Rainer Weiss: 50 عامًا من LIGO وموجات الجاذبية

من السهل جدًا التحدث إلى الفيزيائي راينر فايس ، المتواضع والمتواضع والحريص على مناقشة بحثه. قبل خمس سنوات ، أكسبه عمله نصف 2017 جائزة نوبل في الفيزياء، بينما ذهب النصف الآخر إلى Barry Barish و Kip Thorne ، من أجل "مساهمات حاسمة في كاشف LIGO ومراقبة موجات الجاذبية". مقرها الولايات المتحدة مرصد موجات الجاذبية بالليزر (LIGO) هو المكان الذي شوهدت فيه موجات الجاذبية لأول مرة في عام 2015 ، مما يؤكد بشكل قاطع آخر التنبؤات المتبقية غير المختبرة من نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين التي تعود إلى قرن من الزمان.

على الرغم من التنبيه بوجودها ، شك أينشتاين نفسه في أن هذه الموجات يمكن ملاحظتها على الإطلاق لأنها ضعيفة للغاية. إن فكرة فايس الخارقة لاستخدام قياس التداخل بالليزر جعلت ذلك ممكنًا في النهاية الملاحظة الأولى - لموجات الجاذبية المنبعثة من اندماج ثقبين أسودين ، على بعد 1.3 مليار سنة ضوئية من الأرض - وغيرها الكثير الذي اكتشفه LIGO منذ ذلك الحين. استغرق الأمر عقودًا من الجهد من فايس وزملائه من نوبل وكثيرين غيرهم ، ومثّل الاكتشاف ذروة في الفيزياء التي بشرت أيضًا بعصر جديد في علم الفلك. منذ ظهور علم الفلك الرصدي ، كنا نقوم بمسح الكون في الغالب من خلال مراقبة أول ضوء مرئي ، ثم طيف واسع من الموجات الكهرومغناطيسية. الآن ، كانت موجات الجاذبية قادرة على توفير طريقة جديدة لسبر العديد من الظواهر الكونية. بعد سبع سنوات فقط من ولادة علم الفلك الثقالي ، أنتج بالفعل الكثير من المعرفة الجديدة القيمة.

من ألمانيا النازية إلى الولايات المتحدة ، عبر براغ

كل من الحائزين على جائزة نوبل الثلاثة اتبع نهجه الخاص نحو هذه النجاحات. يوضح مسار فايس كيف يتم تشكيل علماء الفيزياء التجريبية الموهوبين ، وكيف يمكن أن تأتي الأفكار العلمية الجديدة من اتجاهات غير متوقعة ، وكيف أن المثابرة المطلقة ضرورية لتحقيق تجربة فيزياء واسعة النطاق.

وُلد فايس في برلين بألمانيا في 29 سبتمبر 1932 ، أثناء صعود النازيين إلى السلطة. كان والد فايس ، فريدريك ، الذي وصفه راينر بأنه "شيوعي متحمس ومثالي" منذ صغره ، طبيبًا. بصفته يهوديًا وشيوعيًا مناهضًا للنازية ، شهد ضد طبيب نازي متهم بسوء التصرف ، احتجز النازيون فريدريك عندما كانت والدة راينر ، جيرترود ، حاملًا معه. بناءً على طلب زوجته المسيحية ، التي كانت لعائلتها بعض الاتصالات المحلية ، تم إطلاق سراح فريدريك وإرساله إلى براغ. بمجرد ولادة راينر ، سافرت جيرترود مع طفلها الجديد للانضمام إلى فريدريك في تشيكوسلوفاكيا ، حيث أنجب الزوجان طفلًا آخر ، سيبيل ، في عام 1937.

ولكن عندما سمحت اتفاقية ميونيخ لعام 1938 للقوات الألمانية بدخول تشيكوسلوفاكيا ، اضطرت العائلة للهروب مرة أخرى. يتذكر راينر في سيرته الذاتية عن جائزة نوبل: "سمعنا القرار عبر الراديو أثناء إجازته في سلوفاكيا وانضممنا إلى مجموعة كبيرة من الأشخاص المتجهين نحو براغ لمحاولة الحصول على تأشيرة للهجرة إلى أي مكان آخر في العالم تقريبًا يقبل اليهود". . انتقلت العائلة إلى الولايات المتحدة في عام 1939. وبموجب قانون الهجرة في ذلك الوقت ، لم يكن هذا ممكنًا إلا بسبب مهنة فريدريك ولأن "امرأة رائعة جدًا" كما تسميها فايس ، من عائلة Stix الخيرية في سانت لويس ، نشرت تعهدًا لضمان ألا تكون عائلة فايس عبئًا على المجتمع.

