اثبات آخرین پیش‌بینی بزرگ اینشتین

جایزه‌ی نوبل فیزیک امسال مشترکا به سه فیزیکدان به نام‌های رِینِر وایس (Rainer Weiss)، کیپ ثورن (Kip Thorne) و بَری بَریش (Barry Barish) اهدا‌ شد.

این سه فیزیکدان، نقشی اساسی در تحقق آشکارسازی امواج گرانشی داشتند؛ امواج اسرارآمیزی که به همراه خود، فضازمان را به لرزه درمی‌آورند.

آلبرت اینشتین، وجود این امواج را یک قرن قبل و در قالب نظریه‌ی نسبیت عام، پیش‌بینی کرده بود. برندگان جایزه‌ی نوبل فیزیک امسال، پیشگامان و رهبران تیم بزرگ و هزار نفره‌ای از فیزیکدان‌ها بودند که دست‌دردست یکدیگر، نشان دادند آخرین پیش‌بینی بزرگ نسبیت عام اینشتین نیز درست بوده است.

آن‌ها موفق شدند با طراحی و ساخت دقیق‌ترین ابزار اندازه‌گیری‌ای که تاکنون به دست بشر ساخته شده است، به یکی از طولانی‌ترین جست‌وجوهای فیزیک جدید، خاتمه دهند و امواج اسرارآمیز گرانشی را برای نخستین بار به دام بیندازند

دستاوردی که به همراه خود، پنجره‌ای جدید و بدیع از کیهان را به روی اخترفیزیکدان‌ها گشوده است و دانش ما را از شگفت‌انگیزترین رویدادهایی که در پهنه‌ی کیهان به وقوع می‌پیوندد، متحول خواهد کرد.

داستان نوبل فیزیک امسال در واقع از یک میلیارد و 300 میلیون سال پیش آغاز می‌شود.

در جایی از کیهان که امروز حدود 5/1 میلیارد سال‌نوری با ما فاصله دارد (انبساط فضا را که فراموش نکرده‌اید)، دو سیاهچاله با همدیگر برخورد کردند.

جرم هر کدام از آن‌ها چند ده برابر جرم خورشید خودمان بود و به واسطه‌ی این برخورد مهیب که در لحظه‌ای کوتاه اتفاق افتاد، انرژی‌ای بیش از مجموع انرژی تابشی تمام ستاره‌های جهان مشاهده‌پذیر (در همان مدت) به صورت امواج گرانشی در گستره‌ی کیهان پخش شد.

یک میلیارد و 300 میلیون سال بعد، روز 14 سپتامبر 2015 (۲۳ شهریور ۱۳۹۴)، موج گرانشی مزبور پس از سفری طولانی به سیاره‌ی ما رسید و با لرزاندن فضازمان اطرافمان، حضور خود را در آشکارسازهای عظیم دوقلوی لایگو (LIGO) ثبت کرد.

لایگو سرنام عبارت «رصدخانه‌ی تداخل‌سنج لیزری امواج گرانشی» است و بیش از هزار پژوهشگر از سرتاسر جهان، به‌طور شبانه‌روزی در تلاشند تا این رصدخانه‌ی عجیب‌وغریب، کار خود را به درستی انجام دهد.

لایگو یک رصدخانه‌ی معمولی نیست، بلکه دستگاهی است که با آن می‌توان عبور امواج گرانشی را ثبت کرد. این امواج درواقع همانند زلزله‌هایی در بافتار فضازمان هستند و می‌توان آن‌ها را فضالرزه نامید.

بدین ترتیب، رصدخانه‌ی لایگو دستگاهی برای ثبت فضالرزه‌ها یا کیهان‌لرزه‌هاست.

• ماهیت فضالرزه‌ها

حدود یکصد سال پیش، آلبرت اینشتین با نظریه‌ی نسبیت عام خود نشان داد گرانش را می‌توان با انحنای فضازمان توصیف کرد. او نشان داد هر جرمی در جهان، فضازمان پیرامون خود را از حالت تخت خارج می‌کند و به آن انحنا می‌دهد.

هنگامی‌که جرم دیگری در مجاورت جرم مزبور قرار می‌گیرد، هنگام حرکت به‌گونه‌ای از انحنای ایجادشده در فضا تبعیت می‌کند که ما تصور می‌کنیم در حال جذب شدن به سوی جرم اول است.

بر اساس همین تعبیر انحنای فضازمان، اینشتین نشان داد، اگر جرمی با حرکتی شتاب‌دار در گستره‌ی فضا حرکت کند، انحنای فضازمان اطراف خود را به‌طور مستمر تغییر می‌دهد و آن را به لرزه درمی‌آورد.

این لرزه‌ها همانند موجی که از حرکت شتابان قایقی تندرو در سطح دریاچه ایجاد می‌شود، به صورت یک موج گرانشی در پهنه‌ی فضازمان پخش می‌شود.

با توجه به آن‌که چگال‌ترین اجرام جهان، سیاهچاله‌ها هستند - که اتفاقا وجود آن‌ها نیز همان یکصد سال پیش و باز هم در قالب نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین پیش‌بینی شده بود - فرایند برخورد و تلفیق سیاهچاله‌ها با همدیگر، قوی‌ترین فضالرزه‌ها را در پهنه‌ی کیهان ایجاد خواهد کرد.

