021-22889554
021-26703715
مشاوره آموزشی رایگان

021-22889554  |  021-26703715 مشاوره آموزشی رایگان

چطور LIGO امواج گرانشی را کشف کرد -- و بعد از آن چه خواهد بود

Gabriela González

How LIGO discovered gravitational waves — and what might be next

More than 100 years after Albert Einstein predicted gravitational waves -- ripples in space-time caused by violent cosmic collisions -- LIGO scientists confirmed their existence using large, extremely precise detectors in Louisiana and Washington. Astrophysicist Gabriela González of the LIGO Scientific Collaboration tells us how this incredible, Nobel-winning discovery happened -- and what it might mean for our understanding of the universe. (In Spanish with English subtitles)


تگ های مرتبط :

Collaboration, Innovation, Physics
کمی بیش از ۱۰۰ سال پیش، در سال ۱۹۱۵، انیشتین نظریه نسبیت عام خود را منتشر کرد، که نامی غریب است، اما نظریه‌ای است که گرانش را توضیح می‌دهد. مطرح می‌کند که جرم -- همه اجرام، سیاره‌ها -- جرم را جذب می‌کند، نه به خاطر نیرویی آنی، آن طور که نیوتن ادعا کرد، بلکه به خاطر اینکه ماده -- همه ما، همه سیاره‌ها -- در تار و پود انعطاف‌پذیر فضا-زمان چروک می‌اندازند. فضا-زمان چیزی است که در آن زندگی می‌کنیم و همه ما را به هم وصل می‌کند. مثل وقتی که روی تشک دراز می‌کشیم و یکنواختی آن را به هم می‌زنیم. اجسام حرکت می‌کنند -- بار دیگر نه به خاطر قانون نیوتن، بلکه چون این انحنای فضا-زمان را می‌بینند
و منحنی‌های کوچک را دنبال می‌کنند، درست مثل وقتی که هم‌بستر شما به خاطر انحنای تشک در آغوش‌تان به خواب می‌رود. (خنده) یک سال بعد، در سال ۱۹۱۶، انیشتین از نظریه خودش نتیجه گرفت که امواج گرانشی وجود دارند، و وقتی اجرام جابجا می‌شوند این امواج به وجود می‌آیند، مثل وقتی که دو ستاره دور هم می‌چرخند و در فضا-زمان چروکی می‌اندازند که انرژی را از سیستم بیرون می‌برد، و ستاره‌ها به سمت هم حرکت می‌کنند. با این وجود، او همچنین تخمین زد که این اثرات آن قدر کوچک هستند، که شاید هیچ وقت اندازه‌گیری آنها ممکن نباشد.
می‌خواهم داستان آن را برایتان بگویم که چطور با کار صدها دانشمند در چندین کشور در بازه زمانی چندین دهه، همین اخیراً، در سال ۲۰۱۵، برای اولین بار آن امواج گرانشی را کشف کردیم. داستانش طولانی است. از ۱٫۳ میلیارد سال پیش شروع می‌شود. سال‌ها پیش، در کهکشانی خیلی، خیلی دور -- (خنده) دو سیاه‌چاله دور هم می‌گشتند -- دوست دارم بگویم، "تانگو می‌رقصیدند." آهسته شروع شد، اما همین‌طور که امواج گرانشی منتشر می‌کردند،
به هم نزدیک‌تر شدند، و سرعت‌شان شتاب پیدا کرد، تا آنکه وقتی داشتند تقریباً با سرعت نور می‌چرخیدند، در یک سیاه‌چاله واحد ذوب شدند که جرم آن ۶۰ برابر خورشید بود، اما در فضایی ۳۶۰ کیلومتری فشرده شده بود. این اندازه ایالت لویزیانا است، جایی که من زندگی می‌کنم. این اثر باورنکردنی امواج گرانشی تولید کرد که خبر این هم‌آغوشی کیهانی را در سراسر کائنات پخش کرد. مدت زیادی طول کشید تا اثر این امواج گرانشی را بفهمیم، چون ما با جستجوی اثرات آنها بر فاصله‌ها آنها را اندازه می‌گیریم. می‌خواهیم طول فواصل را اندازه بگیریم. وقتی که این امواج گرانشی از زمین عبور می‌کنند،
