Lebih dari satu bilion tahun yang lalu, dalam galaksi jauh, jauh, dua lubang hitam dilaksanakan langkah-langkah terakhir dalam pas de deux pantas, berakhir dengan memeluk akhir sehingga ganas mengeluarkan tenaga lebih daripada output gabungan setiap bintang setiap galaksi di alam semesta yang boleh dilihat. Namun, tidak seperti cahaya bintang, tenaga itu gelap, dibawa oleh daya graviti yang tidak kelihatan. Pada 14 September 2015, jam 5:51 pagi Waktu Siang Timur, serpihan tenaga itu, dalam bentuk "gelombang graviti, " mencapai Bumi, dikurangkan oleh transitnya yang meluas di angkasa dan masa untuk bisikan belia yang gemuruh permulaan.
Reads yang berkaitan
Alam Semesta Yang Elegan
BeliSejauh yang kita ketahui, Bumi telah dimandikan dalam jenis gangguan graviti sebelum ini. Sering kali. Perbezaan kali ini ialah dua pengesan yang sangat tepat, satu di Livingston, Louisiana, dan yang lain di Hanford, Washington, berdiri di siap. Apabila gelombang graviti dilancarkan olehnya, ia menggelitik pengesan, memberikan tanda tangan yang tidak jelas untuk menembusi lubang hitam di sisi lain alam semesta dan menandakan permulaan babak baru dalam penerokaan manusia terhadap alam semesta.
Apabila khabar angin mengenai penemuan itu mula beredar pada bulan Januari, saya melancarkan pandangan saya pada apa yang jelas adalah penggera palsu atau taktik untuk menyuarakan sedikit buzz. Sebagai satu program penyelidikan yang baik ke dalam dekade kelima, memburu gelombang graviti telah lama menjadi penemuan utama yang sentiasa melayang di cakrawala. Ahli fizikal telah meletak jawatan untuk menunggu Godot graviti mereka.
Tetapi kebijaksanaan dan ketekunan manusia telah berjaya. Ia adalah salah satu kejayaan yang memberi walaupun kita bersorak-sorai dari perut-perut yang menggeliat.
Inilah kisahnya, secara ringkasnya.
Pada bulan November lalu, dunia merayakan centenary penemuan terbesar Einstein, teori relativiti umum, yang menunjukkan paradigma baru untuk memahami graviti. Pendekatan Isaac Newton dengan tepat meramalkan tarikan graviti antara mana-mana dua objek tetapi tidak memberi gambaran tentang bagaimana sesuatu di sini dapat menjangkau ruang kosong dan menarik sesuatu di sana. Einstein menghabiskan sedekad berusaha untuk menentukan bagaimana graviti dikomunikasikan, dan akhirnya menyimpulkan bahawa ruang dan masa membentuk tangan yang tidak kelihatan yang melakukan penawaran graviti.
Langgan majalah Smithsonian sekarang hanya $ 12
Cerita ini adalah pemilihan dari majalah Smithsonian terbitan April
BeliMetafora pilihan, berlebihan tetapi menggangu, adalah untuk memikirkan ruang sebagai trampolin. Letakkan bola bowling di tengah trampolin yang menyebabkan ia melengkung, dan marmar akan ditarik untuk bergerak sepanjang trajektori melengkung. Begitu juga, Einstein mengaku bahawa berhampiran badan astronomi seperti Matahari, lengkung persekitaran ruang, yang menjelaskan mengapa Bumi, seperti marmar, mengikuti lintasan melengkung. Menjelang 1919, pemerhatian astronomi mengesahkan penglihatan yang luar biasa ini, dan menjadikan Einstein Einstein.
Einstein meneruskan penemuannya yang lebih penting lagi. Untuk itu, beliau telah memberi tumpuan kepada keadaan statik: menentukan bentuk tetap sesuatu rentang masa yang timbul daripada sejumlah perkara yang diberikan. Tetapi Einstein kemudian beralih kepada situasi yang dinamik: Apa yang akan berlaku kepada fabrik ruang masa jika masalah bergerak dan digoncang? Dia menyedari bahawa banyak anak-anak yang melompat di atas trampolin menghasilkan gelombang di permukaan yang riak ke luar, perkara yang bergerak dengan cara ini dan yang akan menghasilkan gelombang dalam fabrik ruang masa yang riak ke luar juga. Dan kerana, menurut relativiti umum, ruang melengkung adalah graviti, gelombang ruang melengkung adalah gelombang graviti.
Gelombang graviti mewakili keberangkatan yang paling ketara umum dari graviti Newtonian. Masa ruang yang fleksibel sememangnya merupakan pengambilan graviti yang mendalam, tetapi dalam konteks yang biasa seperti tarikan graviti Matahari atau Bumi, ramalan Einstein hampir tidak berbeza daripada orang-orang Newton. Walau bagaimanapun, kerana graviti Newton diam tentang bagaimana graviti ditransmisikan, tanggapan terhadap gangguan graviti perjalanan tidak mempunyai tempat dalam teori Newton.
