Podcast: Play in new window | Download
آنچه میشنوید (و مقداری اطلاعات بیشتر)
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.
سلام استاد ممنونم از توضیحات عالیتون
یک سوال داشتم درباره سیاهچاله که اگر ما فرض کنیم یک جسمی فوق العاده پر جرم تر از سیاهچاله ها داشته باشیم به حدی که بافت فضا و زمان نتونه تحملشون کنه و باعت ایجاد سوراخ در بافت فضا زمان بشه چه اتفاقی میوفته؟
همچنین ممنونم که سوالم رو در پادکستتون پاسخ دادین ❤️❤️🌹
سلام مهراد جان، ممنون از همراهیتون
من فکر می کنم این حالت باز بشه همون سیاهچاله بسیار پر جرم. در چنین حالتی فضا-زمان اونقدر خم میشه که به کل از بقیه عالم جدا میشه و به قول شما انگار یک سوراخ در فضا-زمان ایجاد شده. اون سیاهچاله و فضا-زمانش میشن یک دنیای مجزا که ما هرگز نمی تونیم بفهمیم درونش چی داره میگذره چون حتی نور هم نمی تونه از جاذبه گرانش قوی اون فرار کنه.
سلام استاد
شما در پادکست قسمت۱۲ فرمودید که در آنسوی مرز جهان در حال انبساط ما نیستی وجود دارد یعنی میتوانیم بیان کنیم که وقتی در بافت فضا _زمان سوراخی ایجاد میشود در واقع تبدیل به نیستی میشود ؟ و اگر بله پس کرمچاله ها چگونه به وجود می آیند ؟
سلام مهراد جان
عذرخواهی می کنم بابت تاخیر در پاسخ؛ اصل این مفهوم «نیستی وجود دارد» مشکل داره. نیستی چیزی نیست و نمی تونه وجود داشته باشه. هر آن به نیستی فکر کردی یعنی در واقع اون رو در ذهنت به هستی تبدیل کردی. نیستی یعنی وقتی که مثلاً داری نهار می خوری و با دوستت حرف می زنی و به چیزی به عنوان «نیستی» فکر نمی کنی. به آنی که بهش فکر کنی دیگه اسمش نیستی نخواهد بود. کرمچاله ها و سوراخ در بافت فضا-زمان جزوی از هستی و درون این جهان هستن، پس نمیشه عنوان «نیستی» روی اونها گذاشت.
موفق باشی
ممنونم از پاسختون 🌹🌹🌹🌹🌹
درود و وقت بخیر
با توجه به گفته خودتون در اپیزود های اول.شما به خالق این گیتی اعتقاد داری،به وجود خدا اعتقاد داری،
حالا به نظر شما، ما که یه سر سوزن هم نیستیم تو این جهان، ایا خدا منتظر ماست که بخاطر یه اشتباه مارو بسوزونه ،عذابمون بده؟ این بهشت و جهنم کجاست؟
با درود
سؤال شما به بهترین شکل توسط متخصصان حوزه ادیان و خداشناسی قابل پاسخ دادن است که من در این زمینه ها دانشی ندارم. آنچه می گویم صرفاً نظراتی شخصی و از دیدگاه علمی است.
من فکر می کنم در این جهان هر چیزی جایگاه خودش رو داره. مقیاس بزرگ و کوچک قراردادهای ذهنی ماست. مثلاً اینکه کهکشانهایی داریم که 100 هزار سال طول میکشه تا نور با سرعت 300 هزار کیلومتر در ثانیه از یک طرف به طرف دیگه شون برسه، دلیل بر این نمیشه که در دنیای زیر اتمی (که میلیاردها از اون در نوک یک سوزن جا میشه)، بی نظمی حاکم باشه. تمام جهان از ریزترین ذره (که ما در مقابلش میلیاردها میلیاردها میلیارد بار بزرگتر هستیم) تا بزرگترین اجرام (که ما در مقابلش میلیاردها میلیاردها میلیارد بار کوچکتر هستیم) طبق یک نظم عظیم داره کار می کنه.
از طرف دیگه، جهان ماهیت بسیار پیچیده ای داره و تجسم و توصیف خداوند برای ذهن محدود بشر بسیار ناممکنه؛ مثالی میزنم، آیا ما می تونیم چیزی نظیر مزه یک توت فرنگی رو دقیق توصیف کنیم؟ نهایتاً بگیم که شیرین است و مقداری ترش است. خب اگر بگن مزه یک گلابی رو توصیف کنید چطور؟ باز هم میگیم شیرین و کمی ترش است. ولی آیا آنچه از مزه توت فرنگی حس می کنید با مزه گلابی یکی است؟ وقتی ما نمی تونیم مزه یک میوه رو توصیف کنیم چطور انتظار داریم که بتونیم وجودی که خالق این میوه ها است را توصیف کنیم؟ یا آیا مثلاً می تونیم بوی گل سرخ رو توصیف کنیم و اون را مثلاً با بوی یک خوشه گندم مقایسه کنیم؟ مزه و بو مثالهای ساده و دم دستی بود، اگر صحبت در مورد توصیف خالق مکانیک کوانتوم و لاتیس فضا زمان باشد، چه چیزی برای گفتن داریم؟ در واقع مغز انسان مهارت زیادی برای فریب او دارد و چنین وانمود می کند که آنچه می داند، قطعاً درست است؛ چون این روش بهتری برای زندگی است و ما را از سردرگمی و ابتلا به جنون و پارانوئیدیسم نجات می دهد. همانگونه که توصیف نیوتن از مکانیک و گرانش بیش از 300 سال کاملاً درست فرض میشد و نهایتاً انیشتین نشان داد که توصیف نیوتن در این موارد، توصیف دقیق و درستی نبود.
لذا وقتی که ما نمی تونیم خالق جهان رو توصیف کنیم، خیلی بعیده که هرگز بتونیم متوجه بشیم که قصد او از آفرینش و آنچه در این جهان رخ میدهد چیست.