ada banyak pilihan di sana. Anda dapat menambah jarak, menambah tenaga, dan suspensi. Sekarang semua ini sedang dibahas. Pada tingkat curah pendapat. Jika pengamatan sinyal gravitasi dikonfirmasi, maka akan lebih mudah memperoleh uang untuk memperbaiki observatorium.

Apakah pembangunan observatorium gravitasi sedang booming?

Tidak tahu. Itu mahal (LIGO berharga sekitar $370 juta - kira-kira. "Tape.ru"). Bagaimanapun, Amerika menawarkan Australia untuk membangun antena di Belahan Bumi Selatan dan setuju untuk menyediakan semua peralatan untuk itu. Australia menolak. Mainan yang terlalu mahal. Pemeliharaan observatorium akan menghabiskan seluruh anggaran ilmiah negara.

Apakah Rusia terlibat secara finansial dalam LIGO?

Kami bekerja sama dengan Amerika. Apa yang akan terjadi selanjutnya masih belum jelas. Sejauh ini kita punya hubungan baik dengan para ilmuwan, tapi politisi menguasai segalanya... Oleh karena itu, kita perlu waspada. Mereka menghargai kita. Kami memberikan hasil yang benar-benar setara. Namun bukan mereka yang memutuskan apakah akan berteman dengan Rusia atau tidak.

Sayangnya ya.

Inilah hidup, mari kita tunggu.

Observatorium LIGO didanai oleh US National Science Foundation. Penelitian di LIGO dilakukan sebagai bagian dari kolaborasi dengan nama yang sama oleh lebih dari seribu ilmuwan dari Amerika Serikat dan 14 negara lainnya, termasuk Rusia, yang diwakili oleh dua kelompok dari Universitas Negeri Moskow dan Institut Fisika Terapan Rusia. Akademi Ilmu Pengetahuan (Nizhny Novgorod).

Apakah ada rencana membangun observatorium gravitasi di Rusia?

Belum direncanakan. Pada 1980-an, Institut Astronomi Negeri Sternberg Universitas Negeri Moskow ingin membangun antena gravitasi yang sama di Ngarai Baksan, hanya saja dalam skala yang lebih kecil. Tapi perestroika datang, dan semuanya ditutupi dengan baskom tembaga untuk waktu yang lama. Sekarang polisi lalu lintas Universitas Negeri Moskow sedang mencoba melakukan sesuatu, tetapi sejauh ini antenanya tidak berfungsi...

Apa lagi yang bisa Anda coba periksa menggunakan antena gravitasi?

Validitas teori gravitasi. Bagaimanapun, sebagian besar teori yang ada didasarkan pada teori Einstein.

Belum ada yang bisa membantahnya.

Dia menempati posisi terdepan. Teori-teori alternatif dirancang sedemikian rupa sehingga pada dasarnya mengarah pada konsekuensi eksperimental yang sama. Dan ini wajar. Oleh karena itu, kita memerlukan fakta-fakta baru yang dapat menghapus teori-teori yang salah.

Secara singkat, bagaimana Anda merumuskan makna penemuan tersebut?

Faktanya, astronomi gravitasi dimulai. Dan untuk pertama kalinya, gelombang kelengkungan ruang angkasa terpikat. Bukan secara tidak langsung, namun secara langsung. Seseorang mengagumi dirinya sendiri: betapa brengseknya saya!

Anya Grushina

Kristal temporal, atau waktu, adalah ide baru dalam fisika yang telah banyak dibahas dalam beberapa tahun terakhir. Mereka adalah sistem fisik yang berulang “dengan sendirinya” seiring berjalannya waktu. Terlepas dari sifat konsep yang eksotik, para peneliti telah mempertimbangkan kemungkinan penerapan ide tersebut dan mencari “resep” paling sukses untuk menyiapkan “waktu kristal”.

Frank Wilczek, peraih Nobel 2004 dan penulis konsep kristal waktu Foto: Kenneth C. Zirkel/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0.

"Resep" kristal temporal dari eksperimen Christopher Monroe: radiasi laser, yang ditunjukkan oleh panah oranye dan hijau, membalik momen magnet (berputar); sinar laser, yang ditunjukkan oleh panah merah, menimbulkan kekacauan dan menyebabkan interaksi antar putaran. Akibatnya, sistem putaran berosilasi antara dua keadaan stabil yang tahan terhadap perubahan frekuensi pompa.

