Преди повече от милиард години, в една далечна далечна галактика, две черни дупки изпълниха последните стъпки в бърз крак па де дьо, завършвайки с окончателна прегръдка, толкова яростна, че освобождава повече енергия, отколкото комбинираната продукция на всяка звезда в всяка галактика в наблюдаваната вселена. И все пак, за разлика от звездната светлина, енергията беше тъмна, носена от невидимата сила на гравитацията. На 14 септември 2015 г., в 5:51 ч. Източно дневно време, фрагмент от тази енергия под формата на „гравитационна вълна“ достига до Земята, намалена с огромния си транзит през пространството и времето до един просто шепот на громовете й започва.
Свързани четива
Елегантната Вселена
КупуваДоколкото знаем, Земята е била окъпана в този тип гравитационни смущения и преди. Често. Разликата този път е, че два изумително точни детектора, единият в Ливингстън, Луизиана, а другият в Ханфорд, Вашингтон, стояха в готовност. Когато гравитационната вълна се търкаляше, тя гъделичкаше детекторите, предоставяйки безпогрешен подпис на сблъскващи се черни дупки от другата страна на Вселената и бележи началото на нова глава от изследването на човечеството на човечеството.
Когато слухове за откритието започнаха да циркулират през януари, аз развих очи, което очевидно е фалшива тревога или хитрост да разбуни малко бръмчане. Като изследователска програма още в петото си десетилетие, ловът на гравитационни вълни отдавна се бе превърнал в основното откритие, което винаги се носеше на хоризонта. Физиците станаха примирени да чакат своя гравитационен Годо.
Но човешката изобретателност и постоянство са триумфирали. Това е една от онези победи, които дават дори и тези от нас, аплодиращи от кулоарите, треперещи от гръбначния стълб.
Ето накратко историята.
Миналия ноември светът отбеляза стогодишнината от най-голямото откритие на Айнщайн - общата теория на относителността, която разкри нова парадигма за разбиране на гравитацията. Подходът на Исак Нютон правилно прогнозира гравитационното привличане между всеки два обекта, но не дава представа как нещо тук може да достигне през празното пространство и да изтегли нещо там. Айнщайн прекара десетилетие в опит да определи как се съобщава гравитацията и накрая заключи, че пространството и времето формират невидимата ръка, която прави наддаването на гравитацията.
Абонирайте се за списание Smithsonian сега само за 12 долара
Тази история е селекция от априлския брой на списание Smithsonian
КупуваМетафората на избора, прекалено използвана, но евокативна, е да мислим за пространството като за батут. Поставете топка за боулинг в средата на батута, което ще доведе до извиване, а мрамор ще бъде изтласкан, за да пътува по извита траектория. По същия начин Айнщайн изповядва, че в близост до астрономическо тяло като Слънцето кривата на космическата среда крива, което обяснява защо Земята, подобно на мрамора, следва извита траектория. До 1919 г. астрономическите наблюдения потвърждават тази забележителна визия и правят Айнщайн Айнщайн.
Айнщайн тласна своето знаменито откритие още повече. До този момент той се беше съсредоточил върху статичните ситуации: определя фиксираната форма на област на пространството, произтичаща от дадено количество материя. Но тогава Айнщайн се обърна към динамични ситуации: Какво би станало с тъканта за космическото време, ако материята се движи и разклаща? Той осъзнава, че колкото деца, скачащи на батут, генерират вълни в повърхността, които се изтръгват навън, материята, която се движи по този начин и която ще генерира вълни в тъканта на космическото време, която също се изтръгва навън. И тъй като според общата относителност извитото пространствено време е гравитация, вълна от извито пространствено време е вълна на гравитацията.
Гравитационните вълни представляват най-същественото отклонение на общата относителност от гравитацията на Нютон. Гъвкавото космическо време със сигурност е дълбока преработка на гравитацията, но в познати контексти като гравитационното дърпане на Слънцето или Земята, прогнозите на Айнщайн почти не се различават от тези на Нютон. Но тъй като нютоновската гравитация мълчи по отношение на това как се предава гравитацията, понятието за пътуващи гравитационни смущения няма място в теорията на Нютон.
Самият Айнщайн имаше опасения относно прогнозата си за гравитационни вълни. Когато за първи път се сблъскате с фините уравнения на общата относителност, е предизвикателство да разграничите абстрактната математика от измеримата физика. Айнщайн е първият, който се е заел с тази суматоха и имаше характеристики, които дори той, циносурата на относителността, не успя да разбере напълно. Но до 60-те години на миналия век учените, използващи по-изтънчени математически методи, установили без съмнение, че гравитационните вълни са отличителна черта на общата теория на относителността.