نشأ فايس في مدينة نيويورك ، حيث التحق في البداية بمدرسة عامة. في الصف الخامس ، حصل على منحة دراسية عبر منظمة محلية لإغاثة اللاجئين للانضمام مدرسة كولومبيا نحوي - مدرسة خاصة في وسط مانهاتن ، والتي ارتبطت في وقت من الأوقات بإعداد الطلاب لها جامعة كولومبيا. كانت الموسيقى والعلوم والتاريخ دوراته المفضلة ، وعندما كان مراهقًا قام ببناء أنظمة صوتية مخصصة عالية الدقة أو "هاي فاي" لعشاق الموسيقى الكلاسيكية.

هذا الاهتمام وفضوله هو الذي قاده في النهاية إلى الفيزياء. سعياً إلى إعادة إنتاج الصوت بشكل مثالي ، حاول فايس التخلص إلكترونيًا من ضوضاء الخلفية التي تصدرها إبرة الفونوغراف أثناء تحركها على طول الأخدود في تسجيل قديم الطراز ، والذي شوه الموسيقى. لكن جهوده فشلت وقرر الذهاب إلى الكلية لتعلم ما يكفي لتمكينه من حل المشكلة. بدأ هذا التعليم في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) في 1950.

الإلكترونيات للفيزياء ، عبر منعطف

بصفته رائدًا في الهندسة الكهربائية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، كان من المتوقع أن يتعلم ويس عن المولدات وخطوط النقل قبل أن يتمكن من دراسة الإلكترونيات التي تثير اهتمامه حقًا. لم تكن هذه الخطة الصارمة حسب ذوقه ، لذلك تحول في سنته الثانية إلى الفيزياء ، لأن "متطلباتها أقل" ومناهج أكثر مرونة. لكن هذا لم ينجح على الفور أيضًا. في عام 1952 ، وقع فايس في حب شابة عازفة بيانو. لم تنته العلاقة بشكل جيد ، وحزن القلب ، فشل فايس في جميع دوراته واضطر إلى مغادرة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

لكن لم نفقد كل شيء. بحلول ربيع عام 1953 ، عاد إلى معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا كفني يعمل في مختبر الشعاع الذري للفيزيائي جيرولد زكريا، الذي طور أول ساعة ذرية. يتذكر فايس "العلم الذي يتم إجراؤه في ذلك المختبر كان رائعًا". كانت التجارب هناك تبحث في خصائص الذرات المنفردة والجزيئات المعزولة التي لم تتأثر بالأنظمة المجاورة. كانت كل ذرة هي نفسها التي تليها وكان من الممكن طرح أسئلة أساسية حول هيكلها والتفاعلات التي جمعتها معًا ". ما بدأ كدور في مساعدة طلاب الدراسات العليا في مشاريع أطروحتهم أدى في النهاية إلى عمل فايس مباشرةً مع زكريا على تطوير ساعة شعاع السيزيوم الذري، والذي سيصبح في النهاية تم اعتماده كمعيار زمني لمكتب المعايير (الآن المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا) والبحرية الأمريكية.

تحت إشراف زكريا ، أكمل فايس عمله بكالوريوس فيزياء ثم دكتوراه عام 1962، وتعرفت على التجارب عالية الدقة ، وهو موضوع رئيسي أدى إلى LIGO. نشأ موضوع رئيسي آخر عندما عمل فايس كباحث مشارك تحت إشراف عالم الفلك والفيزياء روبرت ديك في جامعة برينستونالذي يسميه فايس "أحد الأبطال في حياتي". نظر Dicke و Weiss في تطوير نسخة حديثة من تجربة Eötvös، لفهم مبدأ التكافؤ للنسبية العامة من خلال إثبات تكافؤ كتلة القصور الذاتي وكتلة الجاذبية. نظرًا لأن نظرية الجاذبية الجديدة لديكي جمعت بين حقل قياسي وحقل موتر للنسبية العامة ، كانت فكرته هي بناء تجربة يمكن أن تقيس كيفية اهتزاز الأرض بأكملها ، على شكل موجة جاذبية تمر بها. كان الهدف من التجربة هو قياس طيف إشعاع الجاذبية القياسي ، لكنهم وجدوا أن حساسية مقياس الجاذبية الكوارتز لديهم كانت محدودة للغاية بسبب الضوضاء الجيوفيزيائية. على الرغم من عدم نجاح الدراسة ، تعلم وايس تقنيات تجريبية كان ديك رائدًا فيها ، وستثبت في النهاية أنها ضرورية لـ LIGO ، والعديد من تجارب الفيزياء الأخرى أيضًا. في الواقع ، وجد فايس أن هذين العامين في جامعة برينستون "كانا مهمين للغاية في تطوري العلمي".