Keindahan hukum alam berjalan seiring dengan simetri. Sebenarnya, simetri dalam fisika menyiratkan bahwa beberapa properti tetap tidak berubah di bawah transformasi tertentu: ini bisa berupa rotasi atau pergeseran dalam ruang, refleksi cermin. Sederhananya, tidak peduli bagaimana Anda memutarbalikkan suatu objek atau alam semesta, hukum fisika tidak berubah. Simetri bisa kontinu atau diskrit. Misalnya, bola homogen dapat diputar ke sudut mana pun - tidak ada yang berubah. Namun kubus “berulang” hanya jika diputar pada sudut tertentu. Ini adalah contoh simetri rotasi kontinu dan diskrit.

Fisika yang menarik dimulai ketika simetri berubah, atau lebih tepatnya, rusak. Katakanlah kristal kurang simetris dibandingkan cairan homogen yang terdiri dari atom-atom yang sama, sehingga dapat dianggap sebagai pelanggaran simetri spasial. Atom-atom di dalamnya terletak di simpul-simpul yang disebut kisi kristal dengan jarak dan sudut yang jelas. Untuk mendapatkan kristal yang sama ketika bergerak di ruang angkasa, kristal tersebut harus dipindahkan dengan jarak yang ditentukan dengan jelas (yang disebut konstanta kisi - ukuran sel elementer, yang pengulangannya dapat mereproduksi seluruh kristal) atau diputar oleh sudut yang sesuai. Karakteristik spesifik kristal secara langsung bergantung pada bagaimana tepatnya simetri dipecah: jumlah elektron pada kulit terluar atom, momen magnet, suhu - semua ini mempengaruhi interaksi antar atom dan pada akhirnya menentukan sifat material. Fisikawan telah lama mempelajari kristal dan bahkan belajar membuat sistem serupa menggunakan laser atau gelombang mikro, di mana peran simpul kisi tidak hanya dapat dimainkan oleh atom dan elektron, tetapi juga oleh foton atau kuasipartikel, seperti fonon. Simetri medium juga terganggu oleh magnetisasi dan aliran arus listrik.

Namun pelanggaran diskrit terhadap simetri temporal, atau temporal (aliran waktu yang terus menerus hanya ke depan) masih merupakan wilayah yang belum dijelajahi. Frank Wilczek, pemenang Hadiah Nobel tahun 2004 karena mendeskripsikan interaksi antara quark dan gluon, pada tahun 2012 mulai memikirkan mengapa simetri waktu tidak pernah rusak secara spontan (yaitu, karena interaksi acak antar elemen sistem) dan apakah hal tersebut mungkin terjadi. untuk menciptakan kondisi yang memungkinkan hal ini terjadi. Hasilnya, dia menemukan kristal temporal sebagai cara untuk mematahkan simetri temporal.

Kristal temporal adalah struktur hipotetis yang berdenyut tanpa mengeluarkan energi, seperti jam tangan mekanis yang tidak memerlukan putaran. Urutannya berulang dalam waktu, seperti atom-atom kristal yang berulang dalam ruang. Pada pandangan pertama, kristal temporal lebih mengingatkan pada Dunia Kristal Besar karya penulis fiksi ilmiah Vladislav Krapivin daripada fisika ketat, tetapi struktur seperti itu mungkin memiliki alasan fisik yang bagus untuk keberadaannya.

Salah satu kemungkinan penerapan kristal temporal adalah cincin atom yang harus berputar, secara teratur kembali ke keadaan semula. Sifat-sifatnya akan tersinkronisasi selamanya dalam waktu, mirip dengan bagaimana posisi atom dalam kristal saling berhubungan. Menurut definisi kristal temporal, sistem seperti itu harus berada dalam keadaan dengan energi paling rendah sehingga pergerakannya tidak memerlukan energi dari luar. Dalam arti tertentu, kristal temporal akan menjadi mesin gerak abadi, kecuali bahwa ia tidak akan menghasilkan pekerjaan yang berguna.

