ارتباط ناشناخته. ارتباط بدون سانسور. ارتباط برقرار نمی‌شود. سایت اصلی احتمالاً زیر سانسور است. ارتباط با سایت (های) موازی برقرار شد. ارتباط برقرار نمی‌شود. ارتباط اینترنت خود را امتحان کنید. احتمال دارد اینترنت به طور سراسری قطع شده باشد. ادامه مطلب

شروع فصل جدید شکار «امواج گرانشی»

احسان سنایی - در حالی که به ۱۰۰ سالگی طرح تئوری نسبیت عام توسط آلبرت اینشتین نزدیک می شویم، انتظار می‌رود آزمایشگاهی عاقبت بتواند از پس اثبات این تئوری دوران‌ساز برآید.

در حالی که کمتر از یک ماه و نیم تا یکصدمین سالگرد طرح تئوری نسبیت عام توسط آلبرت اینشتین باقی مانده، آزمایشگاهی هم‌اینک، پس از گذشت قریب به پنج سال ارتقا، شروع به کار کرده که انتظار می‌رود عاقبت بتواند از پس اثبات جسورانه‌ترین پیش‌بینی این تئوری دوران‌ساز برآید.

«تداخل‌سنج لیزری رصد امواج گرانشی» (LIGO)، سابقاً هشت سال متوالی – از ۲۰۰۲ تا ۲۰۱۰ – را به جستجویی بی‌نتیجه پی امواج گرانشی گذراند؛ افت‌وخیزهای متناوبی در پیوستار فضا-زمان، که تصور می‌رود از برهم‌کنش نزدیک دو جرم فوق‌العاده سنگین‌وزن (نظیر یک جفت ستاره نوترونی یا سیاهچاله) به اطراف پخش می‌شوند.

حال، طرح «لیگوی پیشرفته»، با حساسیتی سه برابر بیشتر از آن مقطع، کارش را موقتاً برای مدت سه ماه آغاز کرده تا سال آینده به بهره‌برداری نهایی برسد.

دورنمایی از تأسیسات لیگو در لیوینگستون لوئیزیانا / منبع: NSF

پروژه ۶۲۰ میلیون دلاری لیگو (که هم‌اینک تحت عنوان «لیگوی پیشرفته» [Advanced LIGO] شناخته می‌شود)، از دو تأسیسات پیچیده، با فاصله ۳۸۶۰ کیلومتر از یکدیگر تشکیل شده است؛ یکی در منقطه هانفورد واشنگتن و دیگری در لیوینگتسون لوئیزیانا.

هریک از این تأسیسات هم با بهره‌مندی از دو بازوی ۴ کیلومتری عمود بر هم، هم‌اینک قادر است تا به روشی با نام «تداخل‌سنجی»، تغییری معادل ضخامت تنها یک تار موی انسان را در طول مسافتی هم‌اندازه با فاصله خورشید تا ستاره آلفا-قنطورس (نزدیک‌ترین ستاره به ما در فاصله ۳ / ۴ سال نوری) را تشخیص بدهد.

این سطح خارق‌العاده از دقت، امکان کشف امواج گرانشی را تا فاصله ۳۲۶ میلیون سال نوری تضمین می‌کند – حجمی محتوی ۳۰۰ هزار کهکشان. این در حالیست که پنج سال پیش، و پیش از این عملیات ارتقا، لیگو تنها قابلیت تشخیص امواج گرانشی در حجمی حاوی تنها ۱۰۰ کهکشان را داشت.

با احتساب این واقعیت که احتمال برخورد دو ستاره نوترونی در یک کهکشان، حدود یک‌بار در هر سی‌هزار سال است، عجیب نبوده که جستجوهای هشت‌ساله این پروژه تا پیش از ارتقا، عملاً دستاوردی را به ارمغان نداشت.

