Космология Как Изследваме

Откриването на гравитационни вълни беше научен пробив, но какво следва? | Наука

Преди повече от милиард години в далечна, далечна галактика две черни дупки изпълниха последните стъпки в бързо крак па дьо дьо, завършвайки с окончателно прегръдка, толкова силна, че отделяше повече енергия от комбинирания изход на всяка звезда в всяка галактика във видимата вселена. И все пак, за разлика от звездната светлина, енергията беше тъмна, носена от невидимата сила на гравитацията. На 14 септември 2015 г., в 5:51 ч. Източно лятно време, фрагмент от тази енергия, под формата на гравитационна вълна, достигна Земята, намалена от огромния си транзит през пространството и времето до само шепот на гръмотевичното й начало.

Свързани четения

Визуализация на миниатюра за видео

Елегантната Вселена

Купува

Доколкото ни е известно, Земята е била къпана в този тип гравитационни смущения и преди. Често. Разликата този път е, че два невероятно прецизни детектора, единият в Ливингстън, Луизиана, а другият в Ханфорд, Вашингтон, стояха в готовност. Когато гравитационната вълна се изтъркаля, тя погъделичка детекторите, осигурявайки недвусмисления подпис на сблъскващи се черни дупки от другата страна на Вселената и бележи началото на нова глава в изследването на космоса на човечеството.





Когато слуховете за откритието започнаха да циркулират през януари, аз завъртях очи пред очевидно фалшива тревога или трик, за да разбуня малко жужене. Като изследователска програма през петото десетилетие ловът за гравитационни вълни отдавна се е превърнал в голямото откритие, което винаги е витало на хоризонта. Физиците се бяха примирили да чакат своя гравитационен Годо.

Но човешката изобретателност и постоянство триумфираха. Това е една от онези победи, които дори тези от нас развеселяват отстрани, изтръпват гръбнака.



Ето историята накратко.

През изминалия ноември светът отбеляза стогодишнината от най-голямото откритие на Айнщайн, общата теория на относителността, която разкри нова парадигма за разбиране на гравитацията. Подходът на Исак Нютон правилно предсказва гравитационното привличане между всеки два обекта, но не дава представа за това как нещо тук може да протегне ръка през празното пространство и да дръпне нещо там. Айнщайн прекара десетилетие, опитвайки се да определи как се съобщава гравитацията, и накрая стигна до заключението, че пространството и времето образуват невидимата ръка, която изпълнява гравитационните поръчки.

Визуализация на миниатюра за видео

Абонирайте се за списание Smithsonian сега само за $ 12

Тази история е селекция от априлския брой на списание Smithsonian



Купува

Метафората на избора, прекалено използвана, но напомняща, е да мислим за пространството като за батут. Поставете топка за боулинг в средата на батута, което я кара да се извива, и мрамор ще бъде побутен, за да пътува по извита траектория. По подобен начин Айнщайн изповядва, че близо до астрономическо тяло като Слънцето, пространствено-времевата среда се извива, което обяснява защо Земята, подобно на мрамора, следва извита траектория. До 1919 г. астрономическите наблюдения потвърждават тази забележителна визия и правят Айнщайн Айнщайн.

Айнщайн тласна важното си откритие още повече. До този момент той се беше съсредоточил върху статични ситуации: определяне на фиксираната форма на област от пространство-времето, произтичаща от дадено количество материя. Но Айнщайн се обърна към динамичните ситуации: Какво би се случило с пространствено-времевата тъкан, ако материята се движи и разклаща? Той осъзна, че както децата, скачащи на батут, генерират вълни на повърхността, които се вълнуват навън, материя, която се движи по този начин и която ще генерира вълни в тъканта на космическото време, които също се вълнуват навън. И тъй като според общата теория на относителността извитото пространство-време е гравитация, вълната на извитото пространство-време е вълна на гравитацията.

Гравитационните вълни представляват най-значимото отклонение на общата теория на относителността от нютоновата гравитация. Гъвкавото пространство-време със сигурност е дълбоко преработване на гравитацията, но в познати контексти като гравитационното привличане на Слънцето или Земята, прогнозите на Айнщайн едва се различават от тези на Нютон. Тъй като обаче Нютоновата гравитация мълчи относно начина на предаване на гравитацията, понятието за пътуващи гравитационни смущения няма място в теорията на Нютон.

Самият Айнщайн имаше опасения относно своето предсказване на гравитационни вълни. Когато се сблъскате за първи път с фините уравнения на общата теория на относителността, е предизвикателство да разплетете абстрактната математика от измеримата физика. Айнщайн беше първият, който се включи в тази кавга и имаше черти, които дори той, цинозурата на относителността, не успя да разбере напълно. Но до 60-те години на миналия век учените, използващи по-усъвършенствани математически методи, несъмнено установяват, че гравитационните вълни са отличителна черта на общата теория на относителността.