بعد التحاقه بكلية الفيزياء بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا كأستاذ مساعد عام 1964 ، عمل فايس في مشروع كوني يقيس طيف الخلفية الكونية الميكروية (CMB)، بقايا الانفجار العظيم الذي لا يزال يملأ الكون. ساهم في البحث الذي يثبت أن CMB يتبع منحنى الجسم الأسود المثالي تقريبًا بدرجة حرارة مصدر تبلغ 2.7 كلفن - أدى اكتشافه إلى 2006 جائزة نوبل لكبار العلماء ، جون ماثر وجورج سموت.

قياس الجاذبية في الفصل

واصل فايس التفكير في موجات الجاذبية ، خاصة عندما طُلب منه تقديم دورة في النسبية العامة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. لم يكن هذا سهلا. إن رياضيات النسبية العامة شاقة ، والدورات التي تدرس الموضوع كانت رياضية أكثر منها فيزيائية. يقول فايس ، وهو يناقش الأمر اليوم ، "أنا لست مُنظِّرًا. أنا سباك ... سباك فراغ ، سباك إلكتروني ، لكن سباك ". لذلك تعلم هو وطلابه الرياضيات معًا - ولكن ، بشكل غير متوقع ، أصبحت خلفيته التجريبية مهمة للغاية.

كما يشرح فايس ، في ذلك الوقت كان جوزيف ويبر من جامعة ماريلاند يحاول اكتشاف موجات الجاذبية عن طريق قياس التغير في طول أسطوانات الألمنيوم الكبيرة عندما اجتاحت الموجة. عندما سأل الطلاب فايس عن هذه القياسات ، ابتكر طريقة تربوية جيدانكين تجربة لتظهر من حيث المبدأ كيف يمكن صنعها. ضع كتلتين بعيدًا عن بعضهما البعض في مساحة خالية ، إحداهما باستخدام ليزر نابض والأخرى بمرآة. الآن قم بقياس وقت السفر ذهابًا وإيابًا لضوء الليزر - وبالتالي المسافة. إذا غيرت موجة جاذبية عابرة المسافة ، فإن القياسات الزمنية الدقيقة بشكل كافٍ ستظهر التأثير. نظرًا لأن جميع القياسات يتم إجراؤها في المكان والزمان لليزر ، فإن حساب النسبية العامة يصبح واضحًا - في الواقع ، عيّنها فايس كمشكلة فئة.

لم يتم تكرار اكتشاف ويبر المزعوم لموجات الجاذبية في عام 1969 ، لكن المثال الذي ألهمه عمله نما إلى LIGO. حسَّن فايس الفكرة الأصلية بإضافة مسار شعاع ثانٍ مع مرآة في أحد طرفيه ، مثبتة بزوايا قائمة على المسار الأول في شكل "L" مع فاصل شعاع عند التقاطع. هذا مقياس تداخل ميكلسون ، الذي أجرى قياسات فائقة الدقة لسرعة الضوء في تجربة ميشيلسون مورلي عام 1887 وكذلك طيف إشعاع الخلفية الكونية. في النسبية العامة ، فإن موجة الجاذبية التي تنتقل بشكل عمودي على مستوى الذراعين ستطيل أحدهما وتتقلص الأخرى ، مما يغير كيفية تداخل موجات الضوء في الذراعين. وخلص فايس إلى أن هذا سيكون أكثر حساسية بكثير من قياس وقت السفر على طول مسار واحد.

يتذكر وايس كيف أنه في صيف عام 1971 "جلس في غرفة صغيرة يحسب كل الأشياء التي قد تتداخل مع تلك التجربة" بما في ذلك مصادر الضوضاء. كانت نتيجته رائعة: بأذرع يبلغ طولها عدة كيلومترات ، سيكون من الممكن قياس التغييرات في المسافة التي لا تزيد عن 10^-18 م - بالكاد جزء من ألف من حجم البروتون - حيث أن موجات الجاذبية العابرة تشدد على الفضاء لتسبب إجهادًا بمقدار 10^-21.