البته وجود امواج گرانشی، که با توجه به شرایط استثنایی ایجاد و پراکندگی‌شان از جسورانه‌ترین پیش‌بینی‌های تئوری نسبیت عام اینشتین به شمار می‌رود، صرفاً در حد فرضیه نیست. در سال ۱۹۷۴، راسل هولس و جوزف تیلور، اخترفیزیکدانان دانشگاه ماساچوست در امهرست، موفق به کشف تپ‌اختری با دوره تناوب ۵۹ میلی‌ثانیه شدند، که مورد ایده‌آلی برای ارزیابی پیش‌بینی‌های نسبیت عام به شمار می‌رفت.

«تپ‌اختر»‌ها، نوع خاصی از ستاره‌های نوترونی (یعنی لاشه‌های چگال بازمانده از مرگ ستارگان سنگین‌وزن) هستند که محور میدان مغناطیسی‌شان تصادفاً در راستای زمین قرار دارد. از آنجا که محور چرخشی و مغناطیسی ستاره‌های نوترونی غالباً بر هم انطباقی ندارد، تابش سنکروترونی ناشی از سقوط ذرات باردار در قطبین مغناطیسی این ستاره‌های سریعاً چرخنده هم به شیوه‌ای متناوب، و به حالت «تپش‌» هایی منظم، از زمین دریافت می‌شود؛ به‌طوری‌که دوره تناوب این تپش‌ها معادل دوره تناوب چرخش این ستاره‌هاست (جهت مشاهده انیمیشنی از مکانیسم فعالیت یک تپ‌اختر، نگاه کنید به این لینک).

طرحی از افت و خیزهای حاصل از چرخش دو ستاره نوترونی در پیوستار فضا-زمان، که تحت عنوان «امواج گرانشی» شناخته می‌شوند.

هرچند که تا سال ۱۹۷۴، اخترشناسان موفق به کشف ده‌ها تپ‌اختر شده بودند، اما آنچه کشف هولس و تیلور را متمایز می‌کرد، تشخیص افت و خیزهای منظم دیگری با دوره تناوب ۷۵ / ۷ ساعت در خلال دوره تناوب اصلی آن تپ‌اختر بود.

این مسأله تنها می‌توانست حاکی از آن باشد که تپ‌اختر مزبور نه‌تنها به گرد خودش می‌چرخد (آن‌هم ۱۷ بار بر ثانیه)، بلکه در مداری به قطر ۳ ثانیه نوری (یا حدود ۹۰۰ هزار کیلومتر) در اطراف یک مرکز ثقل دیگر نیز می‌چرخد (چراکه دامنه تأخیر تپش‌ها در این ۷۵ / ۷ ساعت، حداکثر ۳ ثانیه بود). این داده‌ها روی‌هم‌رفته بر این فرض بعید صحه گذاشت که تپ‌اختر مزبور در همسایگی نزدیک یک ستاره نوترونی دیگر، با یک مرکز ثقل مشترک به سر می‌برد.

هم‌نشینی دو جرم سنگین‌وزن و چگال (هرکدام با جرمی در حدود ۴ / ۱ برابر خورشید) در فضایی چنین کوچک، به موقعیتی استثنایی شکل داده بود تا توسط آن به ارزیابی دقت پیش‌بینی تئوری نسبیت عام پرداخت.

طبق این پیش‌بینی، بخشی از انرژی پتانسیل گرانشی این منظومه دوتایی، رفته‌رفته به‌شکل امواج گرانشی به اطراف پخش می‌شود و در نتیجه با گذشت زمان و اتلاف انرژی، این دو ستاره به هم نزدیک و نزدیک‌تر خواهند شد – یا به عبارت دیگر، دوره تناوب مداری‌شان رفته‌رفته کاهش خواهد یافت.

مشاهدات اولیه هولس و تیلور در حدفاصل سال‌های ۱۹۷۴ تا ۱۹۷۸ نشان از صحت پیش‌بینی‌های نسبیت عام با دقتی باورنکردنی می‌داد – آن‌قدر که این دو فیزیکدان، جایزه نوبل فیزیک ۱۹۹۳ را، به پاس "کشفی که امکان‌هایی تازه فراروی مطالعات جاذبه گشود"، از آن خود کردند.

