คำพูดก็เหมือนคลื่นความโน้มถ่วง คลื่นความโน้มถ่วง – ค้นพบแล้ว! คำถามเกี่ยวกับการรวมทฤษฎีควอนตัมและทฤษฎีแรงโน้มถ่วงเป็นหนึ่งในคำถามพื้นฐานของการสร้างทฤษฎีสนามแบบรวม

คลื่นความโน้มถ่วงที่ไอน์สไตน์ทำนายไว้ตามทฤษฎีในปี 1917 ยังคงรอผู้ค้นพบอยู่

ปลายปี พ.ศ. 2512 โจเซฟ เวเบอร์ ศาสตราจารย์ฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยแมรีแลนด์ แถลงอย่างสะเทือนใจ เขาประกาศว่าเขาได้ค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงที่เข้ามายังโลกจากส่วนลึกของอวกาศ จนถึงเวลานั้น ไม่มีนักวิทยาศาสตร์คนใดอ้างสิทธิ์ดังกล่าว และความเป็นไปได้ในการตรวจจับคลื่นดังกล่าวยังไม่ชัดเจนนัก อย่างไรก็ตาม Weber เป็นที่รู้จักในฐานะผู้มีอำนาจในสาขาของเขา ดังนั้นเพื่อนร่วมงานของเขาจึงให้ความสำคัญกับข้อความของเขาเป็นอย่างมาก

อย่างไรก็ตาม ความผิดหวังก็มาเยือนในไม่ช้า แอมพลิจูดของคลื่นที่ถูกกล่าวหาว่าบันทึกโดยเวเบอร์นั้นสูงกว่าค่าทางทฤษฎีหลายล้านเท่า เวเบอร์แย้งว่าคลื่นเหล่านี้มาจากใจกลางกาแล็กซีของเรา โดยมีเมฆฝุ่นบดบัง ซึ่งในตอนนั้นยังไม่มีใครรู้มากนัก นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์แนะนำว่ามีหลุมดำขนาดมหึมาซ่อนอยู่ที่นั่นซึ่งในแต่ละปีกลืนกินดาวฤกษ์หลายพันดวงและพ่นพลังงานบางส่วนที่ถูกดูดซับออกมาในรูปแบบของรังสีความโน้มถ่วงและนักดาราศาสตร์เริ่มค้นหาอย่างไร้ประโยชน์เพื่อหาร่องรอยที่ชัดเจนยิ่งขึ้นของการกินเนื้อกันในจักรวาลนี้ (มี ตอนนี้ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีหลุมดำอยู่ที่นั่นจริง ๆ แต่มันก็ประพฤติตัวค่อนข้างเหมาะสม) นักฟิสิกส์จากสหรัฐอเมริกา สหภาพโซเวียต ฝรั่งเศส เยอรมนี อังกฤษ และอิตาลีเริ่มการทดลองกับเครื่องตรวจจับประเภทเดียวกัน แต่กลับไม่ประสบผลสำเร็จเลย

นักวิทยาศาสตร์ยังไม่รู้ว่าอะไรคือสิ่งที่อ่านค่าแปลกๆ จากเครื่องมือของเวเบอร์ อย่างไรก็ตาม ความพยายามของเขาไม่ได้ไร้ผล แม้ว่าจะยังไม่ตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงก็ตาม สถานที่ปฏิบัติงานหลายแห่งเพื่อค้นหาได้ถูกสร้างขึ้นหรือกำลังสร้างอยู่ และในอีกสิบปีข้างหน้า เครื่องตรวจจับดังกล่าวจะถูกปล่อยสู่อวกาศ มีความเป็นไปได้ค่อนข้างมากที่ในอนาคตอันใกล้นี้ การแผ่รังสีความโน้มถ่วงจะกลายเป็นความเป็นจริงทางกายภาพที่สามารถสังเกตได้พอๆ กับการสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้า น่าเสียดายที่ Joseph Weber ไม่ทราบเรื่องนี้อีกต่อไป - เขาเสียชีวิตในเดือนกันยายน พ.ศ. 2543

คลื่นความโน้มถ่วงคืออะไร

มักกล่าวกันว่าคลื่นความโน้มถ่วงเป็นการรบกวนสนามโน้มถ่วงที่แพร่กระจายในอวกาศ คำจำกัดความนี้ถูกต้องแต่ไม่สมบูรณ์ ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป แรงโน้มถ่วงเกิดขึ้นเนื่องจากความโค้งของความต่อเนื่องของกาล-อวกาศ คลื่นแรงโน้มถ่วงคือความผันผวนของหน่วยเมตริกกาลอวกาศ ซึ่งแสดงออกมาว่าเป็นความผันผวนในสนามโน้มถ่วง ดังนั้นจึงมักเรียกเป็นรูปเป็นร่างว่าระลอกคลื่นเวลาอวกาศ คลื่นความโน้มถ่วงถูกทำนายโดยทฤษฎีในปี ค.ศ. 1917 โดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ไม่มีใครสงสัยว่ามีอยู่จริง แต่คลื่นความโน้มถ่วงยังคงรอผู้ค้นพบอยู่

แหล่งกำเนิดของคลื่นความโน้มถ่วงคือการเคลื่อนที่ใดๆ ของวัตถุที่นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงที่ไม่สม่ำเสมอของแรงโน้มถ่วงในอวกาศโดยรอบ วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่จะไม่แผ่รังสีใดๆ เนื่องจากธรรมชาติของสนามโน้มถ่วงไม่เปลี่ยนแปลง ในการที่จะปล่อยคลื่นความโน้มถ่วง ความเร่งเป็นสิ่งจำเป็น แต่ไม่ใช่แค่ความเร่งใดๆ เท่านั้น ทรงกระบอกที่หมุนรอบแกนสมมาตรจะมีการเร่งความเร็ว แต่สนามโน้มถ่วงของมันยังคงสม่ำเสมอและคลื่นโน้มถ่วงจะไม่เกิดขึ้น แต่ถ้าคุณหมุนทรงกระบอกนี้รอบแกนอื่น สนามจะเริ่มสั่น และคลื่นความโน้มถ่วงจะวิ่งจากกระบอกสูบไปทุกทิศทาง

ข้อสรุปนี้ใช้กับวัตถุใดๆ (หรือระบบของร่างกาย) ที่ไม่สมมาตรเกี่ยวกับแกนการหมุน (ในกรณีเช่นนี้ กล่าวกันว่าวัตถุมีโมเมนต์สี่เท่า) ระบบมวลที่โมเมนต์สี่เท่าเปลี่ยนแปลงตามเวลาจะปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงออกมาเสมอ

คุณสมบัติพื้นฐานของคลื่นความโน้มถ่วง

นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์แนะนำว่าเป็นการแผ่รังสีของคลื่นความโน้มถ่วงที่ดึงพลังงานออกไป ซึ่งจำกัดความเร็วของการหมุนของพัลซาร์ขนาดใหญ่เมื่อดูดซับสสารจากดาวฤกษ์ข้างเคียง

บีคอนแรงโน้มถ่วงของอวกาศ

รังสีความโน้มถ่วงจากแหล่งกำเนิดบนโลกมีน้อยมาก เสาเหล็กน้ำหนัก 10,000 ตัน แขวนจากจุดศูนย์กลางในระนาบแนวนอนและหมุนรอบแกนตั้งสูงถึง 600 รอบต่อนาที ให้พลังงานประมาณ 10 -24 วัตต์ ดังนั้นความหวังเดียวในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงคือการหาแหล่งกำเนิดรังสีความโน้มถ่วงในจักรวาล

ในเรื่องนี้ดาวคู่ที่ใกล้กันมีแนวโน้มที่ดีมาก เหตุผลง่ายๆ คือ พลังของการแผ่รังสีความโน้มถ่วงของระบบดังกล่าวจะเพิ่มขึ้นในสัดส่วนผกผันกับกำลังที่ห้าของเส้นผ่านศูนย์กลางของมัน จะดียิ่งขึ้นไปอีกหากวิถีของดวงดาวยืดออกไปมาก เนื่องจากสิ่งนี้จะเพิ่มอัตราการเปลี่ยนแปลงของโมเมนต์สี่เท่า จะค่อนข้างดีหากระบบดาวคู่ประกอบด้วยดาวนิวตรอนหรือหลุมดำ ระบบดังกล่าวคล้ายกับบีคอนแรงโน้มถ่วงในอวกาศ - การแผ่รังสีของพวกมันเป็นแบบคาบ

นอกจากนี้ยังมีแหล่งกำเนิด "พัลส์" ในอวกาศที่สร้างแรงระเบิดโน้มถ่วงระยะสั้นแต่ทรงพลังอย่างยิ่ง สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อดาวฤกษ์มวลมากพังทลายก่อนที่จะเกิดการระเบิดของซุปเปอร์โนวา อย่างไรก็ตาม การเสียรูปของดาวฤกษ์จะต้องไม่สมมาตร ไม่เช่นนั้นการแผ่รังสีจะไม่เกิดขึ้น ในระหว่างการล่มสลาย คลื่นความโน้มถ่วงสามารถพัดพาพลังงานดาวฤกษ์ไปได้ถึง 10%! พลังของรังสีความโน้มถ่วงในกรณีนี้คือประมาณ 10 50 W. พลังงานจะถูกปล่อยออกมามากขึ้นในระหว่างการรวมตัวของดาวนิวตรอน ซึ่งพลังงานสูงสุดอยู่ที่ 10 52 W แหล่งกำเนิดรังสีที่ดีเยี่ยมคือการชนกันของหลุมดำ มวลของพวกมันสามารถเกินมวลของดาวนิวตรอนได้หลายพันล้านเท่า

แหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วงอีกแหล่งหนึ่งคือการพองตัวของจักรวาลวิทยา ทันทีหลังจากบิ๊กแบง จักรวาลเริ่มขยายตัวอย่างรวดเร็วมาก และภายในเวลาไม่ถึง 10 -34 วินาที เส้นผ่านศูนย์กลางของมันก็เพิ่มขึ้นจาก 10 -33 ซม. เป็นขนาดมหภาค กระบวนการนี้เสริมความแข็งแกร่งให้กับคลื่นความโน้มถ่วงที่มีอยู่ก่อนมันเริ่มต้นอย่างล้นเหลือและลูกหลานของพวกเขายังคงมีอยู่จนถึงทุกวันนี้

