Több mint egy milliárd évvel ezelőtt egy távoli, távoli galaxisban két fekete lyuk hajtotta végre az utolsó lépéseket egy gyors lábú pas de deux-ban, azzal a következménnyel, hogy egy olyan erőszakos utolsó öleléssel több energiát bocsátott ki, mint a csillagok összesített kimenete. a galaxisok a megfigyelhető univerzumban. A csillagfénytől eltérően azonban az energia sötét volt, a láthatatlan gravitációs erő hordozta. 2015. szeptember 14-én, 5: 51-kor, a keleti nappali időben, az energia egy része „gravitációs hullám” formájában elérte a Földet, amelyet az űrben és az időben végbemenő hatalmas tranzitja csökkentette mennydörgésének egyszerű suttogására. kezdet.
Kapcsolódó olvasmányok
Az elegáns univerzum
megveszTudomásunk szerint a Földet már ilyen típusú gravitációs zavarokban fürdötték. Gyakran. A különbség ezúttal az, hogy két félelmetesen pontos detektor - az egyik Livingstonban (Louisiana), a másik a Hanfordban (Washington) álltak készen. Amikor a gravitációs hullám elindult, megdörzsölte az érzékelőket, és félreérthetetlen módon jelezte, hogy az univerzum másik oldalán ütköznek a fekete lyukak, és jelzi az új fejezet kezdetét az emberiség kozmosz felfedezésében.
Amikor januárban kezdték körözni a felfedezésről szóló pletykák, felvettem a szemét, ami egyértelműen hamis riasztás vagy nyugtalanság volt, hogy egy kis zümmögést keltsen. Az ötödik évtizedre kiterjedő kutatási programként a gravitációs hullámok vadászása már régen a legfontosabb felfedezés lett, amely mindig a láthatáron volt. A fizikusok lemondtak a gravitációs Godot várakozásáról.
De az emberi leleményesség és kitartás diadalmaskodott. Ez egyike azoknak a győzelmeknek, amelyek még azoknak is örülnek, akik a gerinc-bizsergő borzongások oldalán éljenzik.
Dióhéjban itt van a történet.
November elején a világ ünnepelte Einstein legnagyobb felfedezésének, az általános relativitáselméletnek a századik évfordulóját, amely új paradigmát tárt fel a gravitáció megértése érdekében. Isaac Newton megközelítése helyesen megjósolja a két objektum közötti gravitációs vonzást, de nem ad betekintést arról, hogy valami itt hogyan érheti el az üres teret és hogyan húzhat oda valamit . Einstein egy évtizeden keresztül próbálta meghatározni, hogy a gravitáció hogyan kommunikálódik, és végül arra a következtetésre jutott, hogy a tér és az idő képezi a láthatatlan kéznek, amely a gravitáció ajánlatát teszi.
Feliratkozás a Smithsonian magazinra mindössze 12 dollárért
Ez a történet a Smithsonian magazin áprilisi számának válogatása
megveszA választott metafora, túlzottan felhasználva, de idéző jelleggel, a térről mint trambulinról kell gondolni. Helyezzen egy bowling-gömböt a trambulin közepére, hogy az görbüljön, és egy márvány meghajol, hogy egy íves pályán haladjon. Hasonlóképpen, Einstein kijelentette, hogy egy olyan csillagászati test közelében, mint a Nap, az űrtartalmi környezet görbül, ami megmagyarázza, hogy a Föld, hasonlóan a márványhoz, miért követi egy ívelt pályát. 1919-ig a csillagászati megfigyelések megerősítették ezt a figyelemre méltó látomást, és Einsteinből Einsteint készítették.
Einstein tovább tolta figyelemreméltó felfedezését. Addig a statikus helyzetekre összpontosított: meghatározta a téridő egy adott területének rögzített alakját, amely egy adott anyagmennyiségből származik. De Einstein ezután dinamikus helyzetekhez fordult: Mi történne az űrtartalmú anyaggal, ha az anyag mozog és remeg? Rájött, hogy ugyanúgy, ahogy a trambulinon ugró gyerekek a felszínen hullámokat generálnak, az anyag, amely így mozog, és olyan hullámokat generál az űrtartalom szövetében, amelyek a kifelé is hullanak. És mivel az általános relativitáselmélet szerint az íves téridő gravitáció, a görbe téridő hulláma a gravitáció hulláma.