• در جست‌وجوی امواج گرانشی

جالب این‌جاست که حتی خود اینشتین هم در ابتدا مطمئن نبود امواج اسرارآمیز گرانشی واقعا وجود داشته باشند.

در واقع در آن زمان، حتی فیزیکدان‌های بزرگی نظیر «آرتور ادینگتون» انگلیسی کاملا اطمینان داشتند آشکارسازی این امواج، غیرممکن است.

اما فیزیکدان‌ها از اواخر دهه‌ی 1950 میلادی (۱۳۳۰ شمسی) با محاسبات خود نشان دادند امواج گرانشی به‌همراه خود، انرژی نیز منتقل می‌کنند و بنابراین قاعدتا باید قابل آشکارسازی باشند.

بر اساس این یافته بود که فیزیکدان‌ها به ثبت این فضالرزه‌ها امیدوار شدند.

سرانجام در اواسط دهه‌ی 1970 میلادی (۱۳۵۰)، نخستین شواهد مبنی بر وجود امواج گرانشی در جهان به دست آمد.

در آن زمان، دو اخترفیزیکدان آمریکایی به نام‌های «جوزف تیلور» و «راسل هالس» به کمک یک رادیوتلسکوپ عظیم، یک جفت ستاره‌ی نوترونی را در اعماق کهکشان خودمان پیدا کردند که به دور یکدیگر در حال چرخش بودند.

رصدهای این دو اخترفیزیکدان حاکی از آن بود که این دو ستاره‌ی نوترونی، به‌طور مستمر در حال نزدیک‌تر شدن به همدیگرند و قاعدتا باید انرژی به طریقی (احتمالا از طریق تابش امواج گرانشی) پیوسته در حال خارج شدن از این سامانه‌ی دوتایی باشد.

نرخ کاهش انرژی این سامانه با محاسبات مبتنی بر تابش امواج گرانشی کاملا مطابقت داشت. بدین ترتیب، تیلور و هالس به خاطر یافتن نخستین نشانه‌های امواج گرانشی، جایزه‌ی نوبل فیزیک سال 1993 (۱۳۷۲) را به‌طور مشترک دریافت کردند.

با کشف نخستین نشانه‌های وجود امواج گرانشی در جهان، فیزیکدان‌ها باز هم برای آشکارسازی مستقیم این امواج، امیدوارتر شدند؛ اما مشکل بزرگی بر سر راه آن‌ها وجود داشت.

هنگامی‌که امواج گرانشی از دوردست‌های کیهان به سیاره‌ی ما می‌رسند، شدت آن‌ها بسیار ضعیف می‌شود و دامنه‌ی ارتعاشات فضایی حاصل از عبور این امواج در سیاره‌ی ما بسیار ناچیز خواهد بود.

دقت لازم برای آشکارسازی این امواج معادل آن است که بتوانیم فاصله‌ی زمین را از ستاره‌ای که ده سال نوری (۱۰۱۳×45/9 کیلومتر) دورتر از ما واقع شده است، با دقت پهنای یک تار مو (حدود چند ده میکرومتر) اندازه بگیریم!

• رقص کیهانی دو سیاهچاله

حال دوباره به موضوعی برمی‌گردیم که داستان را با آن آغاز کردیم. دو سیاهچاله‌ای که ماجرای برخورد و یکی شدن آن‌ها را در ابتدای مقاله تعریف کردیم در واقع، پیش از برخورد با همدیگر، دو سیاهچاله برای میلیون‌ها سال در حال رقص و چرخش به دور یکدیگر بوده‌اند.

در حین این چرخش، انرژی این سامانه‌ی دوتایی به شکل امواج گرانشی، به طور پیوسته به فضای بیرونی و در گستره‌ی کیهان منتشر می‌شد و به همین دلیل هم دو سیاهچاله در مسیری مارپیچ‌وار به همدیگر نزدیک و نزدیک‌تر می‌شدند.

سرانجام در لحظه‌ای افسانه‌ای، افق‌های رویداد دو سیاهچاله به یکدیگر برخورد کردند و تکینگی‌های مرکزی آن‌ها با سرعتی نزدیک به سرعت نور، به سوی همدیگر کشیده شدند.

در این لحظه، شدت امواج گرانشی گسیل‌شده به بیشترین مقدار ممکن رسید و انرژی عظیمی معادل سه برابر جرم خورشید (E=mc2 را که یادتان هست؟) به شکل انرژی امواج گرانشی آزاد شد. با تلفیق این دو تکینگی و یکی شدن آن‌ها، فضالرزه‌های

حاصل از برخورد نیز به ناگاه آرام گرفت و آن دو سیاهچاله پس از یک رقص کیهانی طولانی، یکی شدند.

امواج گرانشی قدرتمند حاصل از این برخورد، پس از سفری که حدود یک میلیارد و 300 میلیون سال طول کشید، به زمین رسید و آشکارساز لایگو توانست عبور آن‌ها را ثبت کند؛ رویداد بسیار مهمی که جایزه‌ی نوبل امسال را برای سازندگان آن به ارمغان آورد.

جالب است بدانید ارتعاشات فضایی حاصل از عبور این امواج گرانشی به‌قدری ریز بود که اگر بخواهیم آن را با ابعاد هسته‌ی اتم مقایسه کنیم، شبیه به مقایسه‌ی قد شما و ارتفاع بلندترین قله‌های ایران خواهد بود.

شهاب شعري مقدم/منبع:همشهري دانستنيها