Rainer Weiss: 50 سال LIGO و امواج گرانشی

راینر وایس، فیزیکدان ساده، بی ادعا و مشتاق به بحث در مورد تحقیقاتش، بسیار آسان است. پنج سال پیش، کار او نصف درآمد را برای او به ارمغان آورد جایزه نوبل فیزیک 2017، با نیمی دیگر به Barry Barish و Kip Thorne، برای "سهم تعیین کننده به آشکارساز LIGO و مشاهده امواج گرانشی". مستقر در آمریکا تداخل سنج لیزری رصدخانه امواج گرانشی (LIGO) جایی است که امواج گرانشی برای اولین بار در سال 2015 مشاهده شد و به طور قطع آخرین پیش بینی آزمایش نشده باقیمانده از نظریه نسبیت عام صد ساله آلبرت انیشتین را تایید کرد.

علیرغم اینکه انیشتین وجود آنها را به تصویر می کشید، خود تردید داشت که این امواج هرگز قابل مشاهده باشند زیرا بسیار ضعیف هستند. ایده موفقیت آمیز ویس برای استفاده از تداخل سنجی لیزری سرانجام این امکان را فراهم کرد اولین مشاهده - امواج گرانشی ساطع شده از ادغام دو سیاهچاله در فاصله 1.3 میلیارد سال نوری از زمین - و بسیاری موارد دیگر که LIGO از آن زمان شناسایی کرده است. دهه‌ها تلاش ویس، همکارانش در نوبل و بسیاری دیگر طول کشید، و این کشف نشان‌دهنده یک اوج در فیزیک بود که همچنین آغازگر دوره جدیدی در نجوم بود. از زمان ظهور نجوم رصدی، ما جهان را عمدتاً با مشاهده نور مرئی و سپس طیف وسیعی از امواج الکترومغناطیسی اسکن می‌کردیم. اکنون امواج گرانشی توانستند روش جدیدی برای بررسی بسیاری از پدیده های کیهانی ارائه دهند. تنها هفت سال پس از تولد اخترشناسی گرانشی، دانش جدید بسیار ارزشمندی تولید کرده است.

از آلمان نازی به ایالات متحده، از طریق پراگ

هر یک از سه برنده جایزه نوبل، مسیر خود را به سمت این موفقیت ها دنبال کردند. مسیر وایس نشان می‌دهد که چگونه فیزیکدانان تجربی با استعداد شکل می‌گیرند، چگونه ایده‌های علمی جدید می‌توانند از مسیرهای غیرمنتظره بیایند، و چگونه پشتکار محض برای به ثمر رساندن یک آزمایش فیزیک در مقیاس بزرگ لازم است.

وایس در 29 سپتامبر 1932 در برلین، آلمان در زمان به قدرت رسیدن نازی ها به دنیا آمد. پدر وایس، فردریک، که راینر از جوانی او را «یک کمونیست سرسخت و آرمان‌گرا» توصیف می‌کند، یک پزشک بود. فردریک به عنوان یک یهودی و یک کمونیست ضد نازی، که علیه یک پزشک نازی متهم به سوء رفتار شهادت داده بود، زمانی که مادر راینر، گرترود، از او باردار بود، توسط نازی ها بازداشت شد. فردریک به دستور همسر مسیحی‌اش که خانواده‌اش تماس‌های محلی داشتند، آزاد شد و به پراگ فرستاده شد. هنگامی که راینر به دنیا آمد، گرترود با نوزاد جدیدش به فردریک در چکسلواکی پیوست، جایی که این زوج در سال 1937 صاحب فرزند دیگری به نام سیبیل شدند.