که سال ۲۰۱۵ اتفاق افتاد، در تمام فواصل تغییر ایجاد می‌کنند -- فاصله بین همه شما، فاصله بین من و شما، بلندی‌مان -- همه ما کمی منبسط و منقبض می‌شویم. پیش‌بینی این است که اثر با فاصله تناسب دارد. اما خیلی کوچک است: حتی برای فاصله‌های بسیار بزرگ‌تر از قد کوتاه من هم اثر بی‌نهایت اندک است. برای مثال، فاصله بین زمین و خورشید به اندازه قطر یک اتم تغییر می‌کند. چطور می‌شود آن را اندازه‌گیری کرد؟ چطور ما می‌توانیم آن را اندازه‌گیری کنیم؟ پنجاه سال پیش،
چند فیزیک‌دان نظری در کلتک و MIT -- کیپ تورن، ران درور، ری وایس -- فکر کردند می‌توانند فاصله را با لیزرهایی که فاصله بین آینه‌های کیلومتر‌ها دور از هم را اندازه می‌گرفتند با دقت بالایی اندازه گیری کنند. سال‌ها تلاش سخت دانشمندان بسیاری لازم بود تا فناوری و ایده‌ها توسعه بیابند. و ۲۰ سال بعد، تقریباً ۳۰ سال پیش، نصب دو ردیاب امواج گرانشی، دو تداخل‌سنج را در ایالات متحده آغاز کردند. هر کدام چهار کیلومتر طول دارد؛ یکی در لیوینگستون لویزیانا است، در دل جنگلی زیبا،
و دیگری در هانفورد واشنگتون قرار دارد، وسط بیابان. تداخل‌سنج‌ها لیزرهایی دارند که از مرکز چهار کیلومتر در خلاء حرکت می‌کند، در آینه‌ها بازتاب می‌شود و سپس بازمی‌گردد‌. ما اختلاف فاصله را بین این بازو و این بازو اندازه می‌گیریم. آشکارسازها خیلی، خیلی، خیلی حساس هستند؛ آنها دقیق‌ترین ابزار دنیا هستند. چرا دوتا ساختیم؟ چون سیگنال‌هایی که می‌خواهیم اندازه بگیریم از فضا می‌آیند، اما آینه‌ها دائماً در حال حرکت هستند، پس به منظور تشخیص آثار امواج گرانشی --
که آثار کیهانی هستند و در دو آشکارساز ظاهر می‌شوند -- می‌توانیم آنها را از وقایع محلی که به صورت مجزا در یکی از این دو ظاهر می‌شوند، تشخیص دهیم. در سپتامبر ۲۰۱۵، داشتیم کار نصب فناوری نسل دوم در آشکارسازها را به پایان می‌رساندیم، و هنوز به حساسیت بهینه مد نظرمان نرسیده بودیم -- حالا که دو سال گذشته هنوز هم نرسیده‌ایم -- اما می‌خواستیم اطلاعات جمع کنیم. فکر نمی‌کردیم چیزی ببینیم، اما داشتیم آماده می‌شدیم که اطلاعات چند ماه را جمع‌آوری کنیم. و بعد طبیعت ما را غافلگیر کرد. در ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵،
در هر دو ردیاب، یک موج گرانشی دیدیم. در هردو ردیاب سیگنالی دیدیم که در چرخه‌هایی شدت و بسامد را افزایش می‌داد و بعد دوباره کم می‌شد. و در هر دو ردیاب یکسان بودند. آنها امواج گرانشی بودند. و نه تنها آن -- در رمزگشایی این گونه امواج، توانستیم نتیجه بگیریم که از بیش از یک میلیارد سال پیش از دو سیاه‌چاله می‌آیند که در هم ذوب می‌شدند تا یکی شوند. و آن -- (تشویق) خارق‌العاده بود.
در ابتدا، باورمان نمی‌شد. تصور نمی‌کردیم تا خیلی بعد اتفاق بیافتد، همه‌مان غافلگیر شدیم. ماه‌ها طول کشید تا خودمان را قانع کنیم که حقیقت دارد، چون نمی‌خواستیم هیچ جایی برای خطا باقی بگذاریم. اما حقیقت داشت، و برای اینکه هیچ شکی باقی نماند که این ردیاب‌ها می‌توانند این چیزها را اندازه بگیرند، در دسامبر همان سال، موج گرانشی دیگری اندازه گیری کردیم، که از اولی کوچک‌تر بود. موج گرانشی اول تفاوت طولی معادل یک چهارهزارم یک پروتون در طول چهار کیلومتر ایجاد کرد.