نمودار کاهش ۴۰ثانیه‌ای دوره تناوب چرخش ستارگان نوترونی کشف‌شده توسط هولس و تیلور، از سال ۱۹۷۵ تا ۲۰۰۵. پیش‌بینی نسبیت عام به حدی با مشاهدات انطباق دارد، که تشخیص‌شان در این نمودار از هم ممکن نیست.

با این‌همه، کشف بزرگ هولس و تیلور به منزله تشخیص «غیرمستقیم» امواج گرانشی به شمار می‌رفت، و برای تشخیص مستقیم این امواج احتیاج بود تا به جای رصد مستمر یک آزمایشگاه طبیعی، رصدگاهی مصنوعی برای این امواج، با شرایطی کاملاً تحت کنترل فیزیکدانان ساخت. این رصدگاه، همان طرح بلندپروازانه لیگو بود.

راهبرد اصلی به‌کاررفته در ساخت تأسیسات لیگو، استفاده هرچه‌دقیق‌تر از فناوری «تداخل‌سنجی» (interferometry) بوده و هست. مطابق این راهبرد، پرتویی از لیزر به سمت یک انشعاب اپتیکی شلیک می‌شود تا پرتو را به دو مؤلفه عمود بر هم تفکیک کند. هریک از این پرتوهای حاصله، سپس مسیر ۴ کیلومتری بازوهای لیگو را به‌طور رفت و برگشتی طی می‌کنند تا با ورود مجددشان به انشعاب اولیه، بار دیگر در هم ادغام گردند. اگرچنانچه یک موج گرانشی از زمین بگذرد، طول یکی از بازوهای لیگو ناگزیر نسبت به دیگری تغییر خواهد کرد (البته در مرتبه یک‌صدم قطر یک اتم).

همین تغییر، اختلافی را در مسافت طی‌شده توسط پرتوهای لیزر ایجاد می‌کند و باعث می‌شود تا پرتوها پس از ادغام، اصطلاحاً «ناهم‌فاز» شوند (نگاه کنید به تصویرسازی زیر). همین ناهم‌فازی ناچیز، شاهد مستقیمی دال بر وجود امواج گرانشی به شمار می‌رود.

نموداری از نحوه عملکرد تداخل‌سنج لیگو / منبع: nature

اما هر ناهم‌فازی‌ای را نمی‌توان به عبور امواج گرانشی نسبت داد. با دقت فوق‌العاده بالای تأسیساتی همچون لیگو، هر لرزشی در زمین (از حرکت یک قطار دوردست گرفته تا قطع درختان اراضی تولید الوار در حومه لیوینگستون) می‌تواند منجر به ناهم‌فاز شدن امواج لیزر شود. به همین‌منظور تأسیسات لیگو به‌شکل دوقلو طراحی شده‌اند، که یکی‌شان در ایالت واشنگتن، و دیگری در لوئیزیانا مستقر است تا تأثیر چنین «نویز» هایی بر نتایج آزمایش به حداقل برسد – چراکه چنانچه یک موج گرانشی به زمین برسد، هر دو حسگر را همزمان، و به یک میزان فعال خواهد کرد؛ حال‌آنکه احتمال بروز چنین تشابهی برای دو نویز کاملاً مجزا در حد صفر خواهد بود.

فیزیکدانان طرح لیگوی پیشرفته در نظر دارند تا طی سال آینده میلادی، از داده‌های طرح ۲۰۰ میلیون یورویی «ویرگوی پیشرفته» (Advanced Virgo) نیز در نزدیکی شهر پیزای ایتالیا بهره بجویند و بدین‌وسیله جستجو پی امواج گرانشی را به تلاشی بین‌المللی در بستر شبکه‌ای از حسگرهای فوق‌دقیق بدل کنند.

این مطلب را پسندیدید؟ کمک مالی شما به ما این امکان را خواهد داد که از این نوع مطالب بیشتر منتشر کنیم.