A gravitációs hullámok az általános relativitáselmélet legjelentősebb eltérését mutatják a newtoni gravitációtól. A rugalmas űrtartalom természetesen a gravitáció mély átdolgozása, ugyanakkor olyan ismert kontextusban, mint a Nap vagy a Föld gravitációs vonzása, Einstein előrejelzései alig különböznek Newtonétól. Mivel azonban a newtoni gravitáció nem hallja a gravitáció továbbadását, az utazó gravitációs zavarok fogalmának nincs helye Newton elméletében.
Maga Einstein kétségbe vonta a gravitációs hullámok előrejelzését. Amikor először találkozunk az általános relativitáselmélet finom egyenleteivel, kihívást jelent az elvont matematika elválasztása a mérhető fizikától. Einstein volt az első, aki részt vett ebben a mozdulatban, és voltak olyan vonások, melyeket még a relativitásviszony cynosureja sem tudott teljesen megérteni. Az 1960-as évekre azonban a finomabb matematikai módszereket alkalmazó tudósok minden kétséget kizáróan megállapították, hogy a gravitációs hullámok az általános relativitáselmélet megkülönböztető eleme.
Gravitációs hullámok illusztrációja (John Hersey) Akkor hogyan lehet tesztelni ezt az ikonikus jóslatot? 1974-ben Joseph Taylor és Russell Hulse az Arecibo rádióteleszkóp segítségével egy bináris pulzort fedeztek fel: két keringő neutroncsillagot, amelyek keringési periódusát nagy pontossággal lehetett nyomon követni. Az általános relativitáselmélet szerint a keringő csillagok folyamatosan mozgatják a gravitációs hullámokat, amelyek energiát engednek el, és a csillagok közelebb esnek egymáshoz, és gyorsabban keringnek. A megfigyelések megerősítették ezt az előrejelzést egy T-re, bizonyítékot szolgáltatva, bár közvetett módon, hogy a gravitációs hullámok valósiak. Hulse és Taylor megkapta az 1993. évi Nobel-díjat.
Ez az eredmény csak vonzóvá tette a gravitációs hullámok közvetlen észlelését. De a feladat ijesztő volt. A számítások azt mutatják, hogy amikor a gravitációs hullám hullámzik az űrben, az útjában lévő bármit alternatívaként meg lehet nyújtani és meg lehet szorítani a hullám mozgásirányára merőleges tengelyek mentén. Az egyenesen az Egyesült Államok felé vezető gravitációs hullám felváltva nyújtana és megszorítja a teret New York és Kalifornia, valamint Texas és Észak-Dakota között. Az ilyen távolságok pontos megfigyelésével képesek leszünk pontosítani a hullám áthaladását.
A kihívás az, hogy ha a tó hullámzása eloszlik, és szétszóródik, a gravitációs hullám hígul, amikor elindul a forrásától. Mivel a nagy kozmikus ütközések általában nagyon távol állnak tőlünk (szerencsére), mire a gravitációs hullámok eljutnak a Földre, az általuk okozott nyújtás és szorítás nagysága kicsi - kevesebb, mint egy atomi átmérő. Az ilyen változások észlelése megegyezik azzal, hogy a Földtől a legközelebbi csillagig a távolságot megmérjük a Naprendszeren túl, a papírlap vastagságánál jobb pontossággal.
Az első kísérlet, amelyet a Marylandi Egyetem Joseph Weber vezet az 1960-as években, több tonnás szilárd alumínium hengereket használt, abban a reményben, hogy óvatosan hangolódnak, mint egy óriási hangolóvilla, mint egy áthaladó gravitációs hullám. Az 1970-es évek elejére Weber nagy sikert aratott a sikerről. Azt jelentette, hogy a gravitációs hullámok szinte napi csengés kísérték detektorát. Ez a figyelemreméltó eredmény másokat is arra ösztönözött, hogy megerősítsék Weber állításait, ám évek óta tartó próbálkozások után senki sem tudta elkapni egyetlen hullámot sem.