بله، ردیابی دوم کوچک‌تر بود، اما هنوز هم با استانداردهای ما خیلی متقاعد کننده بود. با وجود اینکه این‌ها امواج فضا-زمان هستند نه امواج صوتی، دوست داریم که آنها را وارد بلندگو کنیم تا صدایشان را بشنویم. ما اسم این را "موسیقی کائنات" گذاشته‌ایم. دوست دارم دو نوت اول آن را گوش کنید. (صدای جیر جیر) (صدای جیر جیر) صدای دوم که کوتاه‌تر است آخرین کسری از ثانیه از دو سیاه‌چاله است که در آن کسر از ثانیه، مقادیر زیادی انرژی آزاد می‌کنند -- انرژی خیلی زیاد، مثل اینکه سه خورشید به انرژی تبدیل شوند، که از فرمول مشهور پیروی می‌کنند،
E=mc۲. آن را به یاد دارید؟ ما این موسیقی را خیلی دوست داریم واقعاً با آن می‌رقصیم. دوباره می‌خواهم به آن گوش کنید. (صدای جیر جیر) (صدای جیر جیر) این موسیقی کائنات است! (تشویق) مردم حالا مکرراً از من می‌پرسند، "از امواج گرانشی در چه کاری می‌توان استفاده کرد؟ و حالا که آنها را کشف کرده‌اید، دیگر چه کاری باقی مانده است؟" امواج گرانشی به چه دردی می‌خورند؟ وقتی از بورخس پرسیدند، "هدف شعر چیست؟" او در پاسخ گفت،
"هدف سپیده‌دم چیست؟ هدف نوازش چیست؟ هدف بوی قهوه چیست؟" او پاسخ داد، "هدف شعر لذت است، برای احساس است، برای زندگی‌ست." و درک کائنات، این کنجکاوی بشر برای دانستن طرز کار همه چیز، مثل همان است. از زمان‌های قدیم، انسان‌ها -- همه ما، همه، از بچگی -- وقتی برای اولین بار بالا را نگاه می‌کنیم و ستاره‌ها را می‌بینیم، می‌پرسیم، "ستاره‌ها چه هستند؟" این کنجکاوی چیزی است که ما را انسان ساخته است. و این کاری است که با علم می‌کنیم.
دوست داریم بگوییم که حالا امواج گرانشی هدفی دارند، چون راه جدیدی برای کاوش کائنات باز شده است. تا به حال، می‌توانستیم نور ستاره‌ها را از طریق امواج الکترومغناطیسی ببینیم. حال می‌توانیم به صدای گیتی گوش کنیم، حتی چیزهایی که نوری ندارند، مثل امواج گرانشی. (تشویق) متشکرم. (تشویق) اما آیا فایده‌ای دارند؟ آیا می‌توانیم از امواج گرانشی فناوری استخراج کنیم؟ احتمالاً بله. اما احتمالاً زمان زیادی می‌برد. ما فناوری ردیابی آنها را توسعه داده‌ایم،
اما درباره خود آن امواج، شاید ۱۰۰ سال دیگر کشف کنیم که به دردی می‌خورند. اما مدت زیادی طول می‌کشد که دانش به فناوری منجر شود، و این دلیل کار ما نیست. تمام فناوری‌ها از دانش نشأت می‌گیرند، اما ما برای لذت دانش را دنبال می‌کنیم. چه کاری باقی مانده؟ خیلی کارها. خیلی؛ این تنها آغاز کار است. هر چه حساسیت این حسگرها را بیشتر و بیشتر بالا ببریم -- و در این زمینه کارهای زیادی باقی مانده است -- نه تنها سیاه‌چاله‌های بیشتری خواهیم دید و خواهیم توانست تعداد، موقعیت
و ابعاد آنها را دسته‌بندی کنیم، بلکه قادر به دیدن اجسام دیگر هم خواهیم بود. ذوب شدن ستاره‌های نوترونی و تبدیل آنها به سیاه‌چاله را خواهیم دید. شاهد تولد یک سیاه‌چاله خواهیم بود. ستاره‌هایی که در کهکشانمان می‌چرخند و امواج سینوسی تولید می‌کنند را خواهیم دید. انفجار ابرنواخترها را در کهکشان‌مان خواهیم دید. طیف کاملاً جدیدی از شواهد را مشاهده خواهیم کرد. دوست داریم بگوییم که حس جدیدی به حواس انسان اضافه کرده ایم: حال، علاوه بر دیدن، می‌توانیم بشنویم. این انقلابی در اخترشناسی است،
مثل وقتی که گالیله تلسکوپ را اختراع کرد. مثل وقتی است که صدا را به فیلم‌های صامت اضافه کردند. این تنها ابتداست. دوست داریم فکر کنیم جاده دانش خیلی طولانی است -- خیلی سرگرم کننده، اما بسیار طولانی است -- و ما، این جامعه بزرگ بین‌المللی دانشمندان، که از کشورهای مختلف، به عنوان یک گروه با هم کار می‌کنیم، داریم به ساخت آن راه کمک می‌کنیم؛ ما داریم راه را روشن می‌کنیم -- گاهی با پیچیدگی روبرو می‌شویم -- و شاید داریم بزرگراهی به کیهان می‌سازیم. متشکرم. (تشویق)