Einstein sendiri telah ragu-ragu tentang predikat gelombang graviti. Apabila pertama kali menemui persamaan halus relativiti umum, ia mencabar untuk melencongkan matematik abstrak daripada fizik yang boleh diukur. Einstein adalah yang mula-mula terlibat dalam perebutan ini, dan terdapat ciri-ciri yang walaupun dia, pengertian relativiti, gagal memahami sepenuhnya. Tetapi pada tahun 1960-an, saintis menggunakan kaedah matematik yang lebih halus yang ditubuhkan melampaui sebarang keraguan bahawa gelombang graviti adalah ciri yang membezakan teori umum relativiti.
Satu ilustrasi gelombang graviti (John Hersey) Bagaimanakah, bagaimanakah ramalan ikonik ini dapat diuji? Pada tahun 1974, menggunakan Teleskop Radio Arecibo, Joseph Taylor dan Russell Hulse menemui sebuah pulsar binary: dua bintang neutron yang mengorbit yang tempoh orbitnya dapat dikesan dengan ketepatan yang besar. Menurut relativiti umum, bintang-bintang yang mengorbit menghasilkan gelombang graviti yang kuat yang mengalir tenaga, menyebabkan bintang-bintang jatuh lebih dekat bersama dan mengelilingi lebih cepat. Pemerhatian mengesahkan ramalan ini kepada T, memberikan bukti, walaupun tidak langsung, bahawa gelombang graviti adalah nyata. Hulse dan Taylor menerima Hadiah Nobel 1993.
Pencapaian ini hanya membuat pengesanan gelombang graviti langsung yang lebih menarik. Tetapi tugas itu menakutkan. Pengiraan menunjukkan bahawa sebagai gelombang graviti diterbangkan melalui ruang, apa-apa pun dalam laluannya akan diluaskan dan diperas di sepanjang paksi berserenjang dengan arah gerakan gelombang. Gelombang graviti menuju ke arah Amerika Syarikat akan secara bergantian meregangkan dan memerah ruang antara New York dan California, dan antara Texas dan North Dakota. Oleh dengan tepat mengawasi jarak sedemikian, kita sepatutnya dapat menentukan lulus gelombang.
Cabarannya adalah sama seperti riak di kolam mati kerana ia merebak, riak graviti mencairkan ketika ia bergerak dari sumbernya. Kerana perlanggaran kosmik utama biasanya berlaku sangat jauh dari kita (bersyukur), pada saat gelombang gravitasi menelan Bumi, jumlah peregangan dan peregangan yang menyebabkannya kurang dari diameter atom. Mengesan perubahan sedemikian setanding dengan mengukur jarak dari Bumi ke bintang terdekat di luar sistem suria dengan ketepatan yang lebih baik daripada ketebalan lembaran kertas.
Percubaan pertama, yang dipelopori oleh Joseph Weber dari University of Maryland pada tahun 1960-an, menggunakan silinder aluminium pepejal berbilang ton, dengan harapan bahawa mereka perlahan-lahan akan bergema seperti garpu penalaan gergasi sebagai tindak balas kepada gelombang graviti yang berlalu. Pada awal 1970-an, Weber mendakwa kejayaan, masa yang besar. Beliau melaporkan bahawa gelombang graviti menelefon pengesannya hampir setiap hari. Pencapaian penting ini memberi inspirasi kepada orang lain untuk mengesahkan tuntutan Weber, tetapi selepas bertahun-tahun mencuba, tidak ada yang dapat menangkap gelombang tunggal.
Kepercayaan Weber terhadap keputusannya, lama selepas bukti yang diandaikan sebaliknya, menyumbang kepada perspektif yang telah menggariskan bidang selama beberapa dekad. Selama bertahun-tahun, banyak saintis percaya, seperti juga Einstein, walaupun gelombang graviti sebenarnya, mereka hanya akan terlalu lemah untuk dikesan. Mereka yang ingin mencari mereka berada dalam tugas yang bodoh, dan mereka yang percaya dakwaan pengesanan telah tertipu.
Menjelang tahun 1970, beberapa orang yang masih mengalami gelombang graviti berubah menjadi skema pengesanan yang lebih menjanjikan di mana laser akan digunakan untuk membandingkan panjang dua terowong serupa yang berorientasikan pada 90 darjah satu sama lain. Gelombang graviti lulus akan meregangkan satu terowong ketika memerah yang lain, sedikit mengubah jarak yang dilalui oleh sinar laser yang dipecat sepanjang setiap. Apabila kedua-dua sinar laser kemudian dirombak, corak yang dihasilkan bahawa bentuk cahaya sensitif kepada perbezaan minit sejauh mana setiap rasuk telah mengembara. Sekiranya gelombang graviti melonjak, walaupun gangguan minuscule ia akan meninggalkan corak laser yang diubah suai.
Ia adalah idea yang indah. Tetapi penunggang kuda berdekatan, trak gegaran, angin ribut atau pokok-pokok yang jatuh dapat mengganggu eksperimen seperti itu. Apabila mencari perbezaan panjang kurang dari bilion bilion meter, keupayaan untuk melindungi radas dari segala permasalahan alam sekitar yang mungkin, sedikit pun, menjadi paling penting. Dengan keperluan seolah-olah tidak dapat diatasi, penyerang-penyerang telah diberikan lebih banyak peluru. Menangkap gelombang graviti akan menyebabkan pendengaran Horton a, walaupun di atas kereta bawah tanah New York City, hanya bermain kanak-kanak.
Walau bagaimanapun, ahli fizik