Komunitas ilmiah sebagian besar menganggap gagasan tersebut provokatif. Namun demikian, Frank Wilczek tetap pada pendiriannya, yakin bahwa masalahnya lebih halus daripada yang terlihat pada pandangan pertama, dan bahwa kristal temporal mewakili jenis tatanan baru. Selain itu, gerak abadi memiliki preseden di dunia kuantum: secara teoritis, superkonduktor menghantarkan arus listrik selamanya (walaupun aliran dalam hal ini seragam dan oleh karena itu tidak berubah seiring waktu).

Paradoks kristal temporal menarik minat Haruki Watanabe, seorang mahasiswa pascasarjana di Universitas California di Berkeley. Ketika ia mempresentasikan karyanya tentang pemecahan simetri dalam ruang, ia ditanya tentang implikasi gagasan Wilczek tentang kristal temporal. Watanabe tidak dapat menjawab dan memutuskan untuk menyelidiki masalah ini dengan berfokus pada korelasi antara bagian-bagian sistem yang jauh dalam ruang dan waktu. Pada tahun 2015, bersama dengan fisikawan Masaki Oshikawa dari Universitas Tokyo, Watanabe membuktikan teorema yang menyatakan bahwa penciptaan kristal temporal dalam keadaan energi terendah tidak mungkin dilakukan. Mereka juga membuktikan bahwa kristal temporal tidak mungkin ada dalam sistem kesetimbangan apa pun yang telah mencapai keadaan stabil pada nilai energi berapa pun.

Pada titik ini, komunitas fisik menganggap pertanyaan tentang keberadaan kristal temporal sudah tertutup. Namun, bukti tersebut meninggalkan celah. Hal ini tidak mengesampingkan kemungkinan adanya kristal temporal dalam sistem yang keseimbangannya belum terbentuk. Dan para ahli teori di seluruh dunia mulai berpikir tentang bagaimana mereka dapat membuat versi alternatif dari kristal temporal untuk menghindari teorema tersebut.

Terobosan yang tidak disangka-sangka datang dari bidang fisika yang penelitinya sama sekali belum memikirkan topik tersebut. Ahli teori Shivaji Sondhi dan rekan-rekannya dari Universitas Princeton mempelajari perilaku sistem kuantum terisolasi yang terdiri dari “sup” partikel yang berinteraksi yang secara teratur “ditendang” dengan penuh semangat. Jika Anda mempercayai buku teks, maka sistem seperti itu akan memanas dan akhirnya menjadi kacau balau. Namun kelompok Szondi menunjukkan bahwa ketika kondisi tertentu terpenuhi, partikel-partikel tersebut berkumpul dan membentuk “pola” yang berulang seiring waktu.

Penelitian ini menarik perhatian Chetan Nayak, salah satu mantan murid Wilczek. Nayak dan rekan-rekannya berpendapat bahwa bentuk materi yang aneh dan tidak seimbang itu bisa jadi merupakan sejenis kristal temporal, meskipun bukan jenis yang awalnya dibicarakan oleh Wilczek. Bedanya, sistem seperti itu tidak berada dalam keadaan energi paling rendah dan perlu disuplai energi dari luar untuk mempertahankan denyutnya. Namun “sup” semacam itu memiliki ritme tersendiri, berbeda dengan frekuensi pemompaan, yang sebenarnya berarti pelanggaran simetri waktu.

Christopher Monroe dari Universitas Maryland di College Park, meskipun skeptis, namun mencoba membuat kristal temporal serupa menggunakan atom dingin. "Resep" yang rumit ini mengandung tiga bahan utama: gaya yang bekerja pada sistem, interaksi antar atom, dan unsur ketidakteraturan acak. Kombinasi ini membatasi jumlah energi yang dapat diserap partikel, sehingga partikel tersebut tetap berada dalam keadaan teratur.

Dalam percobaan tersebut, rantai sepuluh ion ytterbium diterangi secara bergantian oleh dua laser. Laser pertama membalikkan momen magnetik atom, dan laser kedua memaksa mereka berinteraksi satu sama lain secara acak. Hal ini menyebabkan osilasi dalam proyeksi momen magnet sistem dengan periode dua kali lebih lama dari periode pemompaan putaran laser. Selain itu, meskipun laser pertama menyimpang dari frekuensi radiasi yang diinginkan, osilasi dalam sistem tidak berubah. Sama seperti kristal biasa yang menolak upaya untuk memindahkan atom dari posisinya dalam kisi kristal, demikian pula kristal temporal mempertahankan periodisitasnya dalam waktu.