اما زمانی که قرارداد مونیخ 1938 به نیروهای آلمانی اجازه ورود به چکسلواکی را داد، خانواده مجبور شد یک بار دیگر فرار کند. راینر در بیوگرافی نوبل خود به یاد می آورد: «ما تصمیم را از طریق رادیو در تعطیلات در اسلواکی شنیدیم و به گروه بزرگی از مردم پیوستیم که به سمت پراگ می رفتند تا برای مهاجرت به تقریباً هر جای دیگری در جهان که یهودیان را می پذیرد، ویزای دریافت کنند. . خانواده در سال 1939 به ایالات متحده نقل مکان کردند. طبق قانون مهاجرت در آن زمان، این امر تنها به دلیل حرفه فردریک و به این دلیل امکان پذیر بود که یک "زن بسیار شگفت انگیز" همانطور که وایس او را می نامد، از خانواده بشردوستانه Stix در سنت لوئیس، یک وثیقه فرستاد. تضمین کند که ویس ها باری بر دوش جامعه نخواهند بود.

وایس در شهر نیویورک بزرگ شد، جایی که در ابتدا به مدرسه دولتی رفت. در کلاس پنجم، از طریق یک سازمان امداد پناهندگان محلی برای پیوستن به آن، بورسیه تحصیلی دریافت کرد مدرسه گرامر کلمبیا - یک مدرسه خصوصی در اواسط منهتن، که زمانی با آماده کردن دانش آموزان همراه بود دانشگاه کلمبیا. موسیقی، علم و تاریخ دوره‌های مورد علاقه او بودند و در نوجوانی سیستم‌های صوتی با کیفیت بالا یا «hi-fi» را برای دوستداران موسیقی کلاسیک ساخت.

این علاقه و کنجکاوی خودش در نهایت او را به فیزیک کشاند. ویس در جستجوی بازتولید صدای بی نقص، سعی کرد به صورت الکترونیکی صدای پس زمینه سوزن گرامافون را در حین حرکت در امتداد شیار در یک صفحه قدیمی حذف کند که موسیقی را مخدوش کرد. اما تلاش های او شکست خورد و تصمیم گرفت به کالج برود تا به اندازه کافی یاد بگیرد تا بتواند مشکل را حل کند. که آموزش در آغاز شد موسسه فناوری ماساچوست (MIT) در 1950.

الکترونیک به فیزیک، از طریق یک مسیر انحرافی

به عنوان یک رشته مهندسی برق در MIT، انتظار می رفت که وایس قبل از اینکه بتواند الکترونیکی را که واقعاً برایش جالب بود مطالعه کند، در مورد ژنراتورها و خطوط انتقال اطلاعات بیاموزد. این طرح سفت و سخت به مذاق او خوش نیامد، بنابراین در سال دوم تحصیلی به فیزیک روی آورد، زیرا "نیازهای کمتری داشت" و برنامه درسی انعطاف پذیرتر. اما آن هم بلافاصله جواب نداد. ویس در سال 1952 عاشق زن جوانی شد که پیانیست بود. این رابطه عاقبت به خیر نشد و ویس با دلشکستگی تمام دوره های خود را شکست داد و مجبور شد MIT را ترک کند.

اما همه چیز از دست نرفته بود. در بهار سال 1953، او به عنوان تکنسین به MIT بازگشت آزمایشگاه پرتو اتمی فیزیکدان جرولد زاخاریاسکه اولین ساعت اتمی را ساخته بود. وایس به یاد می آورد: «علمی که در آن آزمایشگاه انجام می شد بسیار عالی بود. آزمایش‌ها در آنجا به بررسی ویژگی‌های اتم‌ها و مولکول‌های منفرد می‌گردند که توسط سیستم‌های همسایه آشفته نشده‌اند. هر اتم مانند اتم بعدی بود و می‌توان سؤالات اساسی درباره ساختار آنها و فعل و انفعالاتی که آنها را در کنار هم نگه می‌داشت، پرسید. چیزی که به عنوان کمک به دانش‌آموزان در انجام پروژه‌های پایان‌نامه آغاز شد، در نهایت منجر به همکاری مستقیم ویس با زکریا در توسعه این پروژه شد. ساعت پرتو اتمی سزیم، که در نهایت ادامه پیدا می کند به عنوان استاندارد زمان برای اداره استانداردها (در حال حاضر موسسه ملی استاندارد و فناوری) و نیروی دریایی ایالات متحده به تصویب رسید.