การยืนยันทางอ้อม

หลักฐานแรกของการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วงมาจากผลงานของโจเซฟ เทย์เลอร์ นักดาราศาสตร์วิทยุชาวอเมริกัน และรัสเซลล์ ฮัลส์ นักเรียนของเขา ในปี พ.ศ. 2517 พวกเขาค้นพบดาวนิวตรอนคู่หนึ่งโคจรรอบกันและกัน (พัลซาร์ที่เปล่งคลื่นวิทยุพร้อมกับสหายที่เงียบงัน) พัลซาร์หมุนรอบแกนด้วยความเร็วเชิงมุมคงที่ (ซึ่งไม่ได้เป็นเช่นนั้นเสมอไป) จึงทำหน้าที่เป็นนาฬิกาที่แม่นยำอย่างยิ่ง คุณลักษณะนี้ทำให้สามารถวัดมวลของดาวฤกษ์ทั้งสองดวงและกำหนดลักษณะของการเคลื่อนที่ในวงโคจรของดาวฤกษ์ได้ ปรากฎว่าคาบการโคจรของระบบดาวคู่นี้ (ประมาณ 3 ชั่วโมง 45 นาที) ลดลง 70 μs ต่อปี ค่านี้เข้ากันได้ดีกับการแก้สมการของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปซึ่งอธิบายการสูญเสียพลังงานของดาวฤกษ์คู่หนึ่งเนื่องจากการแผ่รังสีความโน้มถ่วง (อย่างไรก็ตาม การชนกันของดาวเหล่านี้จะไม่เกิดขึ้นในไม่ช้าหลังจาก 300 ล้านปี) ในปี 1993 Taylor และ Hulse ได้รับรางวัลโนเบลจากการค้นพบนี้

เสาอากาศคลื่นแรงโน้มถ่วง

จะตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงด้วยวิธีทดลองได้อย่างไร? Weber ใช้กระบอกอะลูมิเนียมตันแข็งยาวหนึ่งเมตรพร้อมเซ็นเซอร์เพียโซอิเล็กทริกที่ปลายเป็นเครื่องตรวจจับ พวกเขาถูกแยกออกจากอิทธิพลทางกลภายนอกในห้องสุญญากาศด้วยความระมัดระวังสูงสุด เวเบอร์ติดตั้งกระบอกสูบสองกระบอกในบังเกอร์ใต้สนามกอล์ฟของมหาวิทยาลัยแมริแลนด์ และอีกหนึ่งกระบอกที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอนน์

แนวคิดของการทดลองนั้นเรียบง่าย อวกาศถูกบีบอัดและยืดออกภายใต้อิทธิพลของคลื่นความโน้มถ่วง ด้วยเหตุนี้ กระบอกสูบจึงสั่นสะเทือนในทิศทางตามยาว โดยทำหน้าที่เป็นเสาอากาศคลื่นความโน้มถ่วง และคริสตัลเพียโซอิเล็กทริกจะแปลงการสั่นสะเทือนให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า คลื่นความโน้มถ่วงจักรวาลที่ผ่านไปเกือบจะพร้อมกันส่งผลต่อเครื่องตรวจจับที่แยกจากกันเป็นระยะทางหนึ่งพันกิโลเมตร ซึ่งทำให้สามารถกรองแรงกระตุ้นความโน้มถ่วงจากสัญญาณรบกวนประเภทต่างๆ ได้

เซ็นเซอร์ของเวเบอร์สามารถตรวจจับการกระจัดของปลายกระบอกสูบเท่ากับ 10 -15 ของความยาว - ในกรณีนี้คือ 10 -13 ซม. มันเป็นความผันผวนอย่างแม่นยำที่เวเบอร์สามารถตรวจจับได้ซึ่งเขารายงานครั้งแรกในปี 2502 เป็นต้นไป หน้า จดหมายทบทวนทางกายภาพ- ความพยายามทั้งหมดที่จะทำซ้ำผลลัพธ์เหล่านี้ไร้ประโยชน์ ข้อมูลของเวเบอร์ยังขัดแย้งกับทฤษฎีซึ่งในทางปฏิบัติแล้วไม่อนุญาตให้เราคาดหวังการกระจัดสัมพัทธ์ที่สูงกว่า 10 -18 (และค่าที่น้อยกว่า 10 -20 มีแนวโน้มมากกว่ามาก) เป็นไปได้ว่าเวเบอร์ทำผิดพลาดเมื่อประมวลผลผลลัพธ์ทางสถิติ ความพยายามครั้งแรกในการทดลองตรวจจับรังสีโน้มถ่วงจบลงด้วยความล้มเหลว

ต่อมา เสาอากาศคลื่นโน้มถ่วงได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ ในปี 1967 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน บิล แฟร์แบงค์ เสนอให้ทำความเย็นด้วยฮีเลียมเหลว สิ่งนี้ไม่เพียงทำให้สามารถกำจัดสัญญาณรบกวนจากความร้อนส่วนใหญ่ได้ แต่ยังเปิดความเป็นไปได้ในการใช้ SQUID (อินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ควอนตัมตัวนำยิ่งยวด) ซึ่งเป็นเครื่องวัดสนามแม่เหล็กที่มีความไวสูงพิเศษที่แม่นยำที่สุด การนำแนวคิดนี้ไปใช้นั้นเต็มไปด้วยปัญหาทางเทคนิคมากมายและแฟร์แบงค์เองก็ไม่ได้มีชีวิตอยู่เพื่อดูมัน ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดได้สร้างสิ่งปลูกสร้างที่มีความไว 10 -18 แต่ตรวจไม่พบคลื่น ขณะนี้ในหลายประเทศมีเครื่องตรวจจับการสั่นสะเทือนแบบอุลตร้าไครโอเจนิกของคลื่นความโน้มถ่วงที่ทำงานที่อุณหภูมิเพียงหนึ่งในสิบและร้อยขององศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์เท่านั้น ตัวอย่างเช่น การติดตั้ง AURIGA ในปาดัว เสาอากาศสำหรับมันคือทรงกระบอกยาวสามเมตรทำจากโลหะผสมอลูมิเนียมแมกนีเซียมซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 60 ซม. และน้ำหนัก 2.3 ตัน มันถูกแขวนไว้ในห้องสุญญากาศที่เย็นลงถึง 0.1 K. แรงกระแทก (ด้วยความถี่ ประมาณ 1,000 เฮิรตซ์) จะถูกส่งไปยังเครื่องสะท้อนเสียงเสริมที่มีน้ำหนัก 1 กิโลกรัม ซึ่งสั่นสะเทือนด้วยความถี่เดียวกัน แต่มีแอมพลิจูดที่ใหญ่กว่ามาก การสั่นสะเทือนเหล่านี้จะถูกบันทึกโดยอุปกรณ์วัดและวิเคราะห์โดยใช้คอมพิวเตอร์ ความไวของ AURIGA complex อยู่ที่ประมาณ 10 -20 -10 -21

อินเทอร์เฟอโรมิเตอร์

อีกวิธีหนึ่งในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงคือการละทิ้งตัวสะท้อนขนาดใหญ่เพื่อหันไปหารังสีแสง มันถูกเสนอครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์โซเวียต มิคาอิล เฮอร์เซนสไตน์ และวลาดิสลาฟ ปุสโตวอต ในปี 1962 และอีกสองปีต่อมาโดยเวเบอร์ ในช่วงต้นทศวรรษ 1970 เป็นพนักงานในห้องปฏิบัติการวิจัยของบริษัท เครื่องบินฮิวจ์ส Robert Forward (อดีตนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ Weber ต่อมาเป็นนักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียงมาก) ได้สร้างเครื่องตรวจจับเครื่องแรกที่มีความไวค่อนข้างดี ในเวลาเดียวกัน ศาสตราจารย์ Rainer Weiss สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ได้ทำการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีที่ลึกซึ้งมากเกี่ยวกับความเป็นไปได้ในการบันทึกคลื่นความโน้มถ่วงโดยใช้วิธีเชิงแสง

วิธีการเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการใช้อะนาล็อกของอุปกรณ์ซึ่งนักฟิสิกส์ Albert Michelson เมื่อ 125 ปีที่แล้วได้พิสูจน์ว่าความเร็วแสงนั้นเท่ากันทุกทิศทางอย่างเคร่งครัด ในการติดตั้งนี้ อินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ของ Michelson ซึ่งเป็นลำแสงกระทบกับแผ่นโปร่งแสงและแบ่งออกเป็นลำแสงที่ตั้งฉากกันสองอัน ซึ่งสะท้อนจากกระจกที่อยู่ในระยะห่างเท่ากันจากแผ่น จากนั้นลำแสงจะรวมกันอีกครั้งและตกลงบนหน้าจอ โดยมีรูปแบบการรบกวนปรากฏขึ้น (แถบและเส้นสีอ่อนและเข้ม) หากความเร็วแสงขึ้นอยู่กับทิศทางของมัน เมื่อหมุนการติดตั้งทั้งหมด ภาพนี้ก็จะเปลี่ยนไป ถ้าไม่เช่นนั้น ก็ควรคงเหมือนเดิม

เครื่องตรวจจับการรบกวนของคลื่นโน้มถ่วงทำงานในลักษณะเดียวกัน คลื่นที่ผ่านไปจะเปลี่ยนรูปอวกาศและเปลี่ยนความยาวของแขนแต่ละข้างของอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ (เส้นทางที่แสงเดินทางจากตัวแยกสัญญาณไปยังกระจก) โดยยืดแขนข้างหนึ่งและบีบแขนอีกข้างหนึ่ง รูปแบบการรบกวนเปลี่ยนแปลง และสามารถบันทึกได้ แต่นี่ไม่ใช่เรื่องง่าย: หากการเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ที่คาดหวังในความยาวของแขนของอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์คือ 10 -20 ดังนั้นด้วยขนาดโต๊ะของอุปกรณ์ (เช่นของมิเชลสัน) จะส่งผลให้เกิดการแกว่งด้วยแอมพลิจูดลำดับที่ 10 - 18 ซม. เพื่อเปรียบเทียบ: คลื่นแสงที่มองเห็นยาวกว่า 10 ล้านล้านเท่า! คุณสามารถเพิ่มความยาวของไหล่ได้หลายกิโลเมตร แต่ปัญหายังคงอยู่ แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์จะต้องมีทั้งความถี่ที่ทรงพลังและเสถียร กระจกจะต้องแบนอย่างสมบูรณ์และสะท้อนแสงได้อย่างสมบูรณ์แบบ สุญญากาศในท่อที่แสงเดินทางผ่านจะต้องลึกที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และเสถียรภาพทางกลของทั้งระบบจะต้องเป็น สมบูรณ์แบบอย่างแท้จริง กล่าวโดยสรุป เครื่องตรวจจับการรบกวนของคลื่นโน้มถ่วงเป็นอุปกรณ์ที่มีราคาแพงและเทอะทะ

