پل فیزیک کلاسیک و کوانتوم؛ پیش به سوی اثبات سیاه چاله ها محمدرضا عیوضی-پایان هفته گذشته خبری فوری خبرگزاری‌های جهان به جای انفجار و حملات انتحاری داعش درباره کشف مهم امواج گرانشی بود. آلبرت اینشتین یک‌بار دیگر نشان داد که هنوز هم می‌تواند با ثابت شدن پیش‌بینی‌هایش دنیای علم را شگفت‌زده کند. اما این […]
پل فیزیک کلاسیک و کوانتوم؛ پیش به سوی اثبات سیاه چاله ها
محمدرضا عیوضی-پایان هفته گذشته خبری فوری خبرگزاری‌های جهان به جای انفجار و حملات انتحاری داعش درباره کشف مهم امواج گرانشی بود. آلبرت اینشتین یک‌بار دیگر نشان داد که هنوز هم می‌تواند با ثابت شدن پیش‌بینی‌هایش دنیای علم را شگفت‌زده کند. اما این کشف به زبان ساده به چه معناست و چرا این قدر مهم است؟
نزدیک به ۱۰۰ سال پیش، آلبرت اینشتین تئوری وجود امواج گرانشی فضا-زمان را مطرح کرد، اما به دلیل نبود فن‌آوری لازم نتوانست آن را اثبات کند. حال دانشمندان موفق به اثبات این نظریه مهم شده‌اند.
دانشمندان آمریکایی موفق به رصد امواج گرانشی شده‌اند، کشفی که منجر به شناخت بهتر نظام هستی می‌شود. محققان رصدخانه موج گرانشی تداخل لیزری (لایگو) گفته‌اند که قادر به تشخیص چنین موجی پس از برخورد دو سیاه چاله عظیم در ۱٫۳ میلیارد سال پیش شده‌اند.
آلبرت اینشتین یک قرن پیش در سال‌های ۱۹۱۵ و ۱۹۱۶، در نظریه نسبیت عام خود وجود امواج گرانشی را که با سرعت نور در فضا-زمان حرکت می‌کنند پیش‌بینی کرده بود. در آن زمان فن‌آوری لازم برای تأیید این نظریه وجود نداشت اما حالا محققان MIT و Caltech، رصدخانه دوقلوی LIGO را برای رصد امواج گرانشی اداره می‌کنند. این رصدخانه قادر است ارتعاشات کوچکِ عبور امواج گرانشی را رصد کند.
لایگو در سپتامبر ۲۰۱۵ متوجه سیگنال انرژی شد که ۵۰ برابر بیش‌تر از انرژی کل ستارگان جهان بود! تیم لیگو به مدت ۵ ماه بر روی این سیگنال کار کرد و پس از تبدیل آن به فایل‌های صوتی، صدای برخورد دو سیاه‌چاله عظیم با یکدیگر را گوش داد.
رصدخانه لیگو برای کشف انحنای فضا – زمان از دو دستگاه غول‌پیکر استفاده می‌کند که یکی در لیوینگستون ایالت لوییزیانا و دیگری در هنفورد ایالت واشنگتن واقع شده است. این کاوشگر‌ها به شکل حرف L و کاملاً قرینه یکدیگر هستند. در هر کدام از دستگاه‌ها و در هر سیکل، یک پرتوی لیزر طول دستگاه را طی می‌کند و در محل خمیدگی به سمت دستگاه دیگر پرتاب می‌شود. وقتی دو دستگاه همزمان باهم این کار را انجام می‌دهند، می‌توانند با محاسبه دقیق فاصله با یکدیگر، تغییرات لحظه‌ای در فضا – زمان را ثبت کنند. اگر در زمانی که دو بخش تداخل‌سنج، پرتوهای لیزر را به سمت یکدیگر پرتاب می‌کنند، یک موج گرانشی از بین آنها عبور کند، موجب اختلاف در نتیجه محاسبه فاصله توسط هر کدام از دستگاه‌ها خواهد شد که این اختلاف حتی اگر بسیار ناچیز باشد، دلیلی برای اثبات وجود موج گرانشی است. بیش‌تر بخوانید…
اینشتین در اوایل قرن بیستم پس از مطرح کردن تئوری نسبیت عام، پیش‌بینی کرده بود که نیروی جاذبه نتیجه خمیدگی فضا-زمان است و نقاط فضا-زمان از هم نزدیک‌تر و دورتر می‌شوند.