Гравитационни вълни Илюстрация

Илюстрация на гравитационните вълни(Джон Хърси)

Как тогава би могло да бъде тествано това емблематично предсказание? През 1974 г., използвайки радиотелескопа Arecibo, Джоузеф Тейлър и Ръсел Хълс откриват двоичен пулсар: две орбитални неутронни звезди, чийто орбитален период може да бъде проследен с голяма точност. Според общата теория на относителността орбиталните звезди генерират стабилен поход от гравитационни вълни, които източват енергия, което кара звездите да падат по-близо една до друга и да се въртят по-бързо. Наблюденията потвърдиха това предсказание на Т, като предоставиха доказателства, макар и косвени, че гравитационните вълни са реални. Хълс и Тейлър получиха Нобелова награда за 1993 г.

Постижението само направи прякото откриване на гравитационните вълни още по-привлекателно. Но задачата беше плашеща. Изчисленията показват, че докато гравитационната вълна се вълнува през пространството, всичко по нейния път ще бъде алтернативно опънато и притиснато по осите, перпендикулярни на посоката на движение на вълната. Гравитационна вълна, насочена право към Съединените щати, последователно ще се разтяга и изстисква пространството между Ню Йорк и Калифорния и това между Тексас и Северна Дакота. Чрез прецизно наблюдение на такива разстояния, ние трябва да можем да определим точно преминаването на вълната.

Предизвикателството е, че колкото една вълна в езерото утихва, докато се разпространява, гравитационната пулсация се разрежда, докато пътува от източника си. Тъй като големите космически сблъсъци обикновено се случват много далеч от нас (за щастие), докато гравитационните вълни, породени от Земята, достигнат Земята, количеството на разтягане и притискане, което причиняват, е малко - по-малко от атомен диаметър. Откриването на такива промени е наравно с измерването на разстоянието от Земята до най-близката звезда отвъд Слънчевата система с точност, по-добра от дебелината на лист хартия.

коя година се проведоха съдебните процеси срещу вещиците

Първият опит, пионер от университета на Мериленд Джоузеф Вебер през 60-те години, използва многотонни алуминиеви цилиндри, с надеждата, че те нежно ще резонират като гигантски камертони в отговор на преминаваща гравитационна вълна. До началото на 70-те години Вебер претендира за успех, много време. Той съобщи, че гравитационните вълни звънят в неговия детектор почти ежедневно. Това важно постижение вдъхнови другите да потвърдят твърденията на Вебер, но след години опити никой не можа да хване дори една вълна.

Устойчивата вяра на Вебер в резултатите му, дълго след като събраните доказателства предполагат друго, допринесе за перспектива, която оцветява полето от десетилетия. През годините много учени вярваха, както и Айнщайн, че дори гравитационните вълни да са реални, те просто ще бъдат твърде слаби, за да бъдат открити. Онези, които са се заели да ги намерят, са се заблудили, а онези, които вярват, че твърденията за разкриване са заблудени.

Към 70-те години малцината, които все още са имали гравитационната вълна, са се насочили към по-обещаваща схема за откриване, при която лазерите ще бъдат използвани за сравняване на дължините на два дълги еднакви тунела, ориентирани на 90 градуса един към друг. Минаваща гравитационна вълна би разтегнала единия тунел, докато притискаше другия, леко променяйки разстоянията, изминати от лазерни лъчи, изстреляни по всеки от тях. Когато двата лазерни лъча впоследствие се комбинират, полученият модел, който образува светлината, е чувствителен към малките разлики в това колко далеч е изминал всеки лъч. Ако една гравитационна вълна се изтъркали, дори и минималното смущение, което създава, ще остави модифициран лазерен модел след себе си.

Това е красива идея. Но намиращите се наблизо чукове, бучещи камиони, пориви на вятъра или падащи дървета могат да нарушат подобен експеримент. Когато се търсят разлики в дължината, по-малки от милиардна част от милиардна част от метър, възможността да се предпази апаратът от всякакви възможни въздействия на околната среда, колкото и леки да са, става първостепенна. С това на пръв поглед непреодолимо изискване на недоволните бяха предоставени още повече боеприпаси. Улавянето на гравитационна вълна би направило изслушването на Хортън Кой, дори и над шумния шум на метрото в Ню Йорк, просто детска игра.

Независимо от това американските физици Кип Торн и Райнер Вайс, които по-късно се присъединиха от шотландския физик Роналд Древър, мечтаеха да изградят базиран на лазер гравитационен вълнов детектор и те задействаха колелата, за да превърнат тази мечта в реалност.