ปัจจุบันการติดตั้งประเภทนี้ที่ใหญ่ที่สุดคือ American LIGO complex (หอดูดาวคลื่นความโน้มถ่วงอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์แสง)- ประกอบด้วยหอดูดาว 2 แห่ง แห่งหนึ่งตั้งอยู่บนชายฝั่งแปซิฟิกของสหรัฐอเมริกา และอีกแห่งอยู่ใกล้อ่าวเม็กซิโก การวัดทำได้โดยใช้อินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ 3 อัน (2 อันในรัฐวอชิงตัน และ 1 อันในรัฐลุยเซียนา) ที่มีแขนยาวสี่กิโลเมตร การติดตั้งมาพร้อมกับตัวสะสมแสงกระจกซึ่งเพิ่มความไว “ตั้งแต่เดือนพฤศจิกายน 2548 อินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ทั้งสามเครื่องของเราทำงานได้ตามปกติ” Peter Solson ตัวแทนของ LIGO complex ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัย Syracuse กล่าวกับ Popular Mechanics - เราแลกเปลี่ยนข้อมูลกับหอดูดาวอื่นๆ อย่างต่อเนื่องที่พยายามตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงด้วยความถี่หลายสิบถึงร้อยเฮิรตซ์ ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการระเบิดของซูเปอร์โนวาที่ทรงพลังที่สุดและการรวมตัวกันของดาวนิวตรอนและหลุมดำ ที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบันคือเครื่องวัดอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ GEO 600 ของเยอรมัน (ความยาวแขน - 600 ม.) ซึ่งอยู่ห่างจากฮันโนเวอร์ 25 กม. เครื่องดนตรี TAMA ของญี่ปุ่นระยะ 300 เมตรกำลังได้รับการอัปเกรด เครื่องตรวจจับราศีกันย์ระยะทาง 3 กิโลเมตรใกล้เมืองปิซาจะเข้าร่วมความพยายามในต้นปี 2550 และที่ความถี่ต่ำกว่า 50 เฮิรตซ์ จะสามารถแซงหน้า LIGO ได้ การติดตั้งที่มีเครื่องสะท้อนกลับแบบอัลตราไครโอเจนิกทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น แม้ว่าความไวของพวกมันจะยังน้อยกว่าของเราอยู่บ้างก็ตาม”

อนาคต

อนาคตอันใกล้นี้จะเป็นอย่างไรสำหรับวิธีการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง? ศาสตราจารย์ Rainer Weiss บอกกับ Popular Mechanics เกี่ยวกับเรื่องนี้: "ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า เลเซอร์ที่ทรงพลังมากขึ้นและเครื่องตรวจจับขั้นสูงจะถูกติดตั้งในหอดูดาวของ LIGO complex ซึ่งจะนำไปสู่ความไวเพิ่มขึ้น 15 เท่า ตอนนี้อยู่ที่ 10 -21 (ที่ความถี่ประมาณ 100 Hz) และหลังจากการปรับปรุงใหม่จะเกิน 10 -22 คอมเพล็กซ์ที่ได้รับการอัพเกรด Advanced LIGO จะเพิ่มความลึกของการเจาะเข้าไปในอวกาศได้ 15 เท่า ศาสตราจารย์ Vladimir Braginsky จากมหาวิทยาลัยแห่งรัฐมอสโก ซึ่งเป็นหนึ่งในผู้บุกเบิกการศึกษาคลื่นความโน้มถ่วง มีส่วนร่วมอย่างแข็งขันในโครงการนี้

การเปิดตัวเครื่องวัดระยะอวกาศของ LISA มีการวางแผนไว้ในช่วงกลางทศวรรษหน้า ( เสาอากาศอวกาศเลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์) ด้วยความยาวแขน 5 ล้านกิโลเมตร เป็นโครงการร่วมของ NASA และองค์การอวกาศยุโรป ความไวของหอดูดาวนี้จะสูงกว่าความสามารถของอุปกรณ์ภาคพื้นดินหลายร้อยเท่า ได้รับการออกแบบมาเพื่อค้นหาคลื่นความโน้มถ่วงความถี่ต่ำ (10 -4 -10 -1 เฮิร์ตซ์) เป็นหลัก ซึ่งไม่สามารถตรวจจับได้บนพื้นผิวโลกเนื่องจากการรบกวนของชั้นบรรยากาศและแผ่นดินไหว คลื่นดังกล่าวถูกปล่อยออกมาจากระบบดาวคู่ซึ่งเป็นประชากรทั่วไปในจักรวาล LISA ยังสามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นเมื่อดาวฤกษ์ธรรมดาถูกกลืนกินโดยหลุมดำ แต่ในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่ส่งข้อมูลเกี่ยวกับสถานะของสสารในช่วงเวลาแรกหลังบิ๊กแบง มักจำเป็นต้องใช้เครื่องมืออวกาศขั้นสูงกว่านี้ การติดตั้งดังกล่าว ผู้สังเกตการณ์บิ๊กแบงขณะนี้อยู่ระหว่างการหารือ แต่ไม่น่าจะถูกสร้างขึ้นและเปิดตัวเร็วกว่าใน 30-40 ปี”

ในวันพฤหัสบดีที่ 11 กุมภาพันธ์ กลุ่มนักวิทยาศาสตร์จากโครงการระหว่างประเทศ LIGO Scientific Collaboration ได้ประกาศว่าพวกเขาประสบความสำเร็จ ซึ่งอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ คาดการณ์การมีอยู่ของมันไว้ในปี 1916 ตามที่นักวิจัยระบุเมื่อวันที่ 14 กันยายน 2558 พวกเขาบันทึกคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากการชนกันของหลุมดำสองแห่งซึ่งมีน้ำหนัก 29 และ 36 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ หลังจากนั้นพวกมันก็รวมกันเป็นหลุมดำขนาดใหญ่หนึ่งหลุม ตามที่พวกเขากล่าวไว้ สิ่งนี้น่าจะเกิดขึ้นเมื่อ 1.3 พันล้านปีก่อนที่ระยะห่าง 410 เมกะพาร์เซกจากกาแลคซีของเรา

LIGA.net พูดถึงรายละเอียดเกี่ยวกับคลื่นความโน้มถ่วงและการค้นพบครั้งใหญ่ บ็อกดาน ฮนาติคนักวิทยาศาสตร์ชาวยูเครน นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ ดุษฎีบัณฑิตสาขาวิทยาศาสตร์กายภาพและคณิตศาสตร์ นักวิจัยชั้นนำของหอดูดาวดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยแห่งชาติ Taras Shevchenko แห่ง Kyiv ซึ่งเป็นหัวหน้าหอดูดาวตั้งแต่ปี 2544 ถึง 2547

ทฤษฎีในแง่ง่าย

ฟิสิกส์ศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างร่างกาย เป็นที่ยอมรับว่ามีปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุสี่ประเภท: ปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้า, ปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบแรงและแบบอ่อน และปฏิกิริยาแรงโน้มถ่วง ซึ่งเราทุกคนรู้สึก เนื่องจากปฏิสัมพันธ์ของแรงโน้มถ่วง ดาวเคราะห์จึงหมุนรอบดวงอาทิตย์ วัตถุจึงมีน้ำหนักและตกลงสู่พื้น มนุษย์ต้องเผชิญกับปฏิสัมพันธ์ของแรงโน้มถ่วงอยู่ตลอดเวลา

ในปี 1916 เมื่อ 100 ปีที่แล้ว อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้สร้างทฤษฎีแรงโน้มถ่วงที่ปรับปรุงทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตัน ทำให้ทฤษฎีนี้ถูกต้องทางคณิตศาสตร์ โดยเริ่มเป็นไปตามข้อกำหนดทั้งหมดของฟิสิกส์ และเริ่มคำนึงถึงข้อเท็จจริงที่ว่าแรงโน้มถ่วงแพร่กระจายในระดับมาก สูงแต่มีความเร็วจำกัด นี่เป็นหนึ่งในความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของไอน์สไตน์อย่างถูกต้อง เนื่องจากเขาสร้างทฤษฎีแรงโน้มถ่วงที่สอดคล้องกับปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ทั้งหมดที่เราสังเกตเห็นในปัจจุบัน

ทฤษฎีนี้ยังเสนอแนะการดำรงอยู่ด้วย คลื่นความโน้มถ่วง- พื้นฐานของการทำนายนี้คือคลื่นความโน้มถ่วงมีอยู่อันเป็นผลมาจากอันตรกิริยาโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นเนื่องจากการรวมตัวกันของวัตถุขนาดใหญ่สองแห่ง

คลื่นความโน้มถ่วงคืออะไร

ในภาษาที่ซับซ้อน นี่คือการกระตุ้นของหน่วยเมตริกกาล-อวกาศ “สมมติว่าอวกาศมีความยืดหยุ่นและคลื่นสามารถไหลผ่านได้ มันคล้ายกับเมื่อเราโยนก้อนกรวดลงไปในน้ำแล้วคลื่นก็กระจายออกไป” แพทย์สาขาวิทยาศาสตร์กายภาพและคณิตศาสตร์บอกกับ LIGA.net

นักวิทยาศาสตร์สามารถทดลองพิสูจน์ได้ว่ามีการแกว่งคล้าย ๆ กันเกิดขึ้นในจักรวาลและมีคลื่นความโน้มถ่วงวิ่งไปทุกทิศทาง “ ในทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์เป็นครั้งแรกที่มีการบันทึกปรากฏการณ์ของวิวัฒนาการความหายนะของระบบเลขฐานสองเมื่อวัตถุสองชิ้นรวมกันเป็นหนึ่งเดียวและการรวมกันนี้นำไปสู่การปลดปล่อยพลังงานความโน้มถ่วงที่รุนแรงมากซึ่งจากนั้นจะแพร่กระจายไปในอวกาศในรูปแบบ ของคลื่นความโน้มถ่วง” นักวิทยาศาสตร์อธิบาย

คลื่นความโน้มถ่วงเหล่านี้อ่อนแอมาก และเพื่อให้พวกมันสั่นกาลอวกาศ-เวลา ปฏิสัมพันธ์ของวัตถุที่มีขนาดใหญ่และใหญ่มากเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้ความเข้มของสนามโน้มถ่วงสูง ณ จุดกำเนิด แต่ถึงแม้จะมีจุดอ่อน แต่ผู้สังเกตจะบันทึกคลื่นความโน้มถ่วงนี้หลังจากผ่านไประยะหนึ่ง (เท่ากับระยะทางของการโต้ตอบหารด้วยความเร็วของสัญญาณ)