A little over 100 years ago, in 1915, Einstein published his theory of general relativity, which is sort of a strange name, but it's a theory that explains gravity. It states that mass -- all matter, the planets -- attracts mass, not because of an instantaneous force, as Newton claimed, but because all matter -- all of us, all the planets -- wrinkles the flexible fabric of space-time. Space-time is this thing in which we live and that connects us all. It's like when we lie down on a mattress and distort its contour. The masses move -- again, not according to Newton's laws, but because they see this space-time curvature
and follow the little curves, just like when our bedmate nestles up to us because of the mattress curvature. (Laughter) A year later, in 1916, Einstein derived from his theory that gravitational waves existed, and that these waves were produced when masses move, like, for example, when two stars revolve around one another and create folds in space-time which carry energy from the system, and the stars move toward each other. However, he also estimated that these effects were so minute,
that it would never be possible to measure them. I'm going to tell you the story of how, with the work of hundreds of scientists working in many countries over the course of many decades, just recently, in 2015, we discovered those gravitational waves for the first time. It's a rather long story. It started 1.3 billion years ago. A long, long time ago, in a galaxy far, far away -- (Laughter) two black holes were revolving around one another -- "dancing the tango," I like to say.
It started slowly, but as they emitted gravitational waves, they grew closer together, accelerating in speed, until, when they were revolving at almost the speed of light, they fused into a single black hole that had 60 times the mass of the Sun, but compressed into the space of 360 kilometers. That's the size of the state of Louisiana, where I live. This incredible effect produced gravitational waves that carried the news of this cosmic hug to the rest of the universe. It took us a long time to figure out the effects of these gravitational waves,
because the way we measure them is by looking for effects in distances. We want to measure longitudes, distances. When these gravitational waves passed by Earth, which was in 2015, they produced changes in all distances -- the distances between all of you, the distances between you and me, our heights -- every one of us stretched and shrank a tiny bit. The prediction is that the effect is proportional to the distance. But it's very small: even for distances much greater than my slight height, the effect is infinitesimal.
For example, the distance between the Earth and the Sun changed by one atomic diameter. How can that be measured? How could we measure it? Fifty years ago, some visionary physicists at Caltech and MIT -- Kip Thorne, Ron Drever, Rai Weiss -- thought they could precisely measure distances using lasers that measured distances between mirrors kilometers apart. It took many years, a lot of work and many scientists to develop the technology and develop the ideas. And 20 years later,
almost 30 years ago, they started to build two gravitational wave detectors, two interferometers, in the United States. Each one is four kilometers long; one is in Livingston, Louisiana, in the middle of a beautiful forest, and the other is in Hanford, Washington, in the middle of the desert. The interferometers have lasers that travel from the center through four kilometers in-vacuum, are reflected in mirrors and then they return. We measure the difference in the distances between this arm and this arm.
