امواج گرانشی وجود دارند؛ داستان یکی از بزرگترین کشف‌های فیزیک (قسمت اول)

امواج گرانشی وجود دارند؛ داستان یکی از بزرگترین کشف‌های فیزیک (قسمت اول)

دو سیاه‌چاله همانند سنگی که در آب بیفتد در کسری از ثانیه با یکدیگر ادغام می‌شوند. با این برخورد امواجی با انرژی صدها برابر بیشتر از کل ستارگان جهان منتشر می‌شوند و سیاه‌چاله‌ای با جرم ۶۲ برابر خورشید را در فضایی تقریباً برابر با استان سمنان به وجود می‌آورند. همراه با شکل کروی گرفتن، آخرین ترکش‌‌های انرژی از افق سیاه‌چاله فرار کرده سپس سکوت، فضا و زمان را دوباره فرا می‌گیرد. اما امواج حاصل از برخورد همچنان در تمام جهات منتشر شده، ولی با گذر زمان تضعیف می‌شوند. در این مدت دایناسورها به وجود آمده، تکامل می‌یابند و منقرض می‌شوند تا در حدود ۵۰ هزار سال پیش امواج به کهکشان راه شیری میرسند؛ زمانی که موفقیت انسان‌های هوشمند در گرفتن جایگاه گونه‌ی برتر از عموزاده‌های نئاندرتال شروع شده است. چرخ تکامل بر روی زمین می‌چرخد تا صد سال پیش یکی از کامل‌ترین‌های گونه‌ی انسان، آلبرت اینیشتین در نظریه‌ای فراتر از زمان وجود این امواج را پیش‌بینی می‌کند. این نظریه الهام‌بخش سال‌ها حدس و گمان و جستجوی بی‌ثمر است تا بیست و دوسال پیش عملیات ساخت آشکار‌سازی عظیم آغاز می‌شود؛ رصدخانه‌ی امواج گرانشی تداخل‌سنجی لیزری ((Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). و سرانجام در چهاردهم سپتامبر سال ۲۰۱۵ میلادی، درست کمی پیش از ساعت ۱۱ صبح به وقت مرکز اروپا امواج گرانشی پس از سفری چند میلیارد ساله به زمین می‌رسند.

حدود صد سال پیش آلبرت اینیشتین وجود موج در انحنای هوافضا را پیش‌بینی کرده بود.

مارکو دراگو دانشجوی ۳۲ ساله‌ی فوق دکترا از ایتالیا است که با پروژه‌ی LIGO همکاری می‌کند. مارکو فردی است که متوجه این امواج می‌شود. او در مرکز آلبرت اینشتین در هانور آلمان در برابر کامپیوتر خود نشسته بود که ناگهان امواج بر روی صفحه‌ی مانیتور ظاهر می‌شوند. گران قیمت‌ترین گوش‌های جهان ارتعاشاتی ضعیف‌تر از نیم تریلیونیوم در سانتیمتر را رصد می‌کنند؛ چیزی که دانشمندان به آن جیرجیر می‌گویند، برآمدگی کوچک در سیگنال ممتد مانیتورها که به عنوان اولین مشاهده‌ی مستقیم امواج گرانشی توسط انسان ثبت شده است.

جیرجیر!

برخورد دو سیاه‌چاله چه صدایی ایجاد می‌کند؟ هنگامی که دراگو سیگنال را بر روی مانیتورش دید مبهوت مانده بود؛ هنوز درک نکرده بود که چه اتفاقی افتاده است. دراگو به همکارش می‌گوید که چه چیزی را مشاهده کرده و او با دفتر لیگو در لیوینگستون لوئیزیانا تماس می‌گیرد. این خبر به سرعت منتشر می‌شود و به زودی هزاران دانشمندان درگیر در این پروژه از آن مطلع می‌شوند. در کالیفرنیا دیوید ریتزه مدیر اجرایی آزمایشگاه LIGO مثل هر روز پس از رساندن دخترش به مدرسه به دفترش می‌رود که با انبوهی از پیام‌ها مواجه می‌شود:

لعنتی، این چیه؟

ویکی کالوگرا استاد فیزیک و نجوم از دانشگاه نورث وسترن تمام طول آن روز را در جلسه بوده و تا زمان شام اخبار را نمی‌شنود.