ลองยกตัวอย่าง: ถ้าโลกตกลงบนดวงอาทิตย์ ปฏิกิริยาโน้มถ่วงก็จะเกิดขึ้น พลังงานความโน้มถ่วงจะถูกปล่อยออกมา คลื่นสมมาตรทรงกลมโน้มถ่วงจะเกิดขึ้น และผู้สังเกตการณ์จะสามารถบันทึกได้ “ปรากฏการณ์ที่คล้ายกันแต่ไม่เหมือนใครจากมุมมองของดาราศาสตร์ฟิสิกส์เกิดขึ้นที่นี่ วัตถุขนาดใหญ่สองก้อนชนกัน - หลุมดำสองหลุม” กนาตีคตั้งข้อสังเกต

กลับมาที่ทฤษฎีกันดีกว่า

หลุมดำเป็นอีกคำทำนายของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ซึ่งระบุว่าวัตถุที่มีมวลมหาศาล แต่มวลนี้มีความเข้มข้นในปริมาตรเพียงเล็กน้อย สามารถบิดเบือนอวกาศรอบๆ อย่างมีนัยสำคัญได้จนกระทั่งปิดตัวลง นั่นคือสันนิษฐานว่าเมื่อถึงความเข้มข้นวิกฤตของมวลของร่างกายนี้ - เช่นขนาดของร่างกายจะน้อยกว่ารัศมีความโน้มถ่วงที่เรียกว่า พื้นที่รอบ ๆ วัตถุนี้จะถูกปิดและโครงสร้างของมัน จะเป็นเช่นนั้นไม่มีสัญญาณจากมันจะแพร่กระจายออกไปนอกพื้นที่ปิดไม่ได้

“พูดง่ายๆ ก็คือหลุมดำนั้นเป็นวัตถุขนาดใหญ่ที่หนักมากจนปิดกาลอวกาศรอบตัวเอง” นักวิทยาศาสตร์กล่าว

และตามที่เขาพูดเราสามารถส่งสัญญาณใด ๆ ไปยังวัตถุนี้ได้ แต่เขาไม่สามารถส่งสัญญาณให้เราได้ นั่นคือไม่มีสัญญาณใดสามารถไปไกลกว่าหลุมดำได้

หลุมดำมีชีวิตอยู่ตามกฎทางกายภาพทั่วไป แต่ด้วยแรงโน้มถ่วงที่รุนแรง ไม่ใช่วัตถุใดวัตถุหนึ่ง แม้แต่โฟตอน ก็สามารถผ่านพ้นพื้นผิววิกฤตนี้ได้ หลุมดำเกิดขึ้นในช่วงวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ธรรมดา เมื่อแกนกลางยุบตัวและส่วนหนึ่งของสสารของดาวยุบตัวกลายเป็นหลุมดำ และอีกส่วนหนึ่งของดาวฤกษ์ถูกดีดออกมาในรูปของเปลือกซูเปอร์โนวากลายเป็นหลุมดำ ที่เรียกว่า "การระเบิด" ของซูเปอร์โนวา

เราเห็นคลื่นความโน้มถ่วงได้อย่างไร

ลองยกตัวอย่าง เมื่อเรามีสองทุ่นบนผิวน้ำและน้ำสงบ ระยะห่างระหว่างพวกมันจะคงที่ เมื่อคลื่นมาถึง มันจะเข้ามาแทนที่ทุ่นเหล่านี้ และระยะห่างระหว่างทุ่นจะเปลี่ยนไป คลื่นได้ผ่านไปแล้ว - และทุ่นจะกลับสู่ตำแหน่งก่อนหน้า และระยะห่างระหว่างพวกมันก็กลับคืนมา

คลื่นความโน้มถ่วงแพร่กระจายในอวกาศ-เวลาในลักษณะที่คล้ายกัน: คลื่นบีบอัดและยืดร่างกายและวัตถุที่บรรจบกันบนเส้นทางของมัน “เมื่อวัตถุบางอย่างมาบรรจบกันบนเส้นทางของคลื่น มันจะมีรูปร่างผิดปกติไปตามแกนของมัน และหลังจากที่มันผ่านไป มันก็จะกลับคืนสู่รูปร่างเดิม ภายใต้อิทธิพลของคลื่นความโน้มถ่วง วัตถุทั้งหมดจะมีรูปร่างผิดปกติ แต่ความผิดปกติเหล่านี้เกิดขึ้นอย่างมาก ไม่มีนัยสำคัญ” Gnatyk กล่าว

เมื่อคลื่นที่นักวิทยาศาสตร์บันทึกได้ผ่านไป ขนาดสัมพัทธ์ของวัตถุในอวกาศเปลี่ยนไปด้วยจำนวน 1 คูณ 10 เป็นกำลังลบ 21 ตัวอย่างเช่น หากคุณใช้ไม้บรรทัดเมตร ก็จะหดตัวลงด้วยขนาดคูณด้วย 10 ยกกำลัง 21 นี่เป็นจำนวนที่น้อยมาก และปัญหาก็คือนักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องเรียนรู้วิธีวัดระยะทางนี้ วิธีการทั่วไปให้ความแม่นยำของลำดับ 1 ใน 10 ถึงยกกำลัง 9 ของล้าน แต่ที่นี่จำเป็นต้องมีความแม่นยำที่สูงกว่ามาก เพื่อจุดประสงค์นี้ สิ่งที่เรียกว่าเสาอากาศโน้มถ่วง (เครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง) จึงถูกสร้างขึ้น

เสาอากาศที่บันทึกคลื่นความโน้มถ่วงถูกสร้างขึ้นในลักษณะนี้ มีท่อสองท่อ ยาวประมาณ 4 กิโลเมตร อยู่ในรูปตัวอักษร "L" แต่มีแขนเท่ากันและทำมุมฉาก เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงกระทบกับระบบ ปีกของเสาอากาศจะเปลี่ยนรูป แต่ขึ้นอยู่กับทิศทางของมัน ปีกของเสาอากาศจะเปลี่ยนรูปอีกอันหนึ่งและอีกอันหนึ่งเปลี่ยนรูปน้อยลง จากนั้นความแตกต่างของเส้นทางก็เกิดขึ้น รูปแบบการรบกวนของสัญญาณจะเปลี่ยนไป - แอมพลิจูดบวกหรือลบทั้งหมดจะปรากฏขึ้น

“กล่าวคือ การเคลื่อนตัวของคลื่นความโน้มถ่วงจะคล้ายกับคลื่นบนน้ำที่ผ่านระหว่างลูกลอย 2 ลูก ถ้าเราวัดระยะห่างระหว่างลูกลอยทั้งระหว่างและหลังลูกลอย เราจะเห็นว่าระยะทางจะเปลี่ยนไป แล้วจึงกลายเป็น เหมือนเดิมอีกครั้ง” เขากล่าวกนาติค

ต่อไปนี้เป็นการวัดการเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ในระยะห่างของปีกทั้งสองของอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ ซึ่งแต่ละปีกมีความยาวประมาณ 4 กิโลเมตร และมีเพียงเทคโนโลยีและระบบที่แม่นยำมากเท่านั้นที่สามารถวัดการกระจัดของปีกด้วยกล้องจุลทรรศน์ที่เกิดจากคลื่นความโน้มถ่วง

ที่ขอบจักรวาล คลื่นมาจากไหน?

นักวิทยาศาสตร์บันทึกสัญญาณโดยใช้เครื่องตรวจจับสองตัวซึ่งตั้งอยู่ในสองรัฐในสหรัฐอเมริกา: ลุยเซียนาและวอชิงตันในระยะทางประมาณ 3 พันกิโลเมตร นักวิทยาศาสตร์สามารถประมาณได้ว่าสัญญาณนี้มาที่ไหนและจากระยะไกลเท่าใด การประมาณการแสดงให้เห็นว่าสัญญาณมาจากระยะห่าง 410 เมกะพาร์เซก เมกะพาร์เซกคือระยะทางที่แสงเดินทางในสามล้านปี

เพื่อให้ง่ายต่อการจินตนาการ: กาแลคซีกัมมันต์ที่ใกล้ที่สุดสำหรับเราซึ่งมีหลุมดำมวลมหาศาลอยู่ตรงกลางคือ Centaurus A ซึ่งอยู่ห่างจากเราสี่เมกะพาร์เซก ในขณะที่เนบิวลาแอนโดรเมดาอยู่ที่ระยะทาง 0.7 เมกะพาร์เซก “นั่นคือระยะทางที่สัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงมานั้นไกลมากจนสัญญาณเดินทางมายังโลกประมาณ 1.3 พันล้านปี สิ่งเหล่านี้เป็นระยะทางทางจักรวาลวิทยาที่ไปถึงประมาณ 10% ของขอบฟ้าของจักรวาลของเรา” นักวิทยาศาสตร์กล่าว

ที่ระยะนี้ ในกาแลคซีไกลโพ้นบางแห่ง มีหลุมดำสองแห่งมารวมกัน ในอีกด้านหนึ่ง รูเหล่านี้มีขนาดค่อนข้างเล็ก และในทางกลับกัน แอมพลิจูดของสัญญาณขนาดใหญ่บ่งบอกว่าพวกมันหนักมาก พบว่ามีมวล 36 และ 29 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ตามลำดับ ดังที่ทราบกันว่ามวลของดวงอาทิตย์มีค่าเท่ากับ 2 คูณ 10 ยกกำลัง 30 ของกิโลกรัม หลังจากการควบรวมกิจการ วัตถุทั้งสองนี้รวมกันและตอนนี้หลุมดำหลุมเดียวได้ก่อตัวขึ้นแทนที่ซึ่งมีมวลเท่ากับ 62 มวลดวงอาทิตย์ ในเวลาเดียวกัน ดวงอาทิตย์ประมาณสามมวลกระเด็นออกมาในรูปของพลังงานคลื่นความโน้มถ่วง

ใครเป็นผู้ค้นพบและเมื่อใด

นักวิทยาศาสตร์จากโครงการ LIGO ระหว่างประเทศสามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้เมื่อวันที่ 14 กันยายน 2558 ลิโก (หอสังเกตการณ์แรงโน้มถ่วงด้วยเลเซอร์อินเทอร์เฟอโรเมทรี)เป็นโครงการระหว่างประเทศที่รัฐหลายรัฐมีส่วนร่วม โดยให้การสนับสนุนทางการเงินและวิทยาศาสตร์ โดยเฉพาะสหรัฐอเมริกา อิตาลี ญี่ปุ่นซึ่งมีความก้าวหน้าในด้านการวิจัยนี้