سرير الاختبار والملاحظات الأولى

كان بعض زملاء فايس متشككين بشأن موجات الجاذبية لكنه واصل تطوير فكرته. وقد تلقت تحققًا تجريبيًا عندما أنجزت مقاييس تداخل اختبارية صغيرة في مختبره وبواسطة مجموعة ألمانية حساباته. جاء دعم أوسع بعد عام 1975 ، عندما أعاد فايس الاتصال بأحد معارفه من أيام برنستون ، وهو عالم الفيزياء النظرية بمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا كيب ثورن. نظرًا لإمكانية إجراء أبحاث حول موجات الجاذبية ، أيد ثورن فكرة فايس في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. في عام 1979 المؤسسة الوطنية للعلوم بتمويل معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لإجراء دراسة جدوى للكشف عن قياس التداخل. بحلول عام 1990 ، دعمت LIGO كعملية Caltech-MIT بأكبر منحة قدمتها على الإطلاق. سمح ذلك ببناء كاشفات متطابقة بأذرع بطول 4 كم هانفورد ، واشنطن وليفينجستون ، لويزيانا، لدراسات المصادفة لتأكيد أي مشاهد. تضمنت العديد من المفاهيم التقنية التي طورها الفيزيائي التجريبي رونالد دريفير من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.

بعد أن بدأ LIGO عملياته في عام 2002 ، حقق الحساسية المتوقعة ، ولكن لمدة تسع سنوات ، لم يتم اكتشاف أي موجات ثقالية. ثم تم تحسين الأجهزة بشكل كبير ، مع عزل أفضل عن مصادر الضوضاء ، مما أدى إلى "LIGO المتقدم" (aLIGO) بعد أكثر من خمس سنوات. مع حساسية معززة 10 أضعاف ، على 14 سبتمبر 2015 ، aLIGO قام بأول ملاحظة على الإطلاق لموجات الجاذبية التي جاءت من ثقبين أسودين مدمجين - وهو اكتشاف معجزة حيث كانت الآلة لا تزال قيد المعايرة لأول تشغيل رسمي (عالم الفيزياء 2017. 30 (10) 33).

بعد بضع سنوات ، على في 17 أغسطس 2017 ، أجرى aLIGO أول ملاحظة على الإطلاق لموجات الجاذبية من نجمين نيوترونيين مدمجين (شارك أيضًا كاشف الموجات الثقالية برج العذراء في إيطاليا). لم تكن هذه أحداثًا منعزلة. بحلول نهاية جولة المراقبة الأخيرة ، التي اكتملت في أواخر عام 2021 ، أبلغت aLIGO عن إجمالي 90 ملاحظة لعمليات اندماج ثقبين أسودين (الأغلبية) أو نجمين نيوترونيين أو ثقب أسود ونجم نيوتروني. 

إذا نظرنا إلى الوراء ، أنظر إلى الأمام

عند التفكير في هذه السنوات السبع الأولى من علم فلك الجاذبية ، يكون فايس مبتهجًا. يقول: "أعتقد أن ليجو قد حقق نجاحًا هائلاً" ، مشيدًا بشكل خاص بكيفية التحقق من صحة النسبية العامة والفيزياء الفلكية للثقب الأسود. تُظهر نتائج LIGO أننا نفهم الثقوب السوداء جيدًا بما يكفي للتنبؤ بتفاصيل تفاعلها بين الجسمين ، والتي يصعب حسابها ضمن النسبية العامة مثل مشكلة الأجسام الثلاثة في الفيزياء الكلاسيكية. النتيجة الأخرى هي كتالوج LIGO للتفاعلات بين الثقوب السوداء ذات الكتل المتفاوتة ، والذي يعطي أدلة حول كيفية تشكلها في الثقوب السوداء الهائلة في مراكز المجرات.

ويذكر فايس أيضًا حدثًا معينًا "تسبب في أكبر ضجة [و] أنتج الكثير من العلوم بشكل لا يصدق". نجم عن اصطدام النجمين النيوترونيين اللذان تمت ملاحظتهما في عام 2017 توليد إشعاع كهرومغناطيسي أيضًا ، من أشعة غاما إلى موجات الراديو ، والتي تم تعقبها بواسطة المراصد حول العالم (انظر "رسول كوني جديدبقلم إيمري بارتوس). أعطى هذا المثال الرئيسي لعلم الفلك "متعدد الرسل" موقعًا دقيقًا للحدث ؛ أظهر أن التفاعل أنتج الذهب والبلاتين ، مما أعطى رؤية جديدة لكيفية صنع النجوم للعناصر الثقيلة ؛ أكد أن موجات الجاذبية تنتقل بسرعة الضوء بالضبط ؛ وقدم طريقة جديدة لقياس ثابت هابل وربما كان يكمن في التخلص من الشكوك الحالية حول قيمته.