През 2002 г., след няколко десетилетия изследвания и разработки и повече от 250 милиона долара инвестиция от Националната научна фондация, две научни и технологични чудеса, съставляващи LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), бяха разположени в Ливингстън, Луизиана и Ханфорд, Вашингтон. В евакуирани тунели с дължина четири километра във формата на гигантска буква L ще се помещава лазерен лъч, около 50 000 пъти по-мощен от стандартния лазерен показалец. Лазерната светлина ще отскача напред-назад между най-гладките огледала в света, поставени в противоположните краища на всяка ръка, търсейки малко несъответствие във времето, необходимо на всяко, за да завърши пътуването.

Изследователите изчакаха. И чакаше. Но след осем години нищо. Разочароващо, със сигурност, но както твърдят изследователските екипи, не е изненадващо. Изчисленията показват, че LIGO едва е на прага на чувствителност, необходим за откриване на гравитационни вълни. Така през 2010 г. LIGO беше спрян за различни ъпгрейди на стойност над 200 милиона долара, а през есента на 2015 г. беше включен подобрен LIGO, многократно по-чувствителен. Шокиращо, по-малко от два дни по-късно внезапна тръпка изтръпна детектора в Луизиана и седем милисекунди по-късно детекторът във Вашингтон потрепна почти по същия начин. Моделът на деликатните вибрации съвпадаше с това, което компютърните симулации прогнозираха за гравитационните вълни, които ще бъдат произведени от последната тълпа от орбитални черни дупки, които се сриват заедно.

Един мой приятел отвътре, заклел се в тайна, но с желание да даде не толкова фин намек, ми каза: Само си представете, че най-смелата ни мечта се е сбъднала. Но именно това удряне на джакпота с гравитационна вълна даде на изследователите пауза. Беше почти прекалено перфектно.

Апарат LIGO

Уредът LIGO зависи от прецизно проектираните и идеално чисти огледала.(Matt Heintze / Caltech / MIT / LIGO Lab)

кои сайтове за запознанства са напълно безплатни

С няколко месеца интензивни, усърдни усилия за внимателно разследване на всички други обяснения, колкото и невероятни, остана само един извод. Сигналът беше реален. Век след като Айнщайн е предсказал съществуването им, първото директно откриване на гравитационни вълни е отпразнувано от повече от 1000 учени, работещи върху експеримента LIGO. Те бяха хванали моментния ропот на гравитационното цунами, разгърнато преди повече от милиард години, остатъка от тъмно сливане някъде в дълбокото южно небе.

Официалното съобщение в пресата от 11 февруари във Вашингтон, САЩ, беше електрическо. В моята собствена институция, Колумбийският университет, трябваше да преместим потока на живо на едно от най-големите места в кампуса и подобни истории се разиграха в университетите по целия свят. За кратък миг гравитационните вълни изтласкаха президентските прогнози.

Вълнението беше оправдано. Историята ще погледне назад към откритието като една от онези няколко точки на прегъване, които променят хода на науката. Откакто първият човек погледна към небето, ние изследвахме Вселената, използвайки светлинни вълни. Телескопът значително подобри тази способност и с нея се натъкнахме на великолепието на нови космически пейзажи. През 20 век разширихме видовете светлинни сигнали, които откриваме - инфрачервени, радио, ултравиолетови, гама и рентгенови лъчи - всички форми на светлина, но с дължини на вълните извън обхвата, които можем да видим с невъоръжено око. И с тези нови сонди космическият пейзаж още по-богат.

Гравитационните вълни са съвсем различен вид космическа сонда, която може да доведе до още по-драматични последици. Светлината може да бъде блокирана. Непрозрачен материал, като сянка на прозореца, може да блокира видимата светлина. Метална клетка може да блокира радиовълните. За разлика от това, гравитацията преминава през всичко, практически непроменена.

И така, с гравитационните вълни като нашата сонда ще можем да изследваме царства, които са извън границите на светлината, като хаотичната каскада в пространството-времето при сблъсъка на две черни дупки или може би дивия тътен на самия голям взрив преди 13,8 милиарда години. Вече наблюдението потвърди идеята, че черните дупки могат да образуват двоични двойки. Още по-вълнуващо, може да открием тъмен пейзаж, населен с неща, които тепърва ще си представяме.

Тъй като мрежа от детектори по целия свят - в Италия, Германия, скоро Япония и вероятно Индия - обединява техните данни, надявайки се да се присъедини в бъдеще от огромен детектор, работещ в космоса, способността ни да изследваме космоса ще направи нов гигантски скок напред. Което е изключително вълнуващо. Няма нищо по-вдъхновяващо от нашата способност, в средата на нашите постоянно присъстващи земни борби, да погледнем нагоре, да се чудим и да имаме изобретателността и отдадеността да видим малко по-далеч.

**********

Гледайте как авторът Брайън Грийн обяснява гравитационните вълни :





^