ภาพต่อไปนี้ถูกบันทึก: ปีกของเครื่องตรวจจับความโน้มถ่วงขยับเนื่องจากการเคลื่อนตัวของคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นจริงผ่านโลกของเราและผ่านการติดตั้งนี้ ตอนนั้นไม่ได้รายงานสิ่งนี้ เนื่องจากต้องประมวลผลสัญญาณ "ทำความสะอาด" จึงพบแอมพลิจูดและตรวจสอบ นี่เป็นขั้นตอนมาตรฐาน: ตั้งแต่การค้นพบจริงไปจนถึงการประกาศการค้นพบ ต้องใช้เวลาหลายเดือนในการออกแถลงการณ์ที่เป็นรูปธรรม “ไม่มีใครอยากทำลายชื่อเสียงของตนเอง นี่เป็นข้อมูลที่เป็นความลับ ก่อนที่จะเผยแพร่โดยไม่มีใครรู้ มีเพียงข่าวลือเท่านั้น” Hnatyk กล่าว

เรื่องราว

คลื่นความโน้มถ่วงได้รับการศึกษามาตั้งแต่ทศวรรษที่ 70 ของศตวรรษที่ผ่านมา ในช่วงเวลานี้ มีการสร้างเครื่องตรวจจับจำนวนหนึ่งและมีการศึกษาพื้นฐานจำนวนหนึ่ง ในยุค 80 นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน Joseph Weber ได้สร้างเสาอากาศโน้มถ่วงตัวแรกในรูปแบบของกระบอกอลูมิเนียมซึ่งมีขนาดประมาณหลายเมตร ติดตั้งเซ็นเซอร์เพียโซที่ควรบันทึกการผ่านของคลื่นโน้มถ่วง

ความไวของอุปกรณ์นี้แย่กว่าเครื่องตรวจจับปัจจุบันถึงล้านเท่า และแน่นอนว่าตอนนั้นเขาไม่สามารถตรวจจับคลื่นได้จริงๆ แม้ว่าเวเบอร์จะประกาศว่าเขาได้ทำมันแล้วก็ตาม สื่อมวลชนเขียนเกี่ยวกับมันและเกิด "แรงโน้มถ่วงบูม" - โลกเริ่มสร้างเสาอากาศโน้มถ่วงทันที เวเบอร์สนับสนุนให้นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ศึกษาคลื่นความโน้มถ่วงและทำการทดลองปรากฏการณ์นี้ต่อไป ซึ่งทำให้สามารถเพิ่มความไวของเครื่องตรวจจับได้นับล้านครั้ง

อย่างไรก็ตาม ปรากฏการณ์ของคลื่นความโน้มถ่วงนั้นถูกบันทึกไว้ในศตวรรษที่ผ่านมา เมื่อนักวิทยาศาสตร์ค้นพบพัลซาร์คู่ นี่เป็นการบันทึกโดยอ้อมถึงความจริงที่ว่าคลื่นความโน้มถ่วงมีอยู่จริง ซึ่งพิสูจน์ผ่านการสังเกตทางดาราศาสตร์แล้ว พัลซาร์ถูกค้นพบโดยรัสเซลล์ ฮัลส์และโจเซฟ เทย์เลอร์ในปี พ.ศ. 2517 ระหว่างการสำรวจด้วยกล้องโทรทรรศน์วิทยุหอดูดาวอาเรซีโบ นักวิทยาศาสตร์ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1993 "สำหรับการค้นพบพัลซาร์ชนิดใหม่ ซึ่งให้โอกาสใหม่ในการศึกษาแรงโน้มถ่วง"

การวิจัยในโลกและยูเครน

ในอิตาลี โครงการที่คล้ายกันที่เรียกว่า Virgo ใกล้จะเสร็จสมบูรณ์แล้ว ญี่ปุ่นตั้งใจที่จะเปิดตัวเครื่องตรวจจับที่คล้ายกันนี้ภายในหนึ่งปี และอินเดียก็กำลังเตรียมการทดลองดังกล่าวด้วย นั่นคือมีเครื่องตรวจจับที่คล้ายกันอยู่ในหลายส่วนของโลก แต่ยังไม่ถึงโหมดความไวเพื่อให้เราสามารถพูดคุยเกี่ยวกับการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้

“อย่างเป็นทางการ ยูเครนไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของ LIGO และไม่ได้มีส่วนร่วมในโครงการของอิตาลีและญี่ปุ่น ในบรรดาพื้นที่พื้นฐานดังกล่าว ขณะนี้ยูเครนเข้าร่วมในโครงการ LHC (Large Hadron Collider) และใน CERN (เราจะเป็นผู้เข้าร่วมอย่างเป็นทางการเท่านั้น) หลังจากชำระค่าธรรมเนียมแรกเข้าแล้ว)” โบห์ดาน กนาตีก ดุษฎีบัณฑิตสาขาวิทยาศาสตร์กายภาพและคณิตศาสตร์ กล่าวกับ LIGA.net

ตามที่เขาพูดตั้งแต่ปี 2558 ยูเครนเป็นสมาชิกเต็มรูปแบบของความร่วมมือระหว่างประเทศ CTA (Cerenkov Telescope Array) ซึ่งกำลังสร้างกล้องโทรทรรศน์หลายตัวที่ทันสมัย เทวีช่วงแกมมายาว (ด้วยพลังงานโฟตอนสูงถึง 1,014 eV) “แหล่งที่มาหลักของโฟตอนดังกล่าวคือบริเวณใกล้กับหลุมดำมวลมหาศาลอย่างแม่นยำ การแผ่รังสีความโน้มถ่วงซึ่งถูกบันทึกครั้งแรกโดยเครื่องตรวจจับ LIGO ดังนั้นการเปิดหน้าต่างใหม่ในดาราศาสตร์ - คลื่นความโน้มถ่วงและพหุคูณ เทวี“เทคโนโลยีแม่เหล็กไฟฟ้าโนโกะสัญญาว่าเราจะค้นพบอีกมากมายในอนาคต” นักวิทยาศาสตร์กล่าวเสริม

อะไรต่อไป และความรู้ใหม่จะช่วยผู้คนได้อย่างไร? นักวิทยาศาสตร์ไม่เห็นด้วย บางคนบอกว่านี่เป็นเพียงก้าวต่อไปในการทำความเข้าใจกลไกของจักรวาล คนอื่นๆ มองว่านี่เป็นก้าวแรกสู่เทคโนโลยีใหม่ๆ สำหรับการเคลื่อนตัวผ่านกาลเวลาและอวกาศ ไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง การค้นพบนี้พิสูจน์ให้เห็นอีกครั้งว่าเราเข้าใจน้อยเพียงใดและยังต้องเรียนรู้อีกมากเพียงใด

นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ได้ยืนยันการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ คาดการณ์ไว้เมื่อประมาณ 100 ปีที่แล้ว ตรวจพบโดยใช้เครื่องตรวจจับที่หอดูดาวคลื่นโน้มถ่วง LIGO ซึ่งตั้งอยู่ในสหรัฐอเมริกา

นับเป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์ที่มนุษยชาติบันทึกคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งเป็นการสั่นของอวกาศ-เวลาที่มายังโลกจากการชนกันของหลุมดำ 2 แห่งที่เกิดขึ้นในจักรวาลอันห่างไกล นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียก็มีส่วนในการค้นพบนี้เช่นกัน เมื่อวันพฤหัสบดี นักวิจัยพูดคุยเกี่ยวกับการค้นพบของพวกเขาทั่วโลก ในวอชิงตัน ลอนดอน ปารีส เบอร์ลิน และเมืองอื่นๆ รวมถึงมอสโก

ภาพถ่ายแสดงการจำลองการชนกันของหลุมดำ

ในงานแถลงข่าวที่สำนักงาน Rambler&Co Valery Mitrofanov หัวหน้าแผนกความร่วมมือ LIGO ของรัสเซีย ได้ประกาศการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วง:

“เรารู้สึกเป็นเกียรติที่ได้เข้าร่วมโครงการนี้และนำเสนอผลงานให้กับคุณ ตอนนี้ฉันจะบอกคุณถึงความหมายของการค้นพบนี้เป็นภาษารัสเซีย เราได้เห็นภาพที่สวยงามของเครื่องตรวจจับ LIGO ในสหรัฐอเมริกาแล้ว ระยะห่างระหว่างพวกเขาคือ 3,000 กม. ภายใต้อิทธิพลของคลื่นความโน้มถ่วง เครื่องตรวจจับตัวหนึ่งได้ขยับตัว หลังจากนั้นเราก็ค้นพบพวกมัน ตอนแรกเราเห็นแต่เสียงรบกวนบนคอมพิวเตอร์ จากนั้นมวลของเครื่องตรวจจับแฮมฟอร์ดก็เริ่มสั่น หลังจากคำนวณข้อมูลที่ได้รับ เราก็ระบุได้ว่าเป็นหลุมดำที่ชนกันที่ระยะห่าง 1.3 พันล้าน ห่างออกไปหลายปีแสง สัญญาณชัดมาก ออกมาจากเสียงรบกวนได้ชัดเจนมาก หลายคนบอกเราว่าเราโชคดี แต่ธรรมชาติให้ของขวัญเช่นนี้แก่เรา คลื่นความโน้มถ่วงถูกค้นพบแล้ว แน่นอน”

นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ยืนยันข่าวลือว่าพวกเขาสามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้โดยใช้เครื่องตรวจจับที่หอดูดาวคลื่นความโน้มถ่วง LIGO การค้นพบนี้จะช่วยให้มนุษยชาติมีความก้าวหน้าอย่างมากในการทำความเข้าใจวิธีการทำงานของจักรวาล

การค้นพบนี้เกิดขึ้นเมื่อวันที่ 14 กันยายน 2558 พร้อมๆ กับเครื่องตรวจจับ 2 เครื่องในวอชิงตันและลุยเซียนา สัญญาณมาถึงเครื่องตรวจจับเนื่องจากการชนกันของหลุมดำสองแห่ง นักวิทยาศาสตร์ใช้เวลานานมากในการตรวจสอบว่าเป็นคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากการชนกัน

การชนกันของหลุมทั้งสองเกิดขึ้นที่ความเร็วประมาณครึ่งหนึ่งของความเร็วแสง ซึ่งก็คือประมาณ 150,792,458 เมตร/วินาที