Sekelompok fisikawan dari Universitas Harvard yang dipimpin oleh Mikhail Lukin (yang juga salah satu pendiri Pusat Kuantum Rusia) mengambil jalur berbeda dan menerapkan kristal temporal menggunakan berlian. Untuk tujuan ini, sampel khusus disintesis yang mengandung sekitar satu juta cacat tidak beraturan, yang masing-masing memiliki momen magnetnya sendiri. Ketika kristal tersebut terkena gelombang radiasi gelombang mikro untuk membalik putarannya, fisikawan mencatat respon sistem pada frekuensi yang hanya sebagian kecil dari frekuensi radiasi yang menarik.

Fisikawan teoretis Norman Yao, yang mengambil bagian dalam kedua eksperimen tersebut, menekankan bahwa sistem dalam keadaan energi terendah, menurut definisi, tidak boleh berubah seiring waktu. Jika tidak, itu berarti mereka memiliki energi ekstra yang dapat dikeluarkan, dan pada akhirnya gerakan tersebut harus terhenti. Yao membandingkan hasil percobaannya dengan lompat tali: tangan membuat dua putaran, tetapi tali hanya membuat satu putaran, dan ini merupakan pelanggaran simetri yang lebih lemah daripada yang awalnya dipahami oleh Wilczek, yang percaya bahwa tali dapat bergetar dengan sendirinya.

Hasil dari kedua percobaan tersebut dipublikasikan di jurnal Nature dan tentu saja menarik, namun definisi kristal temporal dalam kedua kasus tersebut dapat dianggap agak dibuat-buat. Fisikawan sepakat bahwa kedua sistem secara spontan mematahkan simetri waktu dalam beberapa cara dan oleh karena itu memenuhi persyaratan kristal temporal dari sudut pandang matematika. Namun apakah mereka benar-benar dapat dianggap demikian masih menjadi bahan perdebatan ilmiah.

Apakah Monroe dan Lukin berhasil mendapatkan kristal temporal atau tidak, waktu akan menjawabnya. Bagaimanapun, eksperimen ini menarik karena untuk pertama kalinya mereka mendemonstrasikan contoh paling sederhana dari fase materi baru di wilayah keadaan non-ekuilibrium yang relatif belum dijelajahi. Keadaan materi baru ini terdiri dari sekelompok partikel kuantum yang terus berubah, tidak pernah mencapai keadaan stabil. Stabilitas dicapai melalui interaksi acak yang akan mengganggu keseimbangan jenis materi lainnya.

Selain itu, hasil ini mungkin mempunyai implikasi praktis. Kristal temporal dapat berguna sebagai sensor super presisi. Perilaku momen magnet cacat pada berlian sudah digunakan untuk mencatat perubahan sekecil apa pun pada suhu dan medan magnet. Namun pendekatan ini memiliki keterbatasan: ketika terlalu banyak cacat “berkumpul” dalam volume kecil, interaksi di antara mereka menghancurkan keadaan kuantum. Sebaliknya, dalam kristal temporal, interaksi menstabilkan sistem, sehingga jutaan cacat dapat digunakan bersama untuk memperkuat sinyal. Hal ini akan memungkinkan untuk mempelajari, khususnya, sel hidup dan bahan dengan ketebalan atom.

Contoh lain penggunaan sistem tersebut adalah komputasi kuantum pada suhu yang cukup tinggi. Komputer kuantum merupakan teknologi yang menjanjikan dan telah lama ditunggu-tunggu namun masih jauh dari implementasi praktis. Intinya adalah bahwa bit-bit kuantum rapuh yang melakukan perhitungan perlu diisolasi dari efek-efek perusakan kuantum dari gerakan termal dan “efek samping” lingkungan lainnya sambil tetap dapat menyandikan dan membaca informasi darinya. Fisikawan menggunakan suhu yang sangat rendah untuk melakukan hal ini, hanya nanoderajat di atas nol mutlak. Kristal temporal pada dasarnya adalah sistem kuantum yang ada pada suhu yang jauh lebih tinggi. Dalam kasus berlian Lukin, hal ini umumnya terjadi pada suhu kamar.

