برندگان نوبل فیزیک 2017 چه دستاوردهایی داشتند؟
آکادمی سلطنتی علوم سوئد، روز سه شنبه یازدهم مهر (سوم اکتبر) جایزه نوبل فیزیک 2017 را بطور مشترک به راینر وایس (Rainer Weiss)، بری باریش (Barry Barish) و کیپ تورن (Kip Thorne) به نمایندگی از حدود هزار دانشمندی که از 20 کشور جهان در طرح تداخل سنج لیزری تشخیص امواج گرانشی (به اختصار لایگو یا LIGO) مشارکت داشتند، اعطا کرد.
امواج گرانشی از جمله مفهوم های فیزیکی است که حدود صد سال از زمان ارائه آن می گذرد اما به دلیل ضعیف بودن این امواج و وجود مشکلات فنی بسیار، کشف آن سال ها به تاخیر افتاد. امواج گرانشی، اولین بار در سال 1394 شناسایی شدند و افراد بسیاری حدس زدند که این کشف برنده جایزه نوبل فیزیک خواهد شد. با گذشت زمان و افزایش تعداد موارد پیدا شده امواج گرانشی، در نهایت جایزه نوبل به گروهی سه نفره از مدیران این طرح اهدا شد.
در این مقاله شما می توانید با این دستاورد بیشتر آشنا شوید.
ماهیت امواج گرانشی
آلبرت اینشتین بر مبنای نظریه نسبیت عام، چند پدیده عجیب را پیش بینی کرد، پدیده هایی آنقدر عجیب که باورش برای خود اینشتین هم دشوار بود. یکی از این پدیده های عجیب سیاه چاله ها هستند. پیش از آنکه درک دقیقی از فرآیند تولد، تحول و مرگ ستارگان پدید آید، فیزیکدانان وجود مناطقی از فضا – زمان را پیش بینی کردند که سرعت فرار از میدان جاذبه آنها، از بیشترین سرعت ممکن یک جسم در فضا یعنی سرعت نور نیز بیشتر است، به بیان دیگر نور نمی تواند از آنها بیرون رود و به این ترتیب برای همیشه به چشم ما سیاه و تاریک هستند. بعدها مشخص شد در صورت مرگ ستارگان سنگین وزن، ممکن است در هسته آنها، سیاه چاله هایی پدید آید.
پیش بینی دیگر اینشتین، وجود امواج گرانشی بود. اینشتین بر این باور بود که سرعت نور، حد نهایی سرعت در جهان است، به بیان دیگر هیچ پدیده ای نمی تواند سریع تر از نور حرکت کند، حتی گرانش. اگر هم اکنون خورشید خاموش شود، ما 8 دقیقه دیگر متوجه خاموشی آن می شویم، زیرا 8 دقیقه طول می کشد تا نور از خورشید به زمین برسد. به همین ترتیب اگر خورشید را از مرکز منظومه شمسی ما بردارند، زمین و ساکنان آن 8 دقیقه بعد متوجه غیبت خورشید می شوند، نه در همان لحظه. به این ترتیب اگر تغییری در مشخصات فضا – زمان روی دهد که آثار گرانشی داشته باشد، امواج گرانشی حاصل از آن با سرعت نور در فضا منتشر می شود.
هر چند خود اینشتین بر این باور بود که شدت این امواج به قدری کم و ناچیز است که دشوار بتوان آنها را شناسایی کرد اما با پیشرفت علم و فناوری دانشمندان به آشکارسازی این امواج امیدوار شدند، البته به این شرط که در جستجوی منابع قوی این امواج باشیم مانند رمبش یک ستاره و تبدیل آن به سیاه چاله یا ادغام دو سیاه چاله در یکدیگر.
آغاز جستجو
در میانه دهه 1970 و با کشف «تپ اخترهای دوتایی»، منبعی برای امواج گرانشی پیدا شد و دانشمندان را برای آشکارسازی این پدیده امیدوار کرد. به این ترتیب، آزمایشگاه های زیادی در سراسر زمین تاسیس شدند تا آثار امواج گرانشی را رصد کنند.
ایده اصلی روش کشف امواج گرانشی را جوزف وبر (Joseph Weber) عرضه کرد. وی گفت اگر موج گرانشی از میله ای استوانه ای عبور کند، در یک لحظه، سر و ته آن، به هم نزدیک و سپس دور می شود. خود او ابزارهایی به این روش ساخت اما نتوانست امواج گرانشی را کشف کند. اما یک روش هوشمندانه برای کشف این پرتوها این است که به جای میله، از پرتور لیزر استفاده کنیم. در این روش نور یک لیزر را به دو باریکه عمود بر هم تقسیم می کنند. این نور در انتهای هر مسیر به یک آئینه برخورد می کند و در بازگشت، دو پرتو ورودی با هم تداخل کرده و یک نقش را پدید می آورند. حال اگر در اثر عبور موج گرانشی، اعوجاج یا تغییر شکلی در فضا – زمان روی دهد، این نقش هم تغییر می کند. به این ترتیب می توان دستگاه های دقیقی ساخت که می توانند چشمه های امواج گرانشی را رصد کنند.
کنگره آمریکا در سال 1991، بودجه عظیمی را برای ساخت دو رصدخانه تداخل سنج لیزری امواج گرانشی یا به اختصار لایگو تصویب کرد. این رصدخانه ها زیر نظر دو دانشگاه Caltech (موسسه فناوری کالیفرنیا) و MIT (موسسه فناوری ماساچوست) و همکاری پژوهشگاه های بریتانیایی، آلمانی و استرالیایی فعالیت می کنند. این رصدخانه ها، کارشان را از سال 2002 شروع کردند. هر کدام از این رصدخانه ها دو باریکه لیزری به طول چهار کیلومتر و عمود بر هم داشتند. اما باز هم نتوانستند امواج گرانشی را کشف کنند. این رصدخانه ها را سال 2012 بطور موقت تعطیل کردند و آشکارسازهای آنها را ارتقاء دادند. 9 ماه پس از آنکه رصدخانه های ارتقاء یافته کارشان را شروع کردند، توانستند نشانه های کوچکی را ثبت کنند. مشخص شد لرزش بسیار ریزی که روز 23 شهریور 1394 در تداخل سنج های لایگو ثبت شد، به دلیل امواج گرانشی پدید آمده از برخورد و ادغام دو سیاه چاله با جرم حدود 30 برابر جرم خورشید بود. این ادغام سیاه چاله ها، 1.3 میلیارد سال قبل صورت گرفته بود.
اهمیت این دستاورد چیست؟
بشر پیش از این با بررسی طیف الکترومغناطیسی اجسام یا همان نور، اجرام آسمانی و کهکشان ها را بررسی می کرد اما با کشف امواج گرانشی، می تواند از دریچه دیگری غیر از نور به کیهان نگاه کند. به این ترتیب باید منتظر دستاوردهای بی نظیر عظیمی باشیم که با استفاده از این روش بدست آمده و شناخت بشر از کیهان را بسیار عمیق تر خواهد کرد.
امواج گرانشی روشی کاملاً تازه برای مشاهده رویدادهای بسیار بزرگ و شَدید فضا مانند برخورد سیاه چاله ها و ابرنواخترها، در اختیار دانشمندان قرار می دهد.
منابع
مقاله علمی و آموزشی «برندگان نوبل فیزیک 2017 چه دستاوردهایی داشتند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا گزارش مجله دانشمند، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.