“แรงโน้มถ่วงของนิวตันถูกอธิบายไว้ในพื้นที่ราบ และไอน์สไตน์ได้ถ่ายโอนมันไปยังระนาบของเวลา และสันนิษฐานว่ามันทำให้โค้งงอ ปฏิสัมพันธ์ของแรงโน้มถ่วงนั้นอ่อนมาก บนโลก การทดลองสร้างคลื่นความโน้มถ่วงเป็นไปไม่ได้ พวกมันถูกค้นพบหลังจากการรวมตัวของหลุมดำเท่านั้น เครื่องตรวจจับขยับ ลองจินตนาการดู 10 ถึง -19 เมตร คุณไม่สามารถรู้สึกได้ด้วยมือของคุณ ด้วยความช่วยเหลือของเครื่องมือที่แม่นยำมากเท่านั้น ทำอย่างไร? ลำแสงเลเซอร์ที่ใช้บันทึกการเปลี่ยนแปลงมีลักษณะเฉพาะตัว เสาอากาศเลเซอร์แรงโน้มถ่วงรุ่นที่สองของ LIGO เริ่มใช้งานในปี 2558 ความไวทำให้สามารถตรวจจับการรบกวนจากแรงโน้มถ่วงได้ประมาณเดือนละครั้ง นี่คือโลกที่ก้าวหน้าและวิทยาศาสตร์อเมริกัน ไม่มีอะไรแม่นยำในโลกนี้อีกแล้ว เราหวังว่าจะสามารถเอาชนะขีดจำกัดความไวควอนตัมมาตรฐานได้” การค้นพบอธิบาย Sergei Vyatchanin พนักงานภาควิชาฟิสิกส์ของ Moscow State University และความร่วมมือ LIGO

ขีดจำกัดควอนตัมมาตรฐาน (SQL) ในกลศาสตร์ควอนตัมเป็นข้อจำกัดที่กำหนดขึ้นจากความแม่นยำของการวัดปริมาณใดๆ อย่างต่อเนื่องหรือซ้ำๆ กัน ซึ่งอธิบายโดยผู้ปฏิบัติงานซึ่งไม่ได้เดินทางกับตัวเองในเวลาที่ต่างกัน คาดการณ์ไว้ในปี 1967 โดย V.B. Braginsky และคำว่า Standard Quantum Limit (SQL) ถูกเสนอในภายหลังโดย Thorne SKP มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับความสัมพันธ์ที่ไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก

โดยสรุป Valery Mitrofanov พูดถึงแผนการวิจัยเพิ่มเติม:

“การค้นพบนี้เป็นจุดเริ่มต้นของดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วงครั้งใหม่ ผ่านช่องทางคลื่นความโน้มถ่วงเราคาดหวังที่จะเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับจักรวาล เรารู้องค์ประกอบของสสารเพียง 5% ที่เหลือยังคงเป็นปริศนา เครื่องตรวจจับแรงโน้มถ่วงจะช่วยให้คุณมองเห็นท้องฟ้าใน "คลื่นความโน้มถ่วง" ในอนาคตเราหวังว่าจะเห็นจุดเริ่มต้นของทุกสิ่ง นั่นคือการแผ่รังสีของบิ๊กแบง และทำความเข้าใจกับสิ่งที่เกิดขึ้นในขณะนั้น”

คลื่นความโน้มถ่วงถูกเสนอครั้งแรกโดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ในปี 1916 หรือเกือบ 100 ปีที่แล้วพอดี สมการของคลื่นเป็นผลมาจากสมการของทฤษฎีสัมพัทธภาพ และไม่ได้มาจากวิธีที่ง่ายที่สุด

ก่อนหน้านี้ คลิฟฟอร์ด เบอร์เจส นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีชาวแคนาดาได้ตีพิมพ์จดหมายระบุว่า หอดูดาวตรวจพบรังสีความโน้มถ่วงที่เกิดจากการรวมตัวกันของระบบดาวคู่ของหลุมดำที่มีมวล 36 และ 29 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ เข้าไปในวัตถุที่มีมวล 62 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ การชนกันและการล่มสลายของแรงโน้มถ่วงแบบไม่สมมาตรเกิดขึ้นเพียงเสี้ยววินาที และในช่วงเวลานี้พลังงานซึ่งมีมากถึง 50 เปอร์เซ็นต์ของมวลของระบบจะสูญเสียไปในการแผ่รังสีความโน้มถ่วง - ระลอกคลื่นในอวกาศ-เวลา

คลื่นความโน้มถ่วงคือคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นในทฤษฎีความโน้มถ่วงส่วนใหญ่โดยการเคลื่อนที่ของวัตถุโน้มถ่วงที่มีความเร่งแปรผัน เนื่องจากความอ่อนแอของแรงโน้มถ่วง (เมื่อเทียบกับคลื่นอื่น) คลื่นเหล่านี้จึงควรมีขนาดที่เล็กมาก ซึ่งยากต่อการระบุ การดำรงอยู่ของพวกเขาถูกทำนายไว้เมื่อประมาณหนึ่งศตวรรษก่อนโดย Albert Einstein

วันค้นพบ (ตรวจจับ) คลื่นความโน้มถ่วงอย่างเป็นทางการคือวันที่ 11 กุมภาพันธ์ 2559 ในงานแถลงข่าวที่จัดขึ้นในกรุงวอชิงตัน ผู้นำของความร่วมมือ LIGO ประกาศว่าทีมนักวิจัยได้จัดการบันทึกปรากฏการณ์นี้เป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์ของมนุษย์

คำทำนายของไอน์สไตน์ผู้ยิ่งใหญ่

อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์เสนอแนะการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วงเมื่อต้นศตวรรษที่ผ่านมา (พ.ศ. 2459) ภายใต้กรอบของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (GTR) มีเพียงสิ่งเดียวเท่านั้นที่สามารถประหลาดใจกับความสามารถอันยอดเยี่ยมของนักฟิสิกส์ชื่อดังซึ่งมีข้อมูลจริงขั้นต่ำเท่านั้นที่สามารถสรุปข้อสรุปที่กว้างขวางเช่นนี้ได้ ในบรรดาปรากฏการณ์ทางกายภาพที่คาดการณ์ไว้อื่น ๆ อีกมากมายที่ได้รับการยืนยันในศตวรรษหน้า (ทำให้การไหลของเวลาช้าลง เปลี่ยนทิศทางของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในสนามโน้มถ่วง ฯลฯ ) จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ ไม่สามารถตรวจจับการมีอยู่ของประเภทนี้ได้ในทางปฏิบัติ ปฏิสัมพันธ์ของคลื่นระหว่างวัตถุ

แรงโน้มถ่วงเป็นภาพลวงตาหรือไม่?

โดยทั่วไปแล้ว ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพ แรงโน้มถ่วงแทบจะเรียกได้ว่าเป็นแรงไม่ได้เลย การรบกวนหรือความโค้งของความต่อเนื่องของกาล-อวกาศ ตัวอย่างที่ดีในการอธิบายหลักนี้คือผ้าที่ยืดออก ภายใต้น้ำหนักของวัตถุขนาดใหญ่ที่วางอยู่บนพื้นผิวดังกล่าว จะเกิดการกดทับเกิดขึ้น วัตถุอื่นๆ เมื่อเคลื่อนที่เข้าใกล้ความผิดปกตินี้ จะเปลี่ยนวิถีการเคลื่อนที่ราวกับว่าถูก "ดึงดูด" และยิ่งน้ำหนักของวัตถุมาก (เส้นผ่านศูนย์กลางและความลึกของความโค้งก็จะยิ่งมากขึ้น) “แรงดึงดูด” ก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น ขณะที่มันเคลื่อนผ่านผืนผ้า เราจะสังเกตเห็นลักษณะของ "ระลอกคลื่น" ที่แยกออกจากกัน

สิ่งที่คล้ายกันเกิดขึ้นในอวกาศ สสารขนาดใหญ่ที่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็วใดๆ ก็ตามเป็นสาเหตุของความผันผวนของความหนาแน่นของอวกาศและเวลา คลื่นความโน้มถ่วงที่มีแอมพลิจูดสำคัญเกิดขึ้นจากวัตถุที่มีมวลขนาดใหญ่มากหรือเมื่อเคลื่อนที่ด้วยความเร่งมหาศาล

ลักษณะทางกายภาพ

ความผันผวนของหน่วยเมตริกกาล-อวกาศปรากฏให้เห็นว่าเป็นการเปลี่ยนแปลงในสนามโน้มถ่วง ปรากฏการณ์นี้เรียกอีกอย่างว่าระลอกอวกาศ-เวลา คลื่นความโน้มถ่วงส่งผลกระทบต่อวัตถุและวัตถุที่ถูกเผชิญ โดยบีบอัดและยืดออก ขนาดของการเสียรูปไม่มีนัยสำคัญมาก - ประมาณ 10 -21 จากขนาดดั้งเดิม ความยากทั้งหมดในการตรวจจับปรากฏการณ์นี้คือนักวิจัยจำเป็นต้องเรียนรู้วิธีวัดและบันทึกการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวโดยใช้อุปกรณ์ที่เหมาะสม พลังของรังสีความโน้มถ่วงก็มีน้อยมากเช่นกัน - สำหรับระบบสุริยะทั้งหมดนั้นมีหลายกิโลวัตต์

ความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่นความโน้มถ่วงขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของตัวกลางที่นำไฟฟ้าเล็กน้อย แอมพลิจูดของการแกว่งจะค่อยๆ ลดลงตามระยะห่างจากแหล่งกำเนิด แต่จะไม่มีวันถึงศูนย์ ความถี่มีตั้งแต่หลายสิบถึงหลายร้อยเฮิรตซ์ ความเร็วของคลื่นความโน้มถ่วงในตัวกลางระหว่างดาวเข้าใกล้ความเร็วแสง

หลักฐานรอบข้าง

การยืนยันทางทฤษฎีครั้งแรกของการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วงเกิดขึ้นโดยนักดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน โจเซฟ เทย์เลอร์ และผู้ช่วยของเขา รัสเซลล์ ฮัลส์ ในปี 1974 จากการศึกษาความกว้างใหญ่ของจักรวาลโดยใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุหอดูดาวอาเรซิโบ (เปอร์โตริโก) นักวิจัยได้ค้นพบพัลซาร์ PSR B1913+16 ซึ่งเป็นระบบดาวคู่ของดาวนิวตรอนที่หมุนรอบจุดศูนย์กลางมวลทั่วไปด้วยความเร็วเชิงมุมคงที่ (ค่อนข้างหายาก กรณี). ทุกปี ระยะเวลาการหมุนเวียนจากเดิม 3.75 ชั่วโมง ลดลง 70 มิลลิวินาที ค่านี้สอดคล้องกับข้อสรุปจากสมการสัมพัทธภาพทั่วไปโดยสมบูรณ์ ซึ่งคาดการณ์การเพิ่มขึ้นของความเร็วในการหมุนของระบบดังกล่าวอันเนื่องมาจากการใช้พลังงานที่สิ้นเปลืองในการสร้างคลื่นความโน้มถ่วง ต่อมาได้ค้นพบพัลซาร์คู่และดาวแคระขาวหลายดวงที่มีพฤติกรรมคล้ายกัน นักดาราศาสตร์วิทยุ ดี. เทย์เลอร์ และ อาร์. ฮัลส์ ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1993 จากการค้นพบความเป็นไปได้ใหม่ๆ ในการศึกษาสนามโน้มถ่วง