Dalam sebuah wawancara yang dapat dibaca di “Ilmu Pengetahuan dan Kehidupan” No. 12 tahun 2013, Mikhail Lukin berbicara secara tepat tentang “efek samping” praktis yang tidak terduga dari apa yang sekilas merupakan ilmu pengetahuan yang sepenuhnya fundamental. Dan mungkin konsep kristal temporal yang terdengar fantastis itulah yang akan membuka jalan menuju komputasi kuantum tanpa memerlukan kriogenik yang rumit dan mahal.

Luar angkasa memberi para ilmuwan hadiah untuk seratus tahun teori relativitas umum Einstein - gelombang gravitasi terdeteksi

Pada pertengahan Februari tahun ini, anggota kolaborasi internasional LIGO, yang menyatukan ratusan ilmuwan dari tujuh belas negara, termasuk Rusia, mengumumkan deteksi langsung gelombang gravitasi pertama yang dipancarkan oleh dua lubang hitam yang menyatu dengan massa total lebih dari 60 matahari 1,3 miliar bertahun-tahun lalu. Ini adalah peristiwa ilmiah, tanpa berlebihan, dalam skala kosmik, dan terjadi September lalu di observatorium-interferometer gelombang gravitasi laser LIGO (AS). Untuk komentar terperinci, kami menghubungi kepala laboratorium fisika teoretis Institut Elektrofisika Cabang Ural dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia, akademisi Mikhail Sadovsky.

- Mikhail Vissarionovich yang terhormat, pertama-tama, jelaskan kepada seorang amatir apa itu gelombang gravitasi?

Bayangkan empat bola digantung melintang. Jika terjadi gangguan gravitasi, dua bola akan menyimpang satu sama lain dengan jarak tertentu, dan dua bola lainnya secara bersamaan akan bergerak menuju satu sama lain; pada fase gelombang berikutnya pergerakannya akan berlawanan. Akibatnya, di bawah pengaruh gelombang gravitasi, keempat bola akan mulai berosilasi secara serempak. Tapi ini hanyalah eksperimen khayalan. Dalam kehidupan sehari-hari, tidak ada seorang pun yang merasakan atau mengamati gelombang gravitasi; gelombang tersebut tidak berpengaruh pada apa pun, karena interaksi gravitasi sangat lemah dibandingkan, misalnya dengan interaksi elektromagnetik. Dan meskipun sebagian besar fisikawan teoretis tidak pernah meragukan keberadaan gelombang gravitasi, tugas mencatat gelombang gravitasi secara eksperimental dalam kondisi terestrial tampaknya sangat sulit. Kita hanya bisa berharap ke luar angkasa - gangguan gravitasi yang kuat terjadi di sana, dan gelombang yang ditimbulkannya dapat mencapai Bumi.

- Jadi, penemuan saat ini tidak bisa disebut tidak terduga?

Keberadaan gelombang gravitasi secara teori telah diprediksi oleh Albert Einstein tepat 100 tahun yang lalu dalam makalahnya pada tahun 1916. Hal ini tentu saja mengikuti teori relativitas umum, atau teori gravitasi modern. Jika gelombang elektromagnetik ada, maka pasti ada juga gangguan gravitasi, yang merambat dalam bentuk gelombang dengan kecepatan cahaya dan secara lokal mengubah geometri ruang dan waktu. Prediksi keberadaan gelombang gravitasi memungkinkan, misalnya, untuk menjelaskan perubahan laju konvergensi sistem bintang ganda yang berdekatan.

Untuk pertama kalinya, fisikawan Amerika Joseph Weber mencoba memecahkan masalah pencatatan langsung efek gravitasi pada tahun 1960-an. Dia mengembangkan detektor pertama - dua silinder aluminium besar yang digantung pada jarak yang sangat jauh satu sama lain. Menurut Weber, gelombang gravitasi yang besar akan menyebabkan mereka berosilasi secara serempak, sehingga perjalanannya dapat terekam. Pada tahun 1968, ia mengumumkan deteksi gelombang gravitasi dengan detektornya, namun hasil eksperimennya dipertanyakan oleh peneliti lain. Sayangnya, Joseph Weber tidak bisa menyaksikan kejayaan gerakan yang ia dirikan saat ini. Namun, kontribusi ilmuwan terhadap astronomi gelombang gravitasi diakui oleh komunitas ilmiah.