Weber kitartó hite az eredményeiben, jóval azután, hogy a felhalmozott bizonyítékok másként sugallták, hozzájárult egy olyan perspektívához, amely évtizedek óta színesíti a mezőt. Az évek során sok tudós, úgy mint Einstein, úgy vélte, hogy még ha a gravitációs hullámok is valók is, egyszerűen túl gyengék, hogy valaha észlelhetők legyenek. Azok, akik el akarják találni őket, bolond megbízás alatt álltak, és azokat, akik úgy vélték, hogy a felderítés állításokat becsapják.
Az 1970-es évekre azok a kevesek, akiknek még mindig volt a gravitációs hullámhiba, egy ígéretesebb detektálási sémához fordultak, amelyben a lézerek segítségével összehasonlíthatják két hosszú azonos alagút hosszait, amelyek egymástól 90 fokosak. Egy áthaladó gravitációs hullám kinyújtaná az egyik alagutat, miközben megnyomná a másikot, kissé megváltoztatva az egymás mentén lőtt lézersugarak által megtett távolságot. Amikor a két lézernyalábot később rekombinálják, a fény által képződött mintázat érzékeny az egyes sugarak megtett távolságának percbeli különbségeire. Ha egy gravitációs hullám gördül, akkor még az általa létrehozott apró zavar miatt módosított lézermintázat is marad a nyomában.
Ez egy gyönyörű ötlet. De a közeli jackhammers, morgó teherautók, szélszél vagy eső fák zavarhatnák egy ilyen kísérletet. Ha a hosszúságkülönbségeket kevesebb, mint egy milliárd méter milliárd méterre mutatják, akkor alapvető fontosságúvá válik a készülék megóvása a minden lehetséges környezeti zavarástól, bármennyire is csekély. Ezzel a látszólag legyőzhetetlen követelménnyel a népművészeknek még több lőszert kaptak. A gravitációs hullám elkapása Horton hallását olyanvá teszi, aki még a New York-i metró üvöltõje fölött is puszta gyermekkori játék lesz.
Ennek ellenére Kip Thorne és Rainer Weiss amerikai fizikusok, később a skót fizikus, Ronald Drever csatlakoztak, egy lézer alapú gravitációs hullámdetektor építéséről álmodtak, és mozgásba helyezték a kerekeket, hogy ez az álom valósággá váljon.
2002-ben, néhány évtizedes kutatás és fejlesztés, valamint a Nemzeti Tudományos Alapítvány több mint 250 millió dolláros beruházása után két tudományos és technológiai csodát, amelyek a LIGO-t alkották (lézerinterferométer gravitációs hullám-megfigyelőközpont), Louisiana városában Livingstonba telepítették, és Hanford, Washington. Négy kilométer hosszú, óriási „L” betű alakú evakuált alagutakban 50 000-szer nagyobb lézernyaláb szerepel, mint egy normál lézermutatóval. A lézerfény oda-vissza ugrálhat a világ legszorosabb tükrök között, mindkét kar másik végére helyezve, és apró eltérést keresve az út befejezéséhez szükséges időben.
A kutatók vártak. És várt. De nyolc év után semmi. Bizonyára csalódás, de amint a kutatócsoportok állították, nem meglepő. A számítások azt mutatták, hogy a LIGO alig volt az érzékenységi küszöbön, amely szükséges a gravitációs hullámok kimutatásához. Tehát 2010-ben a LIGO-t különféle frissítésekre állították le, több mint 200 millió dollár értékre, és 2015 őszén bekapcsoltak egy sokszor érzékenyebb LIGO-t. Megdöbbentő módon, kevesebb mint két nappal később, egy hirtelen remegés rázta fel a detektorot Louisiana-ban, és hét milliszekundummal később a washingtoni detektor szinte pontosan ugyanúgy megrándult. A finom rezgések mintája megegyezett azzal, amit a számítógépes szimulációk előre jelezték a gravitációs hullámokra, amelyeket az összeütköző fekete lyukak keringő végső csapásai hoznának létre.
