قسمت 11: وقتی ساختار جهان به لرزه در می آید: امواج گرانشی و انبساط جهان

تکمیل این اپیزود

اگر مهمان یا اسپانسری جا افتاده، از فهرست موجود انتخاب کن یا نام تازه‌ای پیشنهاد بده. پیشنهادها بعد از بررسی مدیر عمومی می‌شوند.

متن منتشرشده توسط پادکستر

توضیحات اپیزود

آنچه می‌شنوید (و مقداری اطلاعات بیشتر) دربارهٔ این نوشته: این نوشته، روایت بازنویسی‌شدهٔ همین قسمت پادکسته. برای این‌که خوندنش راحت‌تر باشه، تکرارهای گفتاری حذف شده‌ان و هرجا لازم بوده، توضیح بیشتر و اصلاح علمی رو بر پایهٔ منابع معتبر به متن اضافه کرده‌ایم. خلاصه موج گرانشی رو با دیدن یک موج روشن در آسمون پیدا نمی‌کنیم؛ اثرش رو روی فاصله‌ها اندازه می‌گیریم. لایگو برای این کار از دو مسیر بلند و نور لیزر استفاده می‌کنه و تغییرهای بسیار کوچک رو با داده‌های آشکارساز دیگر و الگوهای نظری مقایسه می‌کنه. این قسمت از همین اندازه‌گیری شروع می‌شه. بعد، تفاوت موج گرانشی و نور رو روشن می‌کنیم و می‌بینیم نور دوردست چطور اطلاعاتی دربارهٔ انبساط جهان همراه خودش می‌آره. در ادامه به پرسشی می‌رسیم که زمانی خود اینشتین هم باهاش درگیر بود: آیا جهان در مقیاس بزرگ ثابت می‌مونه، یا تاریخ و تحول داره؟ اول فاصله رو تصور کنیم، بعد تغییرش رو چند ذرهٔ آزاد رو در نظر بگیرین که به شکل یک حلقه قرار گرفتن. آزاد یعنی نیروی تکیه‌گاه یا یک اتصال سخت، فاصله‌شون رو ثابت نگه نمی‌داره. یک موج گرانشی می‌تونه جدایی نسبی این ذره‌ها رو در یک جهت بیشتر و در جهت عمود بر اون کمتر کنه؛ بعد جهت کشیدگی و فشردگی عوض بشه. این تصویر ساده مربوط به صفحهٔ عمود بر مسیر انتشار موجه. قرار نیست موج همه‌چیز رو مثل باد به سمت جلو هل بده. به چنین تفاوتی در اثر روی نقطه‌های جدا، اثر کشندی می‌گیم. همین تفاوت نسبی، چیزی است که می‌خوایم اندازه بگیریم. یک خانه یا جسم سخت دقیقاً مثل ذره‌های آزاد پاسخ نمی‌ده؛ پیوندهای درونی، شکل و بسامدهای طبیعی اون هم مهمن. بنابراین نمی‌شه گفت عبور یک موج، هر فاصلهٔ یک‌متری رو همیشه به یک اندازه تغییر می‌ده. باید هم ویژگی موج و هم پاسخ ابزار رو مشخص کنیم. لایگو چطور یک اختلاف فاصله رو پیدا می‌کنه؟ در هر رصدخانهٔ لایگو، دو بازوی بلند عمود بر هم وجود داره. نور لیزر تقسیم می‌شه، در مسیر این بازوها میان آینه‌ها رفت‌وبرگشت می‌کنه و دوباره با هم ترکیب می‌شه. موج‌های نور بسته به اختلاف مسیر، می‌تونن همدیگه رو تقویت یا تضعیف کنن؛ این پدیده تداخل نام داره. اگر طول مؤثر دو مسیر نسبت به هم کمی تغییر کنه، وضعیت نور ترکیب‌شده هم تغییر می‌کنه. پس به‌جای این‌که یک خط‌کش معمولی کنار آینه‌ها بذاریم، از حساسیت تداخل نور به اختلاف مسیر استفاده می‌کنیم. طول بازوهای