These detectors are very, very, very sensitive; they're the most precise instruments in the world. Why did we make two? It's because the signals that we want to measure come from space, but the mirrors are moving all the time, so in order to distinguish the gravitational wave effects -- which are astrophysical effects and should show up on the two detectors -- we can distinguish them from the local effects, which appear separately, either on one or the other. In September of 2015, we were finishing installing the second-generation technology in the detectors,
and we still weren't at the optimal sensitivity that we wanted -- we're still not, even now, two years later -- but we wanted to gather data. We didn't think we'd see anything, but we were getting ready to start collecting a few months' worth of data. And then nature surprised us. On September 14, 2015, we saw, in both detectors, a gravitational wave. In both detectors, we saw a signal with cycles that increased in amplitude and frequency and then go back down. And they were the same in both detectors.
They were gravitational waves. And not only that -- in decoding this type of wave, we were able to deduce that they came from black holes fusing together to make one, more than a billion years ago. And that was -- (Applause) that was fantastic. At first, we couldn't believe it. We didn't imagine this would happen until much later; it was a surprise for all of us. It took us months to convince ourselves that it was true, because we didn't want to leave any room for error.
But it was true, and to clear up any doubt that the detectors really could measure these things, in December of that same year, we measured another gravitational wave, smaller than the first one. The first gravitational wave produced a difference in the distance of four-thousandths of a proton over four kilometers. Yes, the second detection was smaller, but still very convincing by our standards. Despite the fact that these are space-time waves and not sound waves, we like to put them into loudspeakers and listen to them.
We call this "the music of the universe." I'd like you to listen to the first two notes of that music. (Chirping sound) (Chirping sound) The second, shorter sound was the last fraction of a second of the two black holes which, in that fraction of a second, emitted vast amounts of energy -- so much energy, it was like three Suns converting into energy, following that famous formula, E = mc2. Remember that one? We love this music so much we actually dance to it. I'm going to have you listen again.
(Chirping sound) (Chirping sound) It's the music of the universe! (Applause) People frequently ask me now: "What can gravitational waves be used for? And now that you've discovered them, what else is there left to do?" What can gravitational waves be used for? When they asked Borges, "What is the purpose of poetry?" he, in turn, answered, "What's the purpose of dawn? What's the purpose of caresses? What's the purpose of the smell of coffee?" He answered,
"The purpose of poetry is pleasure; it's for emotion, it's for living." And understanding the universe, this human curiosity for knowing how everything works, is similar. Since time immemorial, humanity -- all of us, everyone, as kids -- when we look up at the sky for the first time and see the stars, we wonder, "What are stars?" That curiosity is what makes us human. And that's what we do with science. We like to say that gravitational waves now have a purpose, because we're opening up a new way to explore the universe.
Until now, we were able to see the light of the stars via electromagnetic waves. Now we can listen to the sound of the universe, even of things that don't emit light, like gravitational waves. (Applause) Thank you. (Applause) But are they useful? Can't we derive any technology from gravitational waves? Yes, probably. But it will probably take a lot of time. We've developed the technology to detect them, but in terms of the waves themselves, maybe we'll discover 100 years from now that they are useful.
But it takes a lot of time to derive technology from science, and that's not why we do it. All technology is derived from science, but we practice science for the enjoyment. What's left to do? A lot. A lot; this is only the beginning. As we make the detectors more and more sensitive -- and we have lots of work to do there -- not only are we going to see more black holes and be able to catalog how many there are, where they are and how big they are, we'll also be able to see other objects.
We'll see neutron stars fuse and turn into black holes. We'll see a black holes being born. We'll be able to see rotating stars in our galaxy produce sinusoidal waves. We'll be able to see explosions of supernovas in our galaxy. We'll be seeing a whole spectrum of new sources. We like to say that we've added a new sense to the human body: now, in addition to seeing, we're able to hear. This is a revolution in astronomy, like when Galileo invented the telescope. It's like when they added sound to silent movies.
This is just the beginning. We like to think that the road to science is very long -- very fun, but very long -- and that we, this large, international community of scientists, working from many countries, together as a team, are helping to build that road; that we're shedding light -- sometimes encountering detours -- and building, perhaps, a highway to the universe. Thank you. (Applause)