دانشمندان می‌گویند این کشف عصر تازه‌ای را برای علم نجوم آغاز خواهد کرد.
امواج گرانشی اینشتین به زبان ساده
به صورت ساده در فیزیک مدرن بعد چهارم به صورت فضا-زمان تعریف شده است. براساس این تعریف جاذبه انحنایی از فضا- زمان به حساب می‌آید که جرم آن را ایجاد می‌کند. هر چقدر جرم جسمی بیش‌تر باشد این انحنا در فضا-زمان بزرگ‌تر است. این انحنا را موقعیت جسم ایجاد می‌کند و بر همین اساس اگر جسم حرکت کند انحنا هم همراه آن حرکت خواهد کرد.
برای درک این موضوع فضا-زمان را یک صفحه پلاستیکی نرم یا سطح آب یک دریاچه تصور کنید. روی این صفحه جسمی که جرم زیادی ندارد روی خط مستقیم حرکت می‌کند اما جسمی با جرم زیاد باعث فرورفتگی در صفحه می‌شود.
نیوتون گفته بود که همه اجسام تا زمانی که به آنها نیرویی وارد نشود، با سرعت ثابت در خط مستقیم به حرکت ادامه می‌دهند. اینشیتن اما با خودش فکر کرد وقتی که یک جسم به سمت زمین سقوط آزاد می‌کند، نیرویی از بالا به آن وارد نمی‌شود، ولی جسم به سمت زمین شتاب می‌گیرد. چرا این اتفاق می‌افتد؟
اینشتین برای توضیح این موضوع اعلام کرد که اجسام بزرگ همانند زمین، صفحه فضا-زمان را در نزدیکی خود خم می‌کنند. درست همانند زمانی که یک توپ سنگین روی همان صفحه پلاستیکی نرم که مثال زده شده قرار می‌گیرد. هر جسم دیگری را که روی این صفحه بگذارید پس از گذاشتن این توپ سنگین، به سمت مرکز سر می‌خورد.
اگر سطح آب را فضا-زمان در نظر بگیرید هر چقدر یک قایق سنگین‌تر باشد و سریع‌تر حرکت کند امواج قوی‌تری ایجاد می‌کند. برای این‌که کشفی که اعلام شده را متوجه شوید، فرض کنید که دو کشتی در سطح این آب با هم برخورد شدیدی کنند. این تصادف امواج شدید و سهمگینی ایجاد می‌کند. سیاره‌ها، کهکشان‌ها، سیاه‌چاله‌ها هم وضعیت همین کشتی‌‌ها را دارند. در فضا-زمان اما جای امواج آب را امواج گرانشی می‌گیرد. همین امواج گرانشی که با سرعت نور در فضا-زمان حرکت می‌کنند را اینشتین در سال ۱۹۱۶ براساس نظریه نسبیت عام خود پیش‌بینی کرده بود و حالا پس از گذشت صد سال به کمک تأسیسات لایگو به صورت تجربی مشاهده و رصد شده است.
این کشف چطور صورت گرفت ؟
امواج گرانشی بر اثر رویدادهای عظیم کیهانی، مثل ادغام سیاه‌چاله‌ها یا برخورد ستاره‌های نوترونی یا در لحظه ی بیگ‌بنگ ایجاد می‌شوند. در واقع امواج گرانشی زمانی ایجاد می‌شوند که دو سیاه چاله، دو ستاره نوترونی یا یک ستاره نوترونی و یک سیاه‌چاله، با یکدیگر برخورد کنند. این برخورد‌ها سبب خمیدگی یا همان انحنا در بعد فضا-زمان می‌شود و آن را به فضای پیرامون خود منتقل می‌کنند. به همین خاطر است که انسان‌ها در زمین هم تأثیر آن را حس خواهند کرد اما انسان‌ها تنها با ابزارهایی بسیار حساس می‌توانند آن را رصد کنند.