ویس تحت نظر زکریا تکمیل کرد مدرک لیسانس فیزیک، سپس دکترا در سال 1962، و در مورد آزمایش با دقت بالا، یک موضوع کلیدی که منجر به LIGO شد، یاد گرفت. یک موضوع کلیدی دیگر زمانی مطرح شد که وایس به عنوان همکار پژوهشی زیر نظر ستاره شناس و فیزیکدان کار می کرد. رابرت دیک در دانشگاه پرینستون، که ویس او را "یکی از قهرمانان زندگی من" می نامد. دیک و وایس به دنبال توسعه یک نسخه مدرن از آن بودند آزمایش Eötvös، برای درک اصل هم ارزی نسبیت عام با اثبات هم ارزی جرم اینرسی و گرانشی. از آنجایی که نظریه جدید گرانش دیک یک میدان اسکالر را با میدان تانسور نسبیت عام ترکیب می‌کرد، ایده او ساخت آزمایشی بود که می‌توانست نحوه ارتعاش کل زمین را اندازه‌گیری کند، در صورتی که یک موج گرانشی عبور کند. هدف از این آزمایش اندازه گیری طیف تابش گرانشی اسکالر بود، اما آنها دریافتند که حساسیت گرانش سنج کوارتز آنها به دلیل نویز ژئوفیزیکی به شدت محدود شده است. علیرغم اینکه این مطالعه ناموفق بود، وایس تکنیک های تجربی را آموخت که دیک پیشگام بود و در نهایت برای LIGO و بسیاری دیگر از آزمایش های فیزیک ضروری بود. در واقع، وایس دریافت که آن دو سال در پرینستون "عمیقاً در رشد علمی من مهم بود".

پس از پیوستن به دانشکده فیزیک MIT به عنوان استادیار در سال 1964، وایس روی یک پروژه کیهانی کار کرد که طیف پس‌زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) را اندازه‌گیری کرد.، یادگار بیگ بنگ که هنوز جهان را پر می کند. او در تحقیقاتی که نشان می دهد که CMB منحنی تقریبا کامل جسم سیاه با دمای منبع 2.7K را دنبال می کند - که کشف آن منجر به جایزه نوبل 2006 برای دانشمندان برجسته، جان ماتر و جورج اسموت.

اندازه گیری گرانش در کلاس درس

وایس به فکر کردن درباره امواج گرانشی ادامه داد، به خصوص زمانی که از او خواسته شد تا دروسی در نسبیت عام در MIT ارائه دهد. این کار آسانی نبود. ریاضیات نسبیت عام دلهره آور است و دوره هایی که این موضوع را آموزش می دادند بیشتر ریاضی بودند تا فیزیکی. ویس که امروز درباره آن بحث می کند، می گوید: «من یک نظریه پرداز نیستم. من یک لوله کش هستم... یک لوله کش خلاء، یک لوله کش الکترونیکی، اما یک لوله کش." بنابراین او و دانش‌آموزانش ریاضیات را با هم یاد گرفتند – اما به‌طور غیرمنتظره‌ای، سابقه تجربی او بسیار مهم شد.