لایگو چهار کیلومتره و رفت‌وبرگشت‌های متعدد نور حساسیت اندازه‌گیری رو بیشتر می‌کنن. اندازهٔ نسبی تغییر طول رو کرنش می‌نامیم: مقدار تغییر تقسیم بر طول اولیه. برای رویداد نخست، این مقدار در مرتبهٔ ده به توان منفی ۲۱ بود. روی طول چهار کیلومتر، مقیاس تغییر حدود چهار در ده به توان منفی ۱۸ متر می‌شه؛ نه میلی‌متر و نه مقداری که با چشم دیده بشه. لایگو دربارهٔ آشکارساز و حساسیت آن از کجا می‌فهمیم فقط لرزش زمین نبوده؟ حساسیت زیاد به‌تنهایی کافی نیست. دستگاهی که تغییر کوچکی رو می‌سنجه، ممکنه از لرزش زمین، صدای محیط، تغییرات ابزار یا نویزهای دیگر هم اثر بگیره. برای همین، اندازه‌گیری محیط، عایق‌کردن ارتعاشی و بررسی رفتار آشکارساز بخش اصلی کاره. دو رصدخانهٔ جدا، یکی در هانفورد و دیگری در لیوینگستون، امکان مقایسه رو فراهم می‌کنن. یک پیام کیهانی باید با اختلاف زمانِ سازگار با فاصله و جهت آسمانی، در داده‌ها دیده بشه. شکل پیام هم با مدل‌های فیزیکی مقایسه می‌شه و احتمال تولید تصادفی چنین الگویی از نویز بررسی می‌شه. پس «دو دستگاه هم‌زمان تکان خوردن» پایان استدلال نیست. مجموعه‌ای از آزمون‌ها باید با هم سازگار باشن. این روش به ما یاد می‌ده که یک کشف دقیق، فقط هیجان دیدن یک نمودار عجیب نیست؛ جداکردن توضیح موردنظر از توضیح‌های جایگزین هم هست. نخستین پیام از کجا آمده بود؟ در ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵، دو آشکارساز لایگو پیامی ثبت کردن که با نزدیک‌شدن و ادغام دو سیاه‌چاله سازگار بود. وقتی دو جسم به هم نزدیک می‌شن، گردش اون‌ها سریع‌تر می‌شه و شکل موج هم تغییر می‌کنه. این روند، امضایی قابل محاسبه در داده به جا می‌ذاره. نتیجه پس از بررسی در فوریهٔ ۲۰۱۶ اعلام شد. ویرگو در ایتالیا در ثبت نخست حضور نداشت و در سال ۲۰۱۷ به رصد مشترک پیوست. تفکیک این تاریخ‌ها مهمه، چون «شبکهٔ امروزی آشکارسازها» همون مجموعه‌ای نیست که رویداد نخست رو ثبت کرد. گزارش رسمی رویداد GW150914 این پیام چه فرقی با نور داره؟ تا پیش از این مسیر، بیشتر شناخت رصدی ما از جهان با امواج الکترومغناطیسی گره خورده بود: نور دیدنی، رادیویی، فروسرخ، فرابنفش، پرتو ایکس و گاما. این‌ها بخش‌های مختلف یک طیفن و در خلأ با سرعت نور منتشر می‌شن. تفاوت طول موج، شیوهٔ آشکارسازی و برهم‌کنش اون‌ها با ماده رو تغییر می‌ده. موج گرانشی از جنس نوسان میدان الکتریکی و مغناطیسی نیست؛ به تغییر هندسهٔ فضاـزمان مربوطه. داشتن هر دو راه، مثل داشتن دو گزارش متفاوت از یک رویداده. البته همهٔ رویدادها در هر دو کانال قابل مشاهده نیستن؛ ادغام دو سیاه‌چاله الزاماً یک فوران روشن نوری همراه نداره. در توصیف فوتونیِ نور، فرکانس بالاتر یعنی انرژی بیشترِ هر فوتون. اما این با توان کل یک پرتو فرق داره. تعداد فوتون‌هایی که در هر ثانیه می‌رسن هم مهمه. یک پرتو با فوتون‌های پرانرژی ولی تعداد کم، الزاماً توان بیشتری از یک پرتو پرجمعیتِ کم‌انرژی نداره. ناسا: طیف الکترومغناطیسی نور دوردست چرا کم‌نورتر و سرخ‌تر می‌شه؟ اگر یک منبع در فضای ساده و شفاف در همهٔ جهت‌ها نور بفرسته، انرژی روی سطح بزرگ‌تری پخش می‌شه. در فاصلهٔ دو برابر، سطح کره چهار برابر شده و سهم هر واحد سطح کمتره. این کاهش روشنایی به معنی خسته‌شدن هر فوتون در اثر پیمودن راه نیست. در مقیاس کیهانی، عامل دیگری هم اضافه می‌شه: انبساط جهان طول موج نور رو می‌کشه. نور رسیده نسبت به زمان گسیل، طول موج بلندتر و انرژی کمتری برای هر فوتون داره. این انتقال‌به‌سرخ کیهانی، همراه با اندازه‌گیری فاصله‌ها، سرنخی از تاریخ انبساط به ما می‌ده. جذب و پراکندگی در ماده هم باید جداگانه حساب بشن. ناسا: انتقال‌به‌سرخ کیهانی از پیام‌های دوردست به جهانی که تغییر می‌کنه وقتی معادلات نسبیت عام برای کل جهان به کار رفتن، ثابت‌ماندن اندازهٔ جهان یک نتیجهٔ خودکار نبود. اینشتین در مدل کیهانی سال ۱۹۱۷، جمله‌ای به نام ثابت کیهانی وارد کرد تا مدل ایستایی بسازه. این جمله که با حرف لامبدا نشان داده می‌شه، بخش مجازی برای خاموش‌کردن سادهٔ گرانش نیست؛ یک جزء مشخص از معادلاته. بعدتر، مدل‌های پویای فریدمان و لومتر و داده‌های فاصله و انتقال‌به‌سرخ، تصویر جهان در حال تحول رو تقویت کردن. این تاریخ حاصل کار چند نفر بود، نه کشفی که یک‌باره و تنها به دست یک نفر انجام شده باشه. اتحادیهٔ بین‌المللی اخترشناسی دربارهٔ قانون هابل–لومتر اواخر قرن بیستم، رصد ابرنواخترهای دور نشون داد که انبساط در دورهٔ کنونی شتاب می‌گیره. ثابت کیهانیِ مثبت، ساده‌ترین راه توصیف این رفتار در مدل معیار است. نام انرژی تاریک رو برای مؤلفهٔ مرتبط با این شتاب به کار می‌بریم، اما ماهیت فیزیکی اون هنوز روشن نیست. نوبل فیزیک ۲۰۱۱ و کشف انبساط شتاب‌دار منابع علمی و مطالعهٔ بیشتر لایگو: آشکارسازها و حساسیت اندازه‌گیری لایگو: رویداد نخست ناسا: طیف الکترومغناطیسی ناسا: انتقال‌به‌سرخ کیهانی اتحادیهٔ بین‌المللی اخترشناسی: تاریخ قانون هابل–لومتر اینشتین آنلاین: ثابت کیهانی نوبل: شواهد انبساط شتاب‌دار جمع‌بندی یک تغییر فوق‌العاده کوچک در فاصلهٔ آینه‌ها می‌تونه خبری از ادغام سیاه‌چاله‌ها باشه، به شرطی که با ابزار دقیق و آزمون‌های مستقل بررسی بشه. نور هم از راه روشنایی و طول موجش، خبر دیگری از فاصله و انبساط می‌آره. کنار هم گذاشتن این پیام‌ها، جهانی پویا رو نشان می‌ده؛ جهانی که برای فهمیدنش باید هم خود رویدادها و هم تغییرات فضاـزمان رو دنبال کنیم.

نظرها