- Apakah rekan kita sudah mencoba mencatat gelombang gravitasi?

Di Uni Soviet dan Rusia, pelopor penelitian gelombang gravitasi adalah anggota Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia Vladimir Braginsky. Dia skeptis terhadap eksperimen Weber, percaya bahwa tidak ada yang bisa didaftarkan dengan detektor seperti itu, namun dia terus bekerja ke arah ini.

Skema yang diterapkan dalam percobaan saat ini juga diusulkan oleh ilmuwan dalam negeri - Profesor Michael Herzenstein dan akademisi Vladislav Pustovoit dalam sebuah artikel yang diterbitkan dalam Journal of Experimental and Theoretical Physics pada tahun 1962. Skema ini cukup sederhana. Itu dibangun di atas interferometer Michelson, prinsip operasinya adalah sebagai berikut: seberkas cahaya dari sumber diarahkan ke cermin yang terletak agak jauh darinya, dipantulkan dari cermin dan dikembalikan, dan sinyal cahaya kedua adalah dikirim dalam arah tegak lurus, itu juga dipantulkan dari cermin dan kembali. Pada titik perpotongan sinyal cahaya pada detektor, pola interferensi dapat dilihat. Jika gelombang gravitasi lewat, cermin mulai bergetar secara serempak, dan pola interferensi berubah. Karena optik adalah ilmu yang sangat presisi, efek gravitasi yang sangat lemah pun dapat dideteksi.

- Apakah interferometer, tempat penemuan sensasional itu dibuat, bekerja berdasarkan prinsip ini?

Ya. Observatorium LIGO terdiri dari dua instalasi: satu terletak di Hanford, Washington, yang lain di Livingston, Louisiana, pada jarak sekitar 3 ribu kilometer. Setiap interferometer memiliki dua “lengan” sepanjang 4 km, terletak tegak lurus satu sama lain. Ini adalah pipa di mana sinar laser ditembakkan. Jika gelombang gravitasi tiba, maka pola interferensi karakteristik akan muncul secara serempak di kedua interferometer pada detektor pada titik perpotongan berkas.

Penggagas proyek LIGO pada tahun 1980-an adalah profesor di Institut Teknologi California Kip Thorne(omong-omong, salah satu penulis naskah untuk film aksi luar angkasa “Interstellar”) dan Ronald Sopir, dan juga seorang profesor di Massachusetts Institute of Technology Rainer Weiss.
Daftar peserta kolaborasi internasional, berjumlah lebih dari 200 orang, termasuk rekan senegaranya, termasuk anggota terkait Vladimir Braginsky, profesor Valery Mitrofanov(MSU), anggota terkait Alexander Sergeev Dan Efim Khazanov(Institut Fisika Terapan RAS, Nizhny Novgorod) dan peneliti lainnya.

Pekerjaan peserta proyek Rusia sebagian didukung oleh hibah dari Yayasan Penelitian Dasar Rusia. Sayangnya, persyaratan hibah konyol yang diadopsi oleh Yayasan Sains Rusia sepenuhnya mengecualikan dukungan untuk penelitian kolektif semacam ini. Jadi, menurut aturan yayasan, pekerjaan yang dibiayai oleh Yayasan Sains Rusia tidak dapat didukung oleh dana atau hibah lain. Persyaratan ini sangat ketat dan tidak konstruktif. Bagaimanapun, setiap proyek ilmiah besar, terutama proyek internasional, mendapat dukungan dari puluhan yayasan berbeda, dan kolaborasi LIGO adalah contohnya.