Илюстрация на гравитационни вълни (Джон Херси) Как тогава може да се тества това емблематично прогнозиране? През 1974 г., използвайки Радио телескопа Arecibo, Джоузеф Тейлър и Ръсел Hulse откриха двоичен пулсар: две орбитални неутронни звезди, чийто орбитален период може да бъде проследен с голяма точност. Според общата относителност, орбиталните звезди генерират постоянен поход от гравитационни вълни, които източват енергия, причинявайки звездите да се сближават и да орбитират по-бързо. Наблюденията потвърдиха това предсказване на Т, предоставяйки доказателства, макар и косвени, че гравитационните вълни са реални. Хълс и Тейлър получиха Нобеловата награда за 1993 г.
Постижението само направи директното откриване на гравитационни вълни още по-примамливо. Но задачата беше поразителна. Изчисленията показват, че като гравитационна вълна пулсира в пространството, всичко по пътя му ще бъде алтернативно опънато и притиснато по осите, перпендикулярно на посоката на движение на вълната. Гравитационна вълна, насочена право към Съединените щати, ще се простира и ще пресече пространството между Ню Йорк и Калифорния, както и между Тексас и Северна Дакота. Чрез прецизно наблюдение на такива разстояния, следователно би трябвало да можем да определим преминаването на вълната.
Предизвикателството е, че колкото пулсация в езерце умира, докато се разпространява, гравитационна пулсация се разрежда, докато пътува от своя източник. Тъй като големите космически сблъсъци обикновено се случват много далеч от нас (за щастие), по времето, когато гравитационните вълни, породени от Земята, достигнат Земята, количеството разтягане и притискане, което причиняват, е малко - по-малко от атомен диаметър. Откриването на такива промени е наравно с измерването на разстоянието от Земята до най-близката звезда отвъд Слънчевата система с точност, по-добра от дебелината на лист хартия.
Първият опит, създаден от Университета на Мериленд Джоузеф Вебер през 60-те години на миналия век, използва многотонови твърди алуминиеви цилиндри с надеждата, че те леко ще резонират като гигантски тунинг вилици в отговор на преминаваща гравитационна вълна. До началото на 70-те Вебер претендира за успех, голямо време. Той съобщи, че гравитационните вълни звънят на детектора му почти ежедневно. Това знаменито постижение вдъхнови другите да потвърдят твърденията на Вебер, но след години опити никой не успя да улови дори една вълна.
Упоритата вяра на Вебер в неговите резултати, дълго след като натрупаните доказателства предложиха друго, допринесе за перспектива, която оцветява полето от десетилетия. През годините много учени вярваха, както и Айнщайн, че дори гравитационните вълни да са истински, те просто ще бъдат твърде слаби, за да бъдат открити. Онези, които се заеха да ги намерят, бяха по поръчка на глупаци и тези, които вярваха, че твърденията за откриване се заблуждават.
До 70-те години на миналия век малцината, които все още имат гравитационна грешка, се превръщат в по-обещаваща схема за откриване, при която лазерите ще се използват за сравняване на дължините на два дълги еднакви тунела, ориентирани на 90 градуса един към друг. Преминаваща гравитационна вълна би простирала един тунел, докато притиска другия, леко променяйки разстоянията, изминати от лазерни лъчи, изстреляни по протежение на всеки. Когато впоследствие двата лазерни лъча се рекомбинират, полученият модел, който образува светлината, е чувствителен към минутни разлики в това колко далеч е изминал всеки лъч. Ако гравитационната вълна се преобърне, дори и незначителното смущение, което създава, ще остави модифициран лазерен образец.
Красива идея. Но близките долни чукове, бучещите камиони, поривите на вятъра или падащите дървета могат да нарушат такъв експеримент. Когато търсите разлики в дължината по-малко от милиард от милиардна част от метър, възможността да се предпазва устройството от всяка възможна възбуда в околната среда, колкото и да е лека, става от първостепенно значение. С това на пръв поглед непреодолимо изискване, на найсеерите бяха осигурени още боеприпаси. Прихващането на гравитационна вълна ще накара Хортън да чуе Кой, дори и над ревящия дим на метрото в Ню Йорк, просто детска игра.
Независимо от това, американските физици Кип Торн и Райнер Вайс, по-късно присъединени към шотландския физик Роналд Древър, мечтаят да построят лазерно базиран детектор на гравитационна вълна и те задействат колелата в движение, за да превърнат тази мечта в реалност.