آیا مایل هستید ما را در تحقیق و نوشتن تعداد بیشتری از این‌گونه مطالب یاری کنید؟

.در حال حاضر امکان دریافت کمک مخاطبان ساکن ایران وجود ندارد

توضیح بیشتر در مورد اینکه چطور از ما حمایت کنید

نظر بدهید

در پرکردن فرم خطایی صورت گرفته

نظرها

  • همنشین بهار

    آشکارشدن امواج جاذبه؛ لحظه‌ای مهّم در تاریخ علم Einstein’s ripples in spacetime, spotted for first time آشکارشدن امواج جاذبه؛ لحظه‌ای مهّم در تاریخ علمرصد کردن امواج گرانشی یادآور کار گالیله است وقتی تلسکوپ را به سوی آسمان چرخاند و دریچه‌ای نو به سوی رصد آسمان گشود. این کشف همچنین، یادآور ویلهلم رونتگن، و مسلح شدن آدمی به اشعه ایکس است که به مدد آن نادیدنی‌ها دیده شد. حالا برای اولین بار در تاریخ، جهان بوسیله امواج گرانشی با ما سخن خواهد گفت و ما صدای کیهان را می‌شنویم! البته او پیش از این هم با ما به زبان امواج گرانشی حرف می‌زد اما کر بودیم و آنرا نمی‌شنیدیم. از شما دعوت می‌کنم مقاه زیر را ببینید: http://www.hamneshinbahar.net/article.php?text_id=364 با کمال احترام: همنشین بهار

  • احسان سنایی

    جناب کامکار، معادل انگلیسی «امواج گرانشی»، gravitational waves، و معادل انگلیسی تپ‌اختر (یا «ستاره تپنده») هم pulsar است. ضمناً در همین‌باره (راه‌اندازی مجدد پروژه لیگو) می‌توانید به مقالات زیر مراجعه کنید: http://news.mit.edu/2015/advanced-ligo-begins-operations-0917 http://news.sciencemag.org/physics/2015/09/hunt-gravitational-waves-resumes و نیز جهت کسب اطلاعاتی کلی‌تر راجع به امواج گرانشی: https://www.newscientist.com/article/dn25243-einsteins-ripples-your-guide-to-gravitational-waves/

  • احسان سنایی

    ممنونم. تئوری کوانتوم عملاً به فرجام رسیده (بدین‌معنا که هم‌اینک یک تئوری «کامل» محسوب می‌شود)؛ اما آنچه به فرجام نرسیده، جستجو پی یک پل نظری بین توصیف نسبیتی از مفهوم جاذبه، و توصیف کوانتومی از مفهوم جرم است. تا به حال تلاش‌های نظری زیادی در این‌باره (به‌ویژه در چارچوب نظریاتی موسوم به تئوری ریسمان) صورت پذیرفته یا در شرُف انجام است؛ اما متأسفانه اثبات تجربی اکثرشان در حال حاضر امکان‌پذیر نیست – ضمن اینکه بنده هم آشنایی چندانی با چند و چون این نظریه‌ها ندارم. اما در خصوص مفهوم «زمان»: در علم فیزیک، ضروری‌ست که بین مفاهیم «زمان» (time) و «پیکان زمان» (arrow of time) تفاوت گذاشت: آنچه نخستین بار در تئوری نسبیت خاص به مثابه امکان «نسبی بودن زمان» مطرح شد، مربوط می‌شد به نحوه «محاسبه» (یا استنباط) زمان در یک چارچوب مرجع «دیگر» (مثلاً فضاپیمایی که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کند، از دید یک ناظر ساکن)، نه نحوه تشخیص گذر زمان در چارچوب مرجع ناظر. به عبارت بهتر، در چارچوب تئوری نسبیت خاص، اگرچه می‌توان گذشته را «دید» (مثل گذشته کهکشان‌هایی که گرچه هم‌اینک از دید ما می‌درخشند، اما چه بسا مدت‌هاست از که میان رفته‌اند)، اما نمی‌توان به گذشته «سفر» کرد – چراکه سفر کردن (از نقطه‌ای به نقطه دیگر)، استمرار حضور فرد ناظر در یک چارچوب مرجع واحد را می‌طلبد؛ حال‌آنکه تئوری نسبیت (چه خاص، چه عام) شرایط دست‌کم دو چارچوب مرجع «متفاوت» (که نسبت به یکدیگر حرکت می‌کنند) را مدنظر دارد. آنچه که ما را (در یک چارچوب مرجع مشخص) قادر می‌سازد که بین گذشته و آینده تفاوت قائل ‌شویم، مفهوم «پیکان زمان» است که صبغه ترمودینامیکی دارد. اینکه اشیای پیرامون‌مان با گذشت زمان فرسوده‌تر می‌شوند (مثلاً بدن ما، که «پیر»تر می‌شود؛ یا باتری یک ساعت که رفته‌رفته تحلیل می‌رود)، ارتباطی ندارد به اینکه یک ساعت در یک چارچوب مرجع دیگر، چه زمانی را نشان می‌دهد (مثلاً زمانی در گذشته را نشان می‌دهد). آن ساعتی که زمان گذشته را نشان می‌دهد هم رفته‌رفته فرسوده می‌شود و نیازمند تعویض باتری‌ست. در واقع «دستکاری» در زمان فقط وقتی ممکن است که بتوان جهت «پیکان زمان» را عوض کرد، و مثلاً «آب رفته را به جوی برگرداند»؛ که این امر اساساً امکان‌پذیر نیست.