Observatorium Gelombang Gravitasi Interferometer Laser LIGO (Observatorium Gelombang Gravitasi Interferometer Laser). Total biaya proyek ini sekitar 620 juta dolar

Sedangkan proyek LIGO sangat mahal. Observatorium ini menelan biaya pembangunan $300 juta, ditambah biaya pengoperasian dan modernisasi. LIGO diluncurkan pada tahun 2002 dan beroperasi hingga tahun 2010. Namun, pada saat itu gelombang gravitasi belum dapat dideteksi; hanya berbagai suara yang terekam. Interferometer kemudian dimatikan untuk peningkatan. Interferometer LIGO serupa, Virgo, dengan lengan sepanjang tiga kilometer, mulai beroperasi pada tahun 2007 di Italia, dekat Pisa. Telah mengalami modernisasi sejak 2011, dan diharapkan dapat diluncurkan kembali pada paruh kedua tahun ini. Dan kompleks Advanced LIGO yang ditingkatkan mulai beroperasi pada awal musim gugur 2015.

- Ternyata penemuan itu terjadi tak lama setelah peluncuran?

Tepat. Pada tanggal 14 September, detektor LIGO mendeteksi sinyal yang tampak “mencurigakan” dari sudut pandang pengamatan gelombang gravitasi. Perubahan pola interferensi tersebut sepenuhnya sesuai dengan perhitungan yang dilakukan sebelumnya oleh peserta kolaborasi jika terjadi gangguan gravitasi. Inilah yang seharusnya terjadi selama perjalanan gelombang gravitasi yang dihasilkan oleh tabrakan dua lubang hitam - bintang masif pada tahap terakhir kehidupan, “berbobot” 29 dan 36 massa matahari. Akibat bencana kosmik, lubang hitam bermassa 62 massa matahari terbentuk, dan energi tiga massa matahari berubah menjadi radiasi gravitasi, yang mencapai kita setelah 1,3 miliar tahun cahaya. Jika interferometer Virgo sudah berfungsi pada saat fiksasi, maka dimungkinkan untuk menentukan dari mana gelombang gravitasi berasal. Kali ini hal tersebut tidak mungkin dilakukan, namun para ilmuwan berharap hal tersebut dapat terjadi di masa depan, ketika LIGO dan Virgo bekerja secara paralel.

- Dan terakhir, beberapa kata tentang pentingnya acara tersebut...

Penemuan lubang hitam “berat” itu sendiri merupakan penemuan besar dalam astronomi. Dan pencatatan langsung gelombang gravitasi pada dasarnya adalah lahirnya arah ilmiah baru, astronomi gelombang gravitasi. Dengan mempelajari efek gravitasi, kita mungkin bisa mengintip periode awal pembentukan alam semesta. Memang, sejak tahap awal evolusi “bola api” yang muncul akibat Big Bang, sinyal cahaya tidak melewatinya, namun gelombang gravitasi yang dipancarkan pada tahap perluasan Alam Semesta ini dapat mencapai kita. Yang juga luar biasa adalah bahwa teori relativitas umum kini hampir sepenuhnya diuji secara eksperimental pada tingkat klasik (non-kuantum) dan memang menggambarkan gravitasi dengan sangat akurat. Jadi penemuan ini menjadi “hadiah” cemerlang untuk peringatan seratus tahun teori ini.

Tentu saja sulit untuk membicarakan arti praktis dari pencatatan gelombang gravitasi, namun ada kemungkinan hal itu akan terungkap di masa depan. Pada awal abad ke-20, tidak ada yang membayangkan bahwa, misalnya, navigator GPS modern akan menentukan lokasi Anda dengan tepat hanya dengan mempertimbangkan efek relativitas umum. Dan astronomi gelombang gravitasi tampaknya sudah dekat.