همانطور که ویس توضیح می دهد، در آن زمان جوزف وبر از دانشگاه مریلند در تلاش برای تشخیص امواج گرانشی بود با اندازه‌گیری تغییر طول استوانه‌های آلومینیومی بزرگ به عنوان موجی که از آن عبور می‌کند. وقتی دانش‌آموزان از ویس در مورد چنین اندازه‌گیری‌هایی پرسیدند، او یک برنامه آموزشی ارائه کرد اندیشه ها آزمایش کنید تا در اصل نشان دهید چگونه می توان آنها را ساخت. دو جرم را با فاصله ای از هم در فضای آزاد قرار دهید، یکی با لیزر پالسی و دیگری با آینه. اکنون زمان سفر رفت و برگشت نور لیزر - و در نتیجه فاصله را اندازه گیری کنید. اگر یک موج گرانشی عبوری فاصله را تغییر دهد، اندازه‌گیری‌های زمانی به اندازه کافی دقیق این اثر را نشان می‌دهند. از آنجایی که همه اندازه‌گیری‌ها در مکان فضا-زمان لیزر انجام می‌شوند، محاسبه نسبیت عام ساده می‌شود - در واقع، ویس آن را به عنوان یک مسئله کلاسی نسبت داد.

کشف امواج گرانشی ادعا شده توسط وبر در سال 1969 هرگز تکرار نشد، اما نمونه ای که کار او الهام گرفته بود به LIGO تبدیل شد. ویس ایده اصلی را با اضافه کردن یک مسیر پرتو دوم با یک آینه در یک انتها، که در زوایای قائم به مسیر اول به شکل "L" با یک تقسیم کننده پرتو در محل اتصال تنظیم شده بود، بهبود بخشید. این تداخل سنج مایکلسون است که اندازه گیری های بسیار دقیقی از سرعت نور در آزمایش مایکلسون- مورلی در سال 1887 و همچنین طیف CMB انجام داد. در نسبیت عام، یک موج گرانشی که عمود بر صفحه بازوها حرکت می کند، یکی را طولانی و دیگری را منقبض می کند و نحوه تداخل امواج نور در دو بازو را تغییر می دهد. ویس نتیجه گرفت که این امر بسیار حساس تر از اندازه گیری زمان سفر در یک مسیر است.

وایس به یاد می آورد که چگونه در تابستان 1971 "در اتاق کوچکی نشسته و تمام چیزهایی را که در آزمایش مزاحم می شوند" از جمله منابع نویز محاسبه می کند. نتیجه او قابل توجه بود: با بازوهایی به طول چندین کیلومتر، می توان تغییرات فاصله را به اندازه 10 اندازه گیری کرد.^-18 m - به سختی یک هزارم اندازه یک پروتون - به عنوان یک امواج گرانشی عبوری به فضا فشار می آورد و باعث ایجاد کرنش 10 می شود.^-21.

تخت تست و اولین مشاهدات

برخی از همکاران وایس در مورد امواج گرانشی شک داشتند اما او به توسعه ایده خود ادامه داد. زمانی که تداخل‌سنج‌های آزمایشی کوچکی که در آزمایشگاه او ساخته شد و توسط یک گروه آلمانی محاسبات او را انجام داد، تأیید آزمایشی دریافت کرد. پس از سال 1975، زمانی که وایس دوباره با یکی از آشنایان دوران پرینستون خود ارتباط برقرار کرد، حمایت گسترده‌تری حاصل شد. کیپ تورن، فیزیکدان نظری کلتک. تورن با مشاهده پتانسیل تحقیقات امواج گرانشی، از ایده وایس در Caltech حمایت کرد. در سال 1979 بنیاد ملی علوم Caltech و MIT را برای انجام یک مطالعه امکان سنجی تشخیص تداخل سنجی تامین مالی کرد. تا سال 1990 از LIGO به عنوان یک عملیات Caltech-MIT با بزرگترین کمک هزینه ای که تا کنون داده بود پشتیبانی کرد. این امکان ساخت آشکارسازهای یکسان با بازوهایی به طول 4 کیلومتر را فراهم کرد هانفورد، واشنگتن و لیوینگستون، لوئیزیانا، برای مطالعات تصادفی برای تأیید هر گونه مشاهده. اینها مفاهیم فنی بسیاری را که توسط فیزیکدان تجربی ایجاد شده بود، در خود جای دادند رونالد درور از کلتک.