همسرم از من خواست تا میز را بچینم اما صدای او را نمی‌شنیدم، در میان ایمیل‌های عجیب می‌گشتم و فکر می‌کردم که چه اتفاقی افتاده است؟

رینر وِیز فیزیکدان ۸۳ ساله که در سال ۱۹۷۲ ساخت رصدخانه‌ی لیگو را پیشنهاد داده بود در تعطیلات به سر می‌برد. پروفسور وارد اکانت کامپیوتر خود شده و سیگنال را می‌بیند؛ ناگهان فریاد می‌زند خدای من! از این فریاد همسر و پسرش وحشت‌زده می‌آیند تا ببینند چه اتفاقی افتاده است.

همکاران پروژه داده‌ها را برای بار دوم، سوم و چهارم بررسی می‌کنند؛ دقت اندازه‌گیری تا یک هزارم قطر پروتون افزایش پیدا می‌کند. چگونه دو سیاه‌چاله در بیشتر از یک میلیارد سال پیش با یکدیگر ادغام شده‌اند؟ این یک سؤال فوق‌العاده است که احتیاج به مدارک فوق‌العاده‌ای هم دارد. دانشمندان لیگو قسم خوره‌اند که اطلاعات محرمانه بماند اما شایعات از اواخر ماه سپتامبر گسترش می‌یابد؛ هیجان رسانه‌ای بالا می‌رود و تب جایزه‌ی نوبل حساسیت‌ها را افزایش می‌دهد. دانشمندان حتی به خانواده‌ی خود نیز گفته‌اند که هنوز مرحله‌ی تجزیه و تحلیل اطلاعات تمام نشده است و نمی‌توانند نظری بدهند.

لیگو

لیگو متشکل از دو سازه جدا از یکدیگر است؛ آن‌ها حدود ۳۰۰۰ کیلومتر از یکدیگر فاصله دارند. طی این مسیر برای یک جت مسافربری بیشتر از سه ساعت و برای امواج گرانشی کمتر از ده هزارم ثانیه طول می‌کشد. آشکار‌ساز مستقر در لیوینگستون لوئیزیانا در شرق زمین‌های باتلاقی باتون روژ، در میان جنگل‌های کاج احاطه شده‌است. آشکار‌ساز دیگر در هنفور و بر لبه‌ی جنوب غربی واشنگتن میان سایت هسته‌ای بازنشسته و دامنه‌ی صحرا قرار گرفته است. در هر دو سازه لوله‌های سیمانی به قطر حدود ۳.۵ متر به سمت راست تا حدود ۴ کیلومتر کشیده شده‌اند. برای صاف نگه داشتن آن‌ها بر روی زمین ناهموار از پایه‌هایی استفاده شده است.

لیگو بخشی از تلاش‌های گسترده‌ای است که برای کشف یکی از پیامدهای دست نیافتنی‌تر نظریه‌ی نسبیت عمومی اینشتین انجام شده است؛ نظریه به سادگی بیان می‌کند که فضا و زمان در حضور جرم خمیده می‌شوند؛ این انحنا پدیده‌ای ایجاد می‌کند که به آن گرانش یا جاذبه می‌گوییم. هنگامی که دو سیاه‌چاله با سرعتی وحشتناک به دور یکدیگر می‌چرخند، همانند دو کودک که در میان استخر بالا و پایین می‌پرند، امواجی ایجاد می‌کنند که تا لبه‌های استخر ادامه پیدا می‌کند؛ این امواج همان امواج گرانشی هستند. آن‌ها از ما گذشته و همچنان در تمام جهان منتشر می‌شوند. اما به دلیل اینکه گرانش بسیار ضعیف‌تر از دیگر نیروهای بنیادی طبیعت مانند الکترومغناطیس و فعل و انفعالات اتمی است وجود آن‌ حس نمی‌شود. اینیشتین تصور نمی‌کرد که روزی انسان بتواند امواج گرانشی را تشخیص دهد؛ او یکبار گفت که این امواج وجود ندارند اما حرف خود را عوض کرده و وجود آن‌ها راپیش‌بینی کرد. این شک و تردید در مورد وجود امواج گرانشی (که تا امروز ادامه داشته است) به یکی از بزرگترین سؤالات فیزیک نوین تبدیل شده بود؛ جوابی در حد کشف بوزون هیگز. آیا امواج گرانشی از رشته‌های کیهانی منشعب شده‌اند و تأیید یا تکذیبی بر نظریه‌ی ریسمان هستند. آیا ممکن است رشته‌های در جایی بر هم گره بخورند و چه توضیحی برای گراویتون وجود خواهد داشت؟ با هر کشف در فیزیک سؤالات بیشتری پیش روی انسان قرار می‌گیرند.

این مقاله ادامه دارد…