หลุดพ้นจากคลื่นความโน้มถ่วง

การประกาศครั้งแรกเกี่ยวกับการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงมาจากนักวิทยาศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยแมริแลนด์ Joseph Weber (สหรัฐอเมริกา) ในปี 1969 เพื่อจุดประสงค์เหล่านี้ เขาใช้เสาอากาศโน้มถ่วง 2 อันที่เขาออกแบบเอง โดยแยกจากกันเป็นระยะทาง 2 กิโลเมตร เครื่องตรวจจับเรโซแนนซ์เป็นกระบอกอะลูมิเนียมแข็งยาว 2 เมตรที่หุ้มฉนวนอย่างดี มีเซนเซอร์เพียโซอิเล็กทริกที่ไวต่อการสั่นสะเทือน แอมพลิจูดของการสั่นที่ถูกกล่าวหาว่าบันทึกโดย Weber นั้นสูงกว่าค่าที่คาดไว้มากกว่าล้านเท่า ความพยายามของนักวิทยาศาสตร์คนอื่นในการทำซ้ำ "ความสำเร็จ" ของนักฟิสิกส์ชาวอเมริกันโดยใช้อุปกรณ์ที่คล้ายกันไม่ได้ให้ผลลัพธ์ที่เป็นบวก ไม่กี่ปีต่อมางานของ Weber ในด้านนี้ได้รับการยอมรับว่าไม่สามารถป้องกันได้ แต่เป็นแรงผลักดันในการพัฒนา "ความเจริญของแรงโน้มถ่วง" ซึ่งดึงดูดผู้เชี่ยวชาญหลายคนให้เข้ามาวิจัยในสาขานี้ อย่างไรก็ตามโจเซฟเวเบอร์เองก็มั่นใจจนกระทั่งสิ้นยุคของเขาว่าเขาได้รับคลื่นความโน้มถ่วง

การปรับปรุงอุปกรณ์การรับ

ในยุค 70 นักวิทยาศาสตร์ Bill Fairbank (สหรัฐอเมริกา) พัฒนาการออกแบบเสาอากาศคลื่นความโน้มถ่วงซึ่งระบายความร้อนด้วย SQUIDS ซึ่งเป็นเครื่องวัดสนามแม่เหล็กที่มีความไวสูงเป็นพิเศษ เทคโนโลยีที่มีอยู่ในเวลานั้นไม่อนุญาตให้นักประดิษฐ์มองเห็นผลิตภัณฑ์ของเขาที่ทำด้วย "โลหะ"

เครื่องตรวจจับแรงโน้มถ่วงออริกาที่ห้องปฏิบัติการเลกนาราแห่งชาติ (ปาดัว ประเทศอิตาลี) ใช้หลักการนี้ การออกแบบมีพื้นฐานมาจากกระบอกอะลูมิเนียม-แมกนีเซียม ซึ่งมีความยาว 3 เมตร และมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.6 ม. อุปกรณ์รับสัญญาณที่มีน้ำหนัก 2.3 ตันถูกแขวนไว้ในห้องสุญญากาศที่หุ้มฉนวนซึ่งระบายความร้อนจนเกือบเป็นศูนย์สัมบูรณ์ ในการบันทึกและตรวจจับแรงกระแทก จะใช้เครื่องสะท้อนเสียงแบบกิโลกรัมเสริมและหน่วยการวัดโดยใช้คอมพิวเตอร์ ความไวที่ระบุของอุปกรณ์คือ 10 -20

อินเทอร์เฟอโรมิเตอร์

การทำงานของเครื่องตรวจจับสัญญาณรบกวนของคลื่นความโน้มถ่วงนั้นใช้หลักการเดียวกันกับที่เครื่องวัดอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ของ Michelson ทำงาน ลำแสงเลเซอร์ที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดแบ่งออกเป็นสองกระแส หลังจากการสะท้อนและการเดินทางหลายครั้งไปตามแขนของอุปกรณ์ กระแสจะถูกนำมารวมกันอีกครั้ง และจากกระแสสุดท้าย จะมีการตัดสินว่าการรบกวนใดๆ (เช่น คลื่นความโน้มถ่วง) ส่งผลกระทบต่อวิถีของรังสีหรือไม่ อุปกรณ์ที่คล้ายกันนี้ถูกสร้างขึ้นในหลายประเทศ:

• GEO 600 (ฮันโนเวอร์ ประเทศเยอรมนี) ความยาวของอุโมงค์สุญญากาศคือ 600 เมตร
• TAMA (ญี่ปุ่น) ไหล่กว้าง 300 ม.
• VIRGO (ปิซา ประเทศอิตาลี) เป็นโครงการร่วมฝรั่งเศส-อิตาลีที่เปิดตัวในปี 2550 โดยมีอุโมงค์ยาวสามกิโลเมตร
• LIGO (สหรัฐอเมริกา ชายฝั่งแปซิฟิก) ซึ่งค้นหาคลื่นความโน้มถ่วงมาตั้งแต่ปี 2545

หลังนี้ควรพิจารณารายละเอียดเพิ่มเติม

ลิโกขั้นสูง

โครงการนี้สร้างขึ้นจากความคิดริเริ่มของนักวิทยาศาสตร์จากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์และแคลิฟอร์เนีย ประกอบด้วยหอดูดาวสองแห่งซึ่งแยกจากกัน 3,000 กม. ในวอชิงตัน (เมืองลิฟวิงสตันและแฮนฟอร์ด) ด้วยอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ที่เหมือนกันสามตัว ความยาวของอุโมงค์สุญญากาศตั้งฉากคือ 4 พันเมตร เหล่านี้เป็นโครงสร้างดังกล่าวที่ใหญ่ที่สุดที่ดำเนินการอยู่ในปัจจุบัน จนถึงปี 2011 ความพยายามหลายครั้งในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงไม่ได้ให้ผลลัพธ์ใดๆ เลย การปรับปรุงใหม่ที่สำคัญที่ดำเนินการ (Advanced LIGO) เพิ่มความไวของอุปกรณ์ในช่วง 300-500 Hz มากกว่าห้าเท่าและในภูมิภาคความถี่ต่ำ (สูงถึง 60 Hz) เกือบเป็นลำดับความสำคัญถึง มูลค่าโลภของ 10 -21 โครงการที่ได้รับการปรับปรุงนี้เริ่มต้นในเดือนกันยายน 2558 และความพยายามของพนักงานที่ทำงานร่วมกันมากกว่าพันคนก็ได้รับรางวัลตามผลลัพธ์ที่ได้รับ

ตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วง

เมื่อวันที่ 14 กันยายน 2558 เครื่องตรวจจับ LIGO ขั้นสูงด้วยช่วงเวลา 7 มิลลิวินาทีบันทึกคลื่นความโน้มถ่วงที่มาถึงโลกของเราจากเหตุการณ์ที่ใหญ่ที่สุดที่เกิดขึ้นที่ชานเมืองจักรวาลที่สังเกตได้ - การรวมตัวกันของหลุมดำขนาดใหญ่สองแห่งที่มีมวล 29 และ 36 เท่า มากกว่ามวลของดวงอาทิตย์ ในระหว่างกระบวนการนี้ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อ 1.3 พันล้านปีก่อน สสารประมาณ 3 มวลดวงอาทิตย์ถูกใช้ไปในเวลาเสี้ยววินาทีโดยการเปล่งคลื่นความโน้มถ่วง ความถี่เริ่มต้นของคลื่นความโน้มถ่วงที่บันทึกไว้คือ 35 เฮิรตซ์ และค่าสูงสุดสูงสุดถึง 250 เฮิรตซ์

ผลลัพธ์ที่ได้รับต้องผ่านการตรวจสอบและประมวลผลอย่างครอบคลุมซ้ำแล้วซ้ำเล่า และการตีความข้อมูลทางเลือกอื่นๆ ที่ได้รับก็ถูกตัดออกอย่างระมัดระวัง ในที่สุดเมื่อปีที่แล้ว ได้มีการประกาศการลงทะเบียนโดยตรงของปรากฏการณ์ที่ไอน์สไตน์ทำนายไว้ต่อประชาคมโลก

ข้อเท็จจริงที่แสดงให้เห็นถึงงานไททานิกของนักวิจัย: แอมพลิจูดของความผันผวนของขนาดของแขนอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์คือ 10 -19 ม. - ค่านี้มีขนาดเล็กกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอมเท่ากับจำนวนเท่าเนื่องจากตัวอะตอมเองมีขนาดเล็กกว่า ส้ม.

แนวโน้มในอนาคต

การค้นพบนี้ยืนยันอีกครั้งว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปไม่ได้เป็นเพียงชุดของสูตรนามธรรม แต่เป็นรูปลักษณ์ใหม่ที่เป็นพื้นฐานเกี่ยวกับแก่นแท้ของคลื่นความโน้มถ่วงและแรงโน้มถ่วงโดยทั่วไป

ในการวิจัยเพิ่มเติม นักวิทยาศาสตร์ตั้งความหวังไว้สูงสำหรับโครงการ ELSA นั่นคือการสร้างอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ในวงโคจรขนาดยักษ์ที่มีแขนยาวประมาณ 5 ล้านกิโลเมตร ซึ่งสามารถตรวจจับการรบกวนเล็กน้อยในสนามโน้มถ่วงได้ การเปิดใช้งานงานในทิศทางนี้สามารถบอกเล่าสิ่งใหม่ ๆ มากมายเกี่ยวกับขั้นตอนหลักของการพัฒนาจักรวาลเกี่ยวกับกระบวนการที่ยากหรือเป็นไปไม่ได้ที่จะสังเกตในช่วงแบบดั้งเดิม ไม่ต้องสงสัยเลยว่าหลุมดำซึ่งจะถูกตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงในอนาคต จะบอกเล่าธรรมชาติของพวกมันได้มากมาย

เพื่อศึกษารังสีไมโครเวฟพื้นหลังคอสมิก ซึ่งสามารถบอกเราเกี่ยวกับช่วงเวลาแรกของโลกหลังบิ๊กแบงได้ จำเป็นต้องมีเครื่องมืออวกาศที่มีความละเอียดอ่อนมากกว่านี้ มีโครงการดังกล่าวอยู่ ( ผู้สังเกตการณ์บิ๊กแบง) แต่ตามที่ผู้เชี่ยวชาญระบุว่าการนำไปปฏิบัตินั้นเป็นไปได้ไม่ช้ากว่าใน 30-40 ปี