پس از آغاز عملیات LIGO در سال 2002، به حساسیت پیش بینی شده دست یافت، اما به مدت XNUMX سال، هیچ امواج گرانشی شناسایی نشد. سپس دستگاه‌ها به طور قابل توجهی بهبود یافتند، با جداسازی بهتر از منابع نویز، که نتیجه آن شد "LIGO پیشرفته" (aLIGO) بیش از پنج سال بعد با حساسیت 10 برابر افزایش یافته، روشن 14 سپتامبر 2015، aLIGO اولین رصد امواج گرانشی را انجام داد که از دو سیاهچاله ادغام شده بودند - یک کشف معجزه آسا زیرا ماشین هنوز برای اولین بار رسمی کالیبره می شد.دنیای فیزیک 2017. 30 10 33).

چند سال بعد، در در 17 آگوست 2017، aLIGO اولین رصد امواج گرانشی را از دو ستاره نوترونی در حال ادغام انجام داد. ( آشکارساز امواج گرانشی Virgo در ایتالیا نیز شرکت کرد). اینها رویدادهای منفرد نبودند. در پایان آخرین رصد خود، که در اواخر سال 2021 تکمیل شد، aLIGO در مجموع گزارش داده بود 90 مشاهده از ادغام دو سیاهچاله (اکثریت)، دو ستاره نوترونی یا یک سیاهچاله و یک ستاره نوترونی. 

نگاه کردن به عقب، نگاه کردن به جلو

وقتی ویس به این هفت سال اول نجوم گرانشی فکر می کند، خوشحال می شود. او می‌گوید: «فکر می‌کنم LIGO موفقیت فوق‌العاده‌ای بوده است. نتایج LIGO نشان می‌دهد که ما سیاه‌چاله‌ها را به‌خوبی درک می‌کنیم تا بتوانیم جزئیات برهم‌کنش دو جسمی آن‌ها را پیش‌بینی کنیم، که در نسبیت عام محاسبه آن به اندازه مشکل سه جسم در فیزیک کلاسیک دشوار است. نتیجه دیگر کاتالوگ LIGO از برهمکنش‌های بین سیاهچاله‌ها با جرم‌های مختلف است که سرنخ‌هایی در مورد چگونگی شکل‌گیری آن‌ها به سیاه‌چاله‌های بسیار پرجرم در مرکز کهکشان‌ها به دست می‌دهد.

وایس همچنین یک رویداد خاص را که "بزرگترین غوغا را به راه انداخت [و] آنقدر علم تولید کرد که غیرقابل باور است" را مشخص می کند. دو ستاره نوترونی برخوردی که در سال 2017 مشاهده شد، تشعشعات الکترومغناطیسی نیز تولید کردند، از پرتوهای گاما تا امواج رادیویی، که توسط رصدخانه‌های سراسر جهان ردیابی شد (نگاه کنید به "یک پیام رسان کیهانی جدید” توسط ایمره بارتوس). این نمونه بارز نجوم «چند پیام رسان» مکان دقیقی را برای این رویداد به دست داد. نشان داد که این برهمکنش طلا و پلاتین تولید می‌کند و بینش جدیدی در مورد چگونگی ساخت عناصر سنگین ستاره‌ها ارائه می‌کند. تایید کرد که امواج گرانشی دقیقاً با سرعت نور حرکت می کنند. و راه جدیدی برای اندازه گیری ثابت هابل و شاید برای رفع عدم قطعیت های فعلی در مورد مقدار آن ارائه کرد.