  • دکتر کامکار

    جناب سنایی بسیار ممنون میشوم اگر متعارف انگلیسی  کلمات علمی را بیشتر به کار برید. کلماتی چون امواج گرانشی یا تپ اختر  برای من  نامفهوم   هستند. همچنین اگر برای اطلاع بیشتر منابعی و مقالاتی را معرفی کنید بسیار مفید خواهد بود. با تشکر

  • منوچهر

    با سپاس از پاسخ اموزنده جناب سنائی به دو سوال طرح شده جواب سرکار سوال دیگری را متبادر بذهن میکند که پاسخ در خور را میطلبد همچنان که توصیح داده اید نظریه نسبیت عام در حوزه فضا در موارد مختلف به اثبات رسیده است حال اگر تئوری کوانتومی نیز بفرجام برسد علم فیزیک بصورتunified field teory مبنای فلسفی تازه ای پیدا خواهد کرد ایا در تعریف جدید زمان هم منظور میشود وامکان ورود و دستکاری ان فراهم خواهد شد ویا همچنان دست نیافتنی باقی میماند با تشکر

  • احسان سنایی

    منوچهر عزیز، هدف اصلی فیزیکدانان از طراحی و راه‌اندازی پروژه لیگو، تشخیص احتمالی «امواج گرانشی» است؛ مفهومی که در چارچوب تئوری نسبیت عام تدوین شده، و ارتباط مستقیمی با تئوری کوانتوم ندارد. پژوهش‌های هولس و تیلور نیز به منزله اثبات «غیرمستقیم» وجود امواج گرانشی تلقی می‌شوند. آن‌ها موفق شدند که در بازه‌های زمانی چندین و چندساله، کاهش محیط مدار یک تپ‌اختر را دقیقاً مطابق آنچه تئوری نسبیت عام پیش‌بینی کرده بوده رصد کنند. دلیل این کاهش محیط مدار هم به تابش امواج گرانشی از منظومه مزبور، و لذا اتلاف انرژی پتانسیل گرانشی نسبت داده می‌شود. پس هولس و تیلور موفق به تشخیص «مستقیم» این امواج نشده‌اند، بلکه نشانه‌های غیرمستقیم وجودشان را اثبات کرده‌اند. البته این تنها آزمایش و تنها پیش‌بینی تئوری نسبیت عام هم نیست که تاکنون مورد تأیید تجربی قرار گرفته: بدون تئوری نسبیت عام، توضیح رقص مداری بلندمدت سیاره عطارد غیرممکن است (اینشتین در مقاله‌ای مربوط به سال 1915 به حل همین مسأله پرداخت، که بالغ بر نیم‌‌قرنْ معما بود). در سال 1919، نخستین پیش‌بینی جسورانه نسبیت عام، مبنی بر خمیدگی مسیر نور حین گذر از کنار اجرام سنگین‌وزن، طی خورشیدگرفتگی کلّی آن سال، توسط تیمی از اخترشناسان انگلیسی به سرپرستی سِر آرتور ادینگتون به اثبات تجربی رسید. از این پدیده تحت عنوان «عدسی گرانشی» (gravitational lensing) یاد می‌شود، و از آن پس صدها نمونه‌اش در رصد کهکشان‌های دوردست تشخیص داده شده (از جمله جرم معروفی موسوم به «صلیب اینشتین»، که به‌شکل یک سراب کیهانی است). ماهواره‌ Gravity Probe B نیز طی پژوهشی یک‌ساله از سال 2004 تا 2005، با دقت خارق‌العاده‌ای موفق شد پیش‌بینی نسبیت عام مبنی بر وجود پدیده‌ای موسوم به «کشش چارچوب» (frame-dragging) را در مدار زمین به تأیید تجربی برساند (نگاه کنید به مدخل ویکی‌پدیا در همین‌باره: tinyurl.com/qe5rvsp). ضمناً زیربنای نظری کیهان‌شناسی مدرن را هم افزون بر هفتاد سال است که نسبیت عام شکل داده، و در همین چارچوب بوده که تئوری‌ مهبانگ تدوین شده است. پس از دیگر پیش‌بینی‌های تأییدشده نسبیت عام، می‌توان به پدیده‌های کیهانی‌ای همچون «انبساط جهان» هم اشاره کرد، که در سال 1929 توسط ادوین هابل به تأیید تجربی رسید. پس علم فیزیک بالغ بر نیم‌قرن است که ذیل پارادایم فلسفی تازه‌ای سرپاست، که دو قطب اصلی آن را نسبیت عام و تئوری کوانتوم شکل می‌دهد. البته گرایش گسترده‌ای وجود دارد به اینکه حتی مفاهیم فیزیک مدرن هم به طرُق کلاسیک فهم شوند، اما برای کسب چشم‌اندازی از «کل» ماجرا، ناگزیر از پذیرش پیش‌فرض‌های فلسفی متفاوتی در مقایسه با پیش‌فرض‌های نیازموده‌ی فیزیک کلاسیک هستیم. بنده در همین‌باره، چندی پیش یادداشتی را در روزنامه شرق انتشار دادم، که می‌توانید از این لینک مطالعه‌اش کنید: tinyurl.com/osdkr6j

  • منوچهر

    دو سوال از اقای احسان سنائی ایا پروژه لیگو در راستای پیشرفت تئوری کوانتومی است ایا میتوانیم با توجه به دستاوردهای راسل هولس و جوزف تیلورو تشخیص امواج گرانشی که در مرکز دنبال میشود و همچنین از فحوای نوشته شما استنباط میگردد نظریه نسبیت عام انیشتن را اثبات شده فرض کنیم و نهایتاناگزیر شویم علم فیزیک را درقالب فلسفی تازه ای تعریف نمائیم با احترام

  • احسان سنایی

    فربد عزیز، ای کاش سؤال‌تان را مصداقی‌تر مطرح می‌کردید. همان‌طور که در ابتدای مقاله هم اشاره کردم – و همان‌طور که از عنوان این پروژه؛ یعنی «تداخل‌سنج لیزری رصد امواج گرانشی» برمی‌آید – هدف از ساخت چنین آزمایشگاهی تشخیص «امواج گرانشی» بوده. در ادامه مقاله هم کوشیده‌ام توضیح بدهم که منظور از «امواج گرانشی» چیست. پس اختصاراً پاسخ سؤالی که فرمودید، همین است: پروژه لیگو، با هدف تشخیص مستقیم امواج گرانشی طراحی و راه‌اندازی شد. بهنام عزیز، از نظر شما هم سپاسگزارم. مقاله حاضر، تألیفی بوده و ترجمه نیست.

  • بهنام

    مقاله مفید و جالبی بود . با تشکر از جناب احسان سنایی به خاطر زحمت ترجمه و انتشار .

  • فربد

    سلام ایکاش توضیح میدادید این به چه درد می خوره ؟ چرا این پروژه رو راه اندازی کردند؟ من از این مقاله چبزی متاسقانه دستگیرم نشد