През 2002 г., след няколко десетилетия на научноизследователска и развойна дейност и повече от 250 милиона долара инвестиция от Националната научна фондация, две научни и технологични чудеса, съставляващи LIGO (Лазерна интерферометрова гравитационна вълнова обсерватория), бяха разгърнати в Ливингстън, Луизиана, и Ханфорд, Вашингтон. Евакуираните тунели с дължина четири километра във формата на гигантска буква "L" биха поместили лазерен лъч, който е 50 000 пъти по-мощен от стандартния лазерен показалец. Лазерната светлина ще отскача напред-назад между най-гладките огледала в света, поставени в противоположните краища на всяка ръка, търсейки миниатюрно несъответствие във времето, необходимо на всеки, за да завърши пътуването.
Изследователите чакаха. И чаках. Но след осем години нищо. Разочароващо, сигурно, но както аргументираха изследователските екипи, не е изненадващо. Изчисленията показват, че LIGO едва е бил на прага на чувствителност, необходим за откриване на гравитационни вълни. Така през 2010 г. LIGO беше спрян за различни ъпгрейди, в размер на над 200 милиона долара, а през есента на 2015 г. беше подобрен LIGO, многократно по-чувствителен. Шокиращо, по-малко от два дни по-късно внезапна трепка разтърси детектора в Луизиана, а седем милисекунди по-късно детекторът във Вашингтон потрепна почти по същия начин. Моделът на деликатните вибрации съвпадаше с компютърните симулации, предвидени за гравитационни вълни, които ще бъдат произведени от крайните гнезда на орбита черни дупки, които се сриват заедно.
Един мой приятел отвътре, заклет да запази секретност, но готов да представи не толкова финия намек, ми каза: „Само си представете, че най-смелият ни сън се сбъдна.“ Но това беше това удряне на джакпота на гравитационната вълна. което даде на изследователите пауза. Беше почти прекалено съвършено.
Апаратът LIGO зависи от точно проектираните и идеално чисти огледала. (Matt Heintze / Caltech / MIT / LIGO Lab) С няколкомесечни интензивни и усърдни усилия за внимателно разследване на всички други обяснения, колкото и да е невероятно, остана само едно заключение. Сигналът беше истински. Век след като Айнщайн предсказа съществуването им, първото директно откриване на гравитационни вълни е отбелязано от над 1000 учени, работещи по експеримента LIGO. Те бяха уловили моментното мърморене на гравитационно цунами, отприщи преди повече от милиард години, остатъкът от тъмно сливане някъде в дълбокото южно небе.
Официалното съобщение за печата на 11 февруари във Вашингтон, окръг Колумбия, беше електрическо. В моята собствена институция, Колумбийския университет, трябваше да преместим поточните предавания на живо в едно от най-големите места в кампуса и подобни истории, разигравани в университети по целия свят. За кратък момент гравитационните вълни тръпнаха прогнозата на президента.
Вълнението беше основателно. Историята ще погледне назад към откритието като една от онези няколко точки на флексия, които променят хода на науката. Откакто първият човек погледна към небето, ние изследвахме Вселената, използвайки вълни от светлина. Телескопът значително подобри тази способност и с него срещнахме великолепието на нови космически пейзажи. През 20-ти век разширихме видовете светлинни сигнали, които засичаме - инфрачервена, радио, ултравиолетова, гама и рентгенови лъчи - всички форми на светлина, но с дължина на вълната извън обхвата, който можем да видим с просто око. И с тези нови сонди космическият пейзаж все повече се разрастваше.
Гравитационните вълни са съвсем различен вид космическа сонда, с потенциал да доведат до още по-драматични последици. Светлината може да бъде блокирана. Непрозрачен материал, подобен на сянка на прозореца, може да блокира видимата светлина. Метална клетка може да блокира радиовълни. За разлика от това, гравитацията преминава през всичко, практически непроменена.
И така, с помощта на гравитационните вълни като наша сонда ще можем да изследваме сфери, които са извън границите на светлината, като хаотичното контриране в пространството, когато се сблъскват две черни дупки или може би дивият тътен на самия голям взрив преди 13, 8 милиарда години. Вече наблюдението потвърди идеята, че черните дупки могат да образуват двоични двойки. Още по-мъчителни все пак може да открием тъмен пейзаж, населен от неща, които все още не си представяме.
Тъй като мрежа от детектори по целия свят - в Италия, Германия, скоро Япония и вероятно Индия - обединява своите данни, надяваме се, че в бъдеще ще бъде присъединен от огромен детектор, работещ в космоса, нашата способност да изследваме космоса ще предприеме друг гигантски скок напред. Което е изключително вълнуващо. Няма нищо по-вдъхновяващо от нашия капацитет, сред нашите вечно присъстващи земни борби, да гледаме нагоре, да се чудим и да имаме изобретателност и всеотдайност, за да видим малко по-далеч.
**********