این امواج گرانشی در روی زمین به قدری ضعیف هستند که به سختی می‌توان آنها را آشکارسازی کرد و تأسیسات لایگو برای همین کار تأسیس شدند. دو رصدخانه لایگو به شکل L هستند که طول هر بازوی این L ،۴ کیلومتر است و در داخل آنها خلأ مطلق به حجم ۱۰ هزار متر مکعب است. در طول این بازو‌ها امواج نور با لیزر به سمت آینه‌ای که در انتهای هر بازو قرار گرفته‌اند تابانده و بازتاب می‌شوند که در شرایط عادی باید زمان و مسافت طی شده «کاملاً» یکسان باشد. این در حالی است که در صورت عبور امواج گرانشی از زمین و همچنین تأسیسات لایگو مدت زمان مسیر طی شده به اندازه یک بر ده‌هزارم قطر پروتون تغییر می‌کند! این همان کلید رصد امواج گرانشی بود!
پژوهشگران در رصدخانه تداخل‌سنج لیزری موج گرانشی مشهور به لایگو موفق به مشاهده مستقیم امواج گرانشی برای اولین بار در تاریخ شدند. در اینجا جای کشتی‌های روی مثال سطح آب را دو سیاه‌چاله با جرم‌های تقریبی ۳۶ و ۲۹ برابر جرم خورشید در فاصله ۱٫۳ میلیارد سال نوری از زمین گرفتند که ترکیب آنها موجی گرانشی ایجاد کرد. آن‌چه در تأسیسات لایگو رصد و ثبت شد موج گرانشی ناشی از تبدیل جرمی معادل با ۳ برابر جرم خورشید به انرژی در هنگام ترکیب دو سیاه‌چاله با یکدیگر بود که در نوع خود مشاهده و رصد آن بی‌نظیر به حساب می‌آید.
چرا این کشف مهم است ؟
ردیابی امواج گرانشی در واقع دو نظریه مهم فیزیک و کیهان‌شناسی را ثابت کرده است: فرضیه نسبیت عام اینشتین که حدود ۱۰۰ سال پیش (۱۹۱۶) ارایه و نظریه دیگری به نام نظریه تورم کیهانی که در دهه هشتاد میلادی مطرح شد.
این کشف عصر تازه‌ای را برای علم نجوم آغاز خواهد کرد. تأیید امواج گرانشی یعنی تأییدی نظریه متداول کیهان‌شناسی یا نظریه استاندارد کیهان‌شناسی؛ این نظریه که تورم نامیده می‌شود می‌گوید که طی لحظات اولیه جهان، دوره سریعی از تورم (انبساط) سپری شده است.
در طول تورم، دمای جهان و بنابراین انرژی که ذرات کسب کردند، میلیارد‌ها برابر بیش‌تر از انرژی است که می‌توان در آزمایشگاه‌های زمینی (حتی LHC) تولید کرد.
تورم یک پدیده کوانتومی است اما امواج گرانشی در محدوده فیزیک کلاسیک هستند، بنابراین امواج گرانشی پلی میان فیزیک کلاسیک و کوانتوم هستند و به همین خاطر می‌توانند گواهی باشند که گرانش درست مانند دیگر نیروهای طبیعت سرشتی کوانتومی دارد.
اثبات وجود امواج گرانشی مانند فعال شدن حسی جدید برای انسان است. از این پس دانشمندان می‌توانند با این قدرت و حس جدید، علاوه بر دیدن جهان، به آن گوش دهند. زمانی که به جهان گوش می‌کنیم، به رازهایی درباره زندگی سیاه‌چاله‌ها، تولد و مرگشان، پیوندشان و منبع تغذیه‌شان پی خواهیم برد. زمانی که یک سیاه‌چاله یک ستاره نوترونی را می‌بلعد، ما آن را می‌توانیم رصد کنیم. سیاه‌چاله‌ها برای بشر تاکنون یک فرض بوده‌اند اما حالا به لطف امواج گرانشی دانشمندان می‌توانند برای اثبات وجود آنها تلاش کنند. ۱۰۰ سال قبل آلبرت اینشتین، وجود امواج گرانشی را به صورت تئوری مطرح کرد و یک قرن طول کشید تا دانشمندان بتوانند آن را به صورت تجربی ثابت کنند. اینشتین یک بار دیگر توانست جهان را شگفت زده کند و بسیاری با خبر اثبات امواج گرانشی بار دیگر گفتند: ممنون آقای اینشتین!
منابع: Khabaronline.Zoomit.DigitalTrends
این مطلب بدون برچسب می باشد.
دیدگاه بسته شده است.