พื้นผิวอิสระของของเหลวในสภาวะสมดุลในสนามโน้มถ่วงนั้นเรียบ ภายใต้อิทธิพลของอิทธิพลภายนอก หากพื้นผิวของของเหลวในบางสถานที่ถูกลบออกจากตำแหน่งสมดุล การเคลื่อนที่จะเกิดขึ้นในของเหลว การเคลื่อนไหวนี้จะแพร่กระจายไปตามพื้นผิวทั้งหมดของของเหลวในรูปของคลื่นที่เรียกว่าคลื่นความโน้มถ่วงเนื่องจากเกิดจากการกระทำของสนามโน้มถ่วง คลื่นความโน้มถ่วงเกิดขึ้นที่พื้นผิวของของเหลวเป็นส่วนใหญ่ โดยจับชั้นภายในของของเหลวให้น้อยลง ยิ่งชั้นเหล่านี้อยู่ลึกลงไปเท่าใด

เราจะพิจารณาคลื่นความโน้มถ่วงที่นี่ซึ่งความเร็วของอนุภาคของเหลวที่กำลังเคลื่อนที่มีขนาดเล็กมากจนสามารถละเลยคำศัพท์ในสมการของออยเลอร์ได้เมื่อเปรียบเทียบกับ ง่ายต่อการค้นหาว่าเงื่อนไขนี้หมายถึงอะไรทางกายภาพ ในช่วงเวลาหนึ่งตามลำดับระยะเวลาการแกว่งของอนุภาคของเหลวในคลื่น อนุภาคเหล่านี้จะเดินทางในระยะทางตามลำดับแอมพลิจูด a ของคลื่น ดังนั้น ความเร็วของการเคลื่อนที่จึงเป็นไปตามลำดับความเร็ว ​​เปลี่ยนแปลงอย่างเห็นได้ชัดในช่วงเวลาตามลำดับความสำคัญและระยะทางตามลำดับความสำคัญตามทิศทางการแพร่กระจายของคลื่น ( - คลื่นความยาว) ดังนั้นอนุพันธ์ของความเร็วเทียบกับเวลาจึงเป็นลำดับของขนาดและเทียบกับพิกัดจึงเป็นลำดับของ ดังนั้น เงื่อนไขจึงเท่ากับข้อกำหนด

นั่นคือแอมพลิจูดของการแกว่งในคลื่นควรมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับความยาวคลื่น ใน § 9 เราเห็นว่าหากละเลยคำศัพท์ในสมการการเคลื่อนที่ได้ การเคลื่อนที่ของของไหลก็มีศักยภาพ สมมติว่าของไหลไม่สามารถอัดตัวได้ เราจึงใช้สมการ (10.6) และ (10.7) ได้ ในสมการ (10.7) ตอนนี้เราสามารถละเลยคำที่มีกำลังสองของความเร็วได้ ใส่และแนะนำคำศัพท์ในสนามแรงโน้มถ่วงที่เราได้รับ:

(12,2)

เราเลือกแกนในแนวตั้งขึ้นไปตามปกติ และในระนาบ x, y เราเลือกพื้นผิวเรียบของของเหลวที่สมดุล

เราจะแสดง - พิกัดของจุดบนพื้นผิวของของเหลวโดย ; เป็นฟังก์ชันของพิกัด x, y และเวลา t ในสภาวะสมดุล มีการเคลื่อนตัวของพื้นผิวของเหลวในแนวตั้งขณะที่มันแกว่งไปมา

ปล่อยให้แรงดันคงที่กระทำบนพื้นผิวของของเหลว จากนั้นตาม (12.2) เรามีบนพื้นผิว

ค่าคงที่สามารถกำจัดได้โดยการกำหนดศักยภาพใหม่ (โดยการเพิ่มปริมาณที่ไม่ขึ้นอยู่กับพิกัด จากนั้นสภาพบนพื้นผิวของของเหลวจะเกิดขึ้นในรูปแบบ

แอมพลิจูดของการแกว่งในคลื่นเล็กน้อยหมายความว่าการกระจัดมีขนาดเล็ก ดังนั้นเราจึงสรุปได้ว่าองค์ประกอบแนวตั้งของความเร็วการเคลื่อนที่ของจุดผิวเกิดขึ้นพร้อมกับอนุพันธ์ของเวลาของการกระจัด แต่ดังนั้นเราจึงได้:

เนื่องจากความสั่นเล็กน้อยจึงเป็นไปได้ในเงื่อนไขนี้ที่จะนำค่าของอนุพันธ์มาใช้แทน ดังนั้นในที่สุดเราก็ได้ระบบสมการต่อไปนี้ซึ่งกำหนดการเคลื่อนที่ในคลื่นความโน้มถ่วง:

เราจะพิจารณาคลื่นบนพื้นผิวของของเหลว โดยพิจารณาว่าพื้นผิวนี้ไม่มีขอบเขต นอกจากนี้เรายังจะถือว่าความยาวคลื่นมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับความลึกของของเหลว ของเหลวนั้นถือได้ว่ามีความลึกอย่างไม่สิ้นสุด ดังนั้นเราจึงไม่เขียนเงื่อนไขขอบเขตที่ขอบเขตด้านข้างและที่ด้านล่างของของเหลว

ขอให้เราพิจารณาคลื่นความโน้มถ่วงที่แพร่กระจายไปตามแกนและสม่ำเสมอไปตามแกน ในคลื่นดังกล่าว ปริมาณทั้งหมดไม่ได้ขึ้นอยู่กับพิกัด y เราจะหาวิธีแก้ปัญหาที่เป็นฟังก์ชันคาบของเวลาอย่างง่ายและพิกัด x:

โดยที่ ( คือความถี่วงจร (เราจะพูดถึงมันง่ายๆ ว่าเป็นความถี่), k คือเวกเตอร์คลื่นของคลื่นคือความยาวคลื่น แทนที่นิพจน์นี้ลงในสมการเราจะได้สมการสำหรับฟังก์ชัน

สารละลายของมันสลายตัวไปในส่วนลึกของของเหลว (เช่น ที่ ):

เราต้องเป็นไปตามเงื่อนไขขอบเขต (12.5) ด้วย เมื่อแทนที่ (12.5) ลงไป เราจะพบความเชื่อมโยงระหว่างความถี่ b และเวกเตอร์คลื่น (หรือตามที่พวกเขาพูด กฎการกระจายตัวของคลื่น):

การกระจายตัวของความเร็วในของเหลวได้มาจากการหาความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าตามพิกัด:

เราจะเห็นว่าความเร็วลดลงแบบทวีคูณตามความลึกของของเหลว ที่จุดที่กำหนดแต่ละจุดในปริภูมิ (เช่น สำหรับ x, z ที่กำหนดให้) เวกเตอร์ความเร็วจะหมุนอย่างสม่ำเสมอในระนาบ x โดยคงขนาดให้คงที่

ขอให้เรากำหนดวิถีการเคลื่อนที่ของอนุภาคของเหลวในคลื่นด้วย ให้เราแสดงชั่วคราวด้วย x, z พิกัดของอนุภาคที่กำลังเคลื่อนที่ของของเหลว (ไม่ใช่พิกัดของจุดคงที่ในอวกาศ) และโดย - ค่าของ x สำหรับตำแหน่งสมดุลของอนุภาค จากนั้น และ ทางด้านขวาของ (12.8) สามารถเขียนได้โดยประมาณแทน โดยใช้ประโยชน์จากค่าเล็กน้อยของการแกว่ง การบูรณาการเมื่อเวลาผ่านไปจะทำให้:

ดังนั้น อนุภาคของเหลวจึงอธิบายวงกลมรอบจุดต่างๆ ด้วยรัศมีที่ลดลงแบบทวีคูณจนถึงความลึกของของเหลว

ความเร็ว U ของการแพร่กระจายของคลื่นเท่ากัน ดังที่แสดงในมาตรา 67 เมื่อแทนที่ที่นี่ เราพบว่าความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่นความโน้มถ่วงบนพื้นผิวไม่จำกัดของของเหลวที่อยู่ลึกอย่างไม่สิ้นสุดจะเท่ากับ

มันเพิ่มขึ้นตามความยาวคลื่นที่เพิ่มขึ้น

คลื่นความโน้มถ่วงยาว

เมื่อพิจารณาถึงคลื่นความโน้มถ่วงซึ่งมีความยาวน้อยเมื่อเทียบกับความลึกของของเหลว ตอนนี้เราพิจารณากรณีคลื่นที่จำกัดด้านตรงข้ามกัน ซึ่งมีความยาวมากเมื่อเทียบกับความลึกของของเหลว

คลื่นดังกล่าวเรียกว่าคลื่นยาว

ให้เราพิจารณาการแพร่กระจายของคลื่นยาวในช่องนี้ก่อน เราจะพิจารณาความยาวของช่อง (กำกับตามแกน x) ว่าไม่จำกัด ส่วนตัดขวางของช่องสามารถมีรูปร่างตามใจชอบและอาจแตกต่างกันไปตามความยาว พื้นที่หน้าตัดของของเหลวในช่องแสดงด้วย ความลึกและความกว้างของช่องถือว่ามีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับความยาวคลื่น

เราจะพิจารณาคลื่นยาวตามยาวซึ่งของเหลวเคลื่อนที่ไปตามช่องสัญญาณ ในคลื่นดังกล่าว องค์ประกอบความเร็วตามความยาวของช่องสัญญาณจะมีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับส่วนประกอบต่างๆ

แทนคำว่า v โดยไม่ใส่พจน์เล็กๆ ลงไป เราสามารถเขียนองค์ประกอบของสมการออยเลอร์ได้เป็น

a-component - ในรูปแบบ

(เราไม่ใช้คำว่ากำลังสองในหน่วยความเร็ว เนื่องจากแอมพลิจูดของคลื่นยังถือว่าน้อย) จากสมการที่สองที่เรามี โดยสังเกตว่า บนพื้นผิวอิสระ ) ควรเป็น

เมื่อแทนนิพจน์นี้เป็นสมการแรก เราจะได้:

สมการที่สองสำหรับการระบุค่าไม่ทราบค่าสองตัวสามารถหามาได้โดยใช้วิธีที่คล้ายกับการหาสมการความต่อเนื่อง สมการนี้เป็นสมการความต่อเนื่องที่ใช้กับกรณีที่อยู่ระหว่างการพิจารณา ให้เราพิจารณาปริมาตรของของเหลวที่อยู่ระหว่างระนาบหน้าตัดสองอันของช่องซึ่งอยู่ห่างจากกัน ในหน่วยเวลา ปริมาตรของของเหลวเท่ากับจะไหลผ่านระนาบหนึ่ง และปริมาตรจะไหลผ่านอีกระนาบหนึ่ง ดังนั้น ปริมาตรของของเหลวระหว่างระนาบทั้งสองจะเปลี่ยนไป