Sinyal gelombang gravitasi pertama yang direkam

Gelombang gravitasi dari penggabungan lubang hitam biner terdeteksi oleh detektor LIGO di Hanford dan Livingston Di sebelah kiri adalah data dari detektor di Hanford (H1), di sebelah kanan adalah di Livingston (L1). Waktu dihitung mulai 14 September 2015, 09:50:45 UTC. Baris atas: tegangan h pada detektor. Sinyal GW150914 pertama kali tiba di L1 dan setelah 6,9+0,5×0,4 ms di H1; untuk perbandingan visual, data dari H1 ditampilkan di plot L1 dalam bentuk terbalik dan bergeser waktu (untuk memperhitungkan orientasi relatif detektor). Baris kedua: tegangan h dari sinyal gelombang gravitasi, melewati filter bandpass yang sama, 35 - 350 Hz. Garis padat merupakan hasil relativitas numerik suatu sistem dengan parameter yang sesuai dengan yang ditemukan berdasarkan kajian sinyal GW150914 yang diperoleh dua kode independen dengan hasil kecocokan sebesar 99,9. Garis tebal abu-abu adalah daerah kepercayaan 90% dari bentuk gelombang yang direkonstruksi dari data detektor dengan dua metode berbeda. Garis abu-abu tua memodelkan sinyal yang diharapkan dari penggabungan lubang hitam, garis abu-abu terang tidak menggunakan model astrofisika, tetapi mewakili sinyal sebagai kombinasi linier gelombang sinusoidal-Gaussian. Rekonstruksi tersebut tumpang tindih sebesar 94%. Baris ketiga: kesalahan sisa setelah mengekstraksi prediksi terfilter dari sinyal relativitas numerik dari sinyal detektor yang difilter. Baris bawah: Representasi peta frekuensi tegangan, yang menunjukkan peningkatan frekuensi dominan sinyal seiring waktu.

Apa yang dilihat oleh detektor LIGO?

Kami melihat sinyal yang tampak persis seperti prediksi penggabungan sepasang lubang hitam. Peregangan relatif interferometer di bawah pengaruh gelombang gravitasi ditunjukkan. Skala vertikalnya adalah 10–21, yang berarti lengan interferometer sepanjang empat kilometer direntangkan sebesar 2,5 x 10–15 cm (mereka dapat mengukur bentangan hingga 10–17 cm, tidak peduli betapa fantastisnya hal ini). Gambar tersebut menunjukkan pemuaian dan penyusutan dua detektor (ditampilkan dalam warna berbeda) yang terletak pada jarak 3000 km. Pertama, ada kebisingan, di mana gelombang-gelombang nyata mulai muncul, yang datang semakin sering, dan kemudian berakhir secara tiba-tiba. Setiap gelombang merupakan setengah putaran sistem dua lubang hitam. Mereka cepat bertemu, sehingga waktu antar puncak berkurang. Gelombang terakhir sebenarnya adalah satu lubang hitam, meskipun sangat cacat.

Dengan melihat gambar, bagaimana Anda dapat memperkirakan massa lubang hitam yang menyatu dan jaraknya?
Penting untuk memperkirakan periode rotasi objek yang bergabung pada saat-saat terakhir. Kita melihat gambar tersebut dan melihat bahwa jarak antara puncak terakhir kira-kira sepuluh kali lebih kecil dibandingkan jarak antar risiko, yaitu sekitar 5 milidetik. Ini adalah setengah periode rotasi lubang hitam yang masih sangat terdeformasi. Pada kecepatan linier berapa permukaannya berputar? Sebanding dengan kecepatan cahaya, tetapi lebih kecil, sekitar sepertiga (batas lubang Kerr) - berapapun ukurannya.

Maka putaran setengah lingkarannya kurang lebih 500 km, dibagi?, didapat radius 170 km. Jari-jari lubang hitam bermassa matahari adalah 3 km, yang berarti massa sistemnya sekitar 60 massa matahari. Faktanya - 62. Akurasi yang luar biasa, terutama mengingat kami memperkirakan waktu antar puncak dengan mata.

Sekarang mari kita coba memperkirakan jaraknya. Ini sedikit lebih rumit. Amplitudo gelombang gravitasi (deformasi relatif ruang) berbanding terbalik dengan jarak ke sumbernya. Deformasi pada sumbernya sangat besar, tentu saja bukan kesatuan, tetapi 0,1 cukup realistis (perhitungan memberikan urutan besaran yang persis seperti ini). Kita mempunyai 10–21 (lihat satuan pada sumbu vertikal), yang berarti kita berada sekitar 1020 kali lebih jauh dari sumber dibandingkan ukurannya - 170 km (lihat di atas). Kita mendapatkan 1,7 x 107 cm x 1020 = 1,7 x 1027 cm = 0,6 gigaparsec (sebenarnya 0,4 gigaparsec). Sekali lagi, sebuah pukulan yang luar biasa meskipun faktanya masih terdapat ketidakpastian dalam orientasi bidang ekuator sistem relatif terhadap garis pandang.