وقتی از ویس در مورد آینده نجوم گرانشی سوال می شود، شور و شوق او بیشتر می شود. یک جزء خواهد بود تداخل سنج کاوشگر کیهانی، پیشنهاد شده توسط متیو ایوانز و نرگیس ماوالوالا در MIT وایس به شدت از این دستگاه نسل بعدی پشتیبانی می کند که بازوهای 40 کیلومتری آن 10 برابر حساس تر از LIGO پیشرفته است. دانشمندان اروپایی در حال بررسی مثلثی هستند تلسکوپ انیشتین با بازوهایی به طول 10 کیلومتر، و آژانس فضایی اروپا پرتاب مثلثی را پیشنهاد می کند آنتن فضایی تداخل سنج لیزری (LISA) در دهه 2030. سه فضاپیمای آن - با فاصله 2.5 میلیون کیلومتری از هم و حامل لیزر و آینه - یک آشکارساز بسیار حساس را تشکیل خواهند داد.

هر آشکارساز به فرکانس های متفاوتی از امواج گرانشی پاسخ می دهد که به طور معکوس به جرم جسم تابشی بستگی دارد. همانطور که نجوم منظم از بخش‌های مختلف طیف الکترومغناطیسی برای مطالعه پدیده‌های مختلف آسمانی استفاده می‌کند، بنابراین ما شروع به دیدن رصدخانه‌های گرانشی می‌کنیم که برای شناسایی کلاس‌های مختلف رویدادهای گرانشی تنظیم شده‌اند. برای سیاهچاله ها، از جستجوی سیاهچاله های اولیه فرضی کوچک تا درک چگونگی ارتباط سیاهچاله های کلان پرجرم با تشکیل کهکشان ها متغیر است. امواج گرانشی ناشی از ادغام ستاره های نوترونی دانش ما را در مورد تکامل ستاره ها و ماده هسته ای متراکم عمیق تر خواهد کرد. آنها همچنین ممکن است از تپ اخترها برای تکمیل آنچه امواج الکترومغناطیسی در مورد آنها آشکار می کنند ایجاد شوند. به طور گمانه‌زنی‌تر، برخی از محققان پیشنهاد می‌کنند که روش‌های چند پیام‌رسان ممکن است نشان دهند که آیا سیاه‌چاله عظیم در مرکز کهکشان ما واقعاً یک انتهای کرم‌چاله است یا خیر.

چیزی که وایس را در مورد این آشکارسازهای آینده هیجان زده می کند این است که آنها می توانند "علم شگفت انگیزی را با وارد کردن این میدان به کیهان شناسی، مطالعه کل جهان، انجام دهند." همانطور که او توضیح می دهد، نظریه پرداز روسی الکسی استاروبینسکیǐ نشان داده است که اگر یک نوسان خلاء کیهان را آغاز کند، پس از آن که جهان تحت تورم سریع کیهانی قرار می‌گیرد، شتاب غیرقابل تصوری امواج گرانشی با فرکانس پایین زیادی تولید می‌کند. مانند تابش پس‌زمینه کیهانی، اینها یک پس‌زمینه جهانی باقی‌مانده را تشکیل می‌دهند، اما از زمانی بسیار نزدیک به انفجار بزرگ سرچشمه می‌گیرند و حاوی اطلاعات جدیدی درباره فرآیندهای اولیه مانند ایجاد ماده تاریک هستند. تشخیص این امواج دشوار است، اما محققان در حال برنامه‌ریزی ترکیبی از آشکارسازهای زمینی و فضایی هستند که ابزار جدیدی را برای حمله به برخی سؤالات بزرگ در فیزیک، نجوم و کیهان‌شناسی تشکیل می‌دهند.

اما در حالی که او در مورد حرفه طولانی و تحقیقات آینده خود فکر می کند، وایس نمی خواهد همه چیز را به سادگی خلاصه کند: «من آن جور آدمی نیستم». شاید ناامید کننده باشد که صدای نهایی را نداشته باشیم، اما بعد از آن، راینر وایس در تعهد چند دهه ای خود به ساخت موفقیت آمیز LIGO، در چشم انداز خود برای پیشرفت بیشتر علم امواج گرانشی، و در اشتیاق مسری خود به هر دو، قبلاً به شیوایی گفته است. هر چیزی که او باید بگوید