Egy belső barátom, aki titoktartásra esküdött, de hajlandó nem túl finom utalást adni, azt mondta nekem: „Képzelje csak el, hogy a legvadabb álmunk valóra vált.” De ez volt a gravitációs hullám-jackpot ütése. ez adta a kutatóknak szünetet. Szinte túl tökéletes volt.
A LIGO készülék a pontosan megtervezett és tökéletesen tiszta tükröktől függ. (Matt Heintze / Caltech / MIT / LIGO Lab) Néhány hónapos intenzív és szorgalmas erőfeszítéssel, hogy alaposan megvizsgáljuk az összes többi magyarázatot, bár valószínűtlen is, csak egy következtetés maradt állva. A jel valódi volt. Egy évszázaddal azután, hogy Einstein előre jelezte létezését, a gravitációs hullámok első közvetlen észlelését a LIGO kísérletén dolgozó több mint 1000 tudós ünnepelte. A gravitációs szökőár pillanatnyi morgását elkapta több mint egy milliárd évvel ezelőtt, egy sötét fúzió nyomán valahol a mély déli égbolton.
A hivatalos sajtóközlemény február 11-én, Washington DC-ben villamos volt. Saját intézményemben, a Columbia Egyetemen az eljárások élő közvetítését a campus egyik legnagyobb helyszínére kellett vinni, és hasonló történeteket játszottak az egyetemek világszerte. A gravitációs hullámok egy pillanatra elcsúsztak az elnök előrejelzésében.
Az izgalom indokolt volt. A történelem visszatekint a felfedezésre, mint azon kevés inflexiós pont egyikére, amely megváltoztatja a tudomány menetét. Az első ember ég felé néző óta a világegyetemet fényhullámok segítségével fedeztük fel. A távcső jelentősen javította ezt a képességet, és vele együtt új kozmikus tájak pompájában találkoztunk. A 20. század folyamán kibővítettük az érzékelt fényjelek típusát - infravörös, rádió, ultraibolya, gamma és röntgen - a fény minden formáját, de a hullámhosszon kívül eső szemmel láthatjuk. És ezekkel az új szondákkal a kozmikus táj még gazdagabbá vált.
A gravitációs hullámok teljesen másfajta kozmikus szondák, amelyek még drámaibb következményekkel járhatnak. A fény blokkolható. Az átlátszatlan anyag, például egy ablakárnyék, blokkolja a látható fényt. Egy fém ketrec blokkolja a rádióhullámokat. Ezzel szemben a gravitáció mindent átjut, gyakorlatilag változatlanul.
Így gravitációs hullámokkal, mint szondainkkal képesek leszünk megvizsgálni azokat a birodalmakat, amelyek a fény határain kívül vannak, mint például a kaotikus űrtartás, amikor két fekete lyuk összeütközik, vagy esetleg maga a nagy robbantás vaddombolása, 13, 8 milliárd évvel ezelőtt. A megfigyelés már megerősítette azt az elképzelést, hogy a fekete lyukak bináris párokat képezhetnek. Még mindig bosszantónak találhat egy sötét tájat, amelyet olyan dolgok laknak, amelyeket még el sem tudunk képzelni.
Mint detektorok hálózata az egész világon - Olaszországban, Németországban, hamarosan Japánban és valószínűleg Indiában - összevonja adatait, remélhetőleg a jövőben csatlakozhat egy hatalmas, az űrben működő detektorhoz, a kozmosz próba képességünk újabb óriási ugrást fog bevinni. előre. Ami teljesen izgalmas. Nincs semmi inspirálóbb, mint az a képességünk, amellyel állandóan jelen lévő földi küzdelmeink közepette felnézünk, csodálkozhatunk, és találékonyságunk és lelkesedésünk van, hogy kissé távolabb láthassuk.
**********