يزداد حماس فايس عندما يُسأل عن مستقبل علم الفلك الثقالي. سيكون أحد المكونات هو مقياس تداخل المستكشف الكوني، مقترح من قبل ماثيو ايفانز و نرجس مافالفالا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. يدعم Weiss بقوة هذا الجهاز من الجيل التالي ، والذي ستجعله أذرعه التي يبلغ طولها 40 كم أكثر حساسية بعشر مرات من LIGO المتقدم. العلماء الأوروبيون يفكرون في المثلث تلسكوب اينشتاين بأذرع يبلغ طولها 10 كيلومترات ، وتقترح وكالة الفضاء الأوروبية إطلاق المثلث هوائي الفضاء التداخل الليزر (LISA) في الثلاثينيات. مركباتها الفضائية الثلاث - المتباعدة 2030 مليون كيلومتر وتحمل أشعة الليزر والمرايا - ستشكل كاشفًا شديد الحساسية.

سيستجيب كل كاشف للترددات المختلفة لموجات الجاذبية ، والتي تعتمد عكسيًا على كتلة الجسم المشع. بقدر ما يستخدم علم الفلك المنتظم أجزاء مختلفة من الطيف الكهرومغناطيسي لدراسة الظواهر السماوية المتنوعة ، لذلك بدأنا في رؤية مراصد الجاذبية التي تم ضبطها لاكتشاف فئات مختلفة من أحداث الجاذبية. بالنسبة للثقوب السوداء ، تتراوح الاحتمالات من البحث عن ثقوب سوداء أولية افتراضية صغيرة إلى فهم كيفية ارتباط الثقوب السوداء فائقة الكتلة بتكوين المجرات. ستعمل موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج النجوم النيوترونية على تعميق معرفتنا بالتطور النجمي والمادة النووية الكثيفة. قد تنشأ أيضًا من النجوم النابضة لتكمل ما تكشف عنه الموجات الكهرومغناطيسية. بشكل أكثر تخمينًا ، يقترح بعض الباحثين أن طرق المراسلة المتعددة قد تُظهر ما إذا كان الثقب الأسود الهائل في مركز مجرتنا هو بالفعل أحد طرفي الثقب الدودي.

أكثر ما يثير فايس بشأن هذه الكواشف القادمة هو أنها تستطيع "القيام بعلم مذهل من خلال إدخال المجال في علم الكونيات ، دراسة الكون كله." كما يشرح ، المنظر الروسي أليكسي ستاروبينسكيǐ لقد أظهر أنه إذا بدأ تذبذب الفراغ الكون ، فعندما خضع الكون لتضخم كوني سريع ، فإن التسارع الذي لا يمكن تصوره سينتج الكثير من موجات الجاذبية منخفضة التردد. مثل إشعاع الخلفية الكونية ، ستشكل هذه الخلفية العالمية المتبقية ، ولكنها نشأت من وقت قريب جدًا من الانفجار العظيم وتحمل معلومات جديدة حول العمليات المبكرة مثل تكوين المادة المظلمة. سيكون من الصعب اكتشاف هذه الموجات ، لكن الباحثين يخططون لمجموعة من الكواشف الأرضية والفضائية التي من شأنها أن تشكل أداة جديدة لمهاجمة بعض الأسئلة الكبيرة في الفيزياء وعلم الفلك وعلم الكونيات.

ولكن بينما كان يتأمل حياته المهنية الطويلة وأبحاثه المستقبلية ، لا يرغب فايس في تلخيص الأمور بقوله ببساطة "أنا لست من هذا النوع من الرجال". قد يكون من المخيب للآمال عدم الحصول على لدغة أخيرة ، ولكن بعد ذلك ، في التزامه الممتد لعقود من الزمن لبناء LIGO بنجاح ، في رؤيته لمواصلة تطوير علم الموجات الثقالية ، وفي شغفه المعدي لكليهما ، قال راينر فايس بالفعل ببلاغة كل ما يريد قوله.