نوبل فیزیک دقایقی پیش به کاشفان امواج گرانشی رسید

جایزه نوبل فیزیک یکی از پنج جوایز نوبل است که هر سال از سوی آکادمی سلطنتی علوم سوئد اعطا می‌شود. این جایزه بزرگترین جایزه‌ای شناخته می‌شود که یک فیزیکدان می‌تواند آن را دریافت کند.

در 14 سپتامبر 2015، امواج گرانشی جهان برای اولین بار مشاهده شد. امواجی که صد سال پیش توسط آلبرت انیشتین پیش بینی شده بود. این امواج از یک برخورد بین دو سیاه چاله به وجود آمده است. این موج 1.3 میلیارد سال طول می کشد تا به ما برسد و به وسیله ی آشکارساز LIGO در ایالات متحده ثبت شود.

سیگنال هنگامی که به زمین رسید، بسیار ضعیف بود، اما در حال حاضر دارد انقلابی در فیزیک و نجوم و کیهان شماسی به پا می کند.

رصدخانه تداخل سنج لیزری امواج گرانشی (لیگو) یک پروژه مشترک بین بیش از هزار محقق از بیش از 20 کشور است. آن ها با هم توانستند بینشی 50 ساله را درک کنند. برندگان نوبل فیزیک 2017 هر کدام با اشتیاق و عزم خود توانستند سهم ارزشمندی در موفقیت لیگو داشته باشند. راینر وایس و کیپ ترون به همراه بری باریش، رهبر و تکمیل کننده این تحقیق اطمینان دادند که چهار دهه تلاش در نهایت منجر به مشاهده امواج گرانشی شد.

امواج گرانشی یک روش کاملا جدید برای مشاهده رویدادها در فضا است اما هنوز برای آزمایش و اطلاعات بیشتر درباره آن محدودیت هایی در دانش انسان وجود دارد.

امواج گرانشی وقتی که یک جرم شتاب می شود، همیشه ایجاد می شوند، مثل وقتی که یک اسکیت باز روی یخ ها می چرخد و حرکتش شتاب می گیرد. اینشتین متقاعد شده بود که هرگز قادر به اندازه گیریموج گرانشی نیست ولی پروژه لیگو با استفاده از دو تداخل سنج لیزری توانست این تغییر را که هزاران برابر از هسته اتم کوچکتر است، در زمان عبور از زمین اندازه گیری کند.

موج گرانشی چیزی کاملا جدید و متفاوت است، باید منتظر بود که این کشف و ثبت، دنیاهای جدیدی را در برابر بشر به نمایش بگذارد. ما در آستانه یک انقلاب عظیم در فیزیک هستیم.

به صورت ساده در فیزیک مدرن بعد چهارم به صورت فضا-زمان تعریف شده است. بر اساس این تعریف جاذبه انحنایی از فضا- زمان به حساب می‌آید که جرم آن را ایجاد می‌کند. هر چقدر جرم جسمی بیشتر باشد این انجنا 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.

امواج گرانشی بر اثر رویدادهای عظیم کیهانی، مثل ادغام سیاهچاله‌ها یا برخورد ستاره‌های نوترونی یا در لحظه ی بیگ بنگ ایجاد می شوند. در واقع امواج گرانشی زمانی ایجاد می شوند که دو سیاه چاله، دو ستاره نوترونی یا یک ستاره نوترونی و یک سیاه چاله، 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 انسان ها در زمین هم تاثیر 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 تاسیس شدند. دو رصدخانه لایگو به شکل L هستند که طول هر بازوی این ال ۴ کیلومتر است و در داخل آن‌ها خلاء 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 «کاملا» 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 سه 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.

ردیابی امواج گرانشی در واقع دو نظریه مهم فیزیک و کیهان شناسی را ثابت کرده است: فرضیه نسبیت عام انشتین که حدود صد سال پیش (۱۹۱۶) ارائه و نظریه دیگری به نام نظریه تورم کیهانی که در دهه هشتاد میلادی مطرح شد.

تایید نظریه امواج گرانشی اهمیتی اندازه کشف ذره خدا دارد نوبل فیزیک سال قبل به کشف امواج گرانشی رسید و امسال باز هم این امواج برای دانشمندانی که رویشان کار می کردند خوش یمن بودند و نوبل ارزشمند دیگری را به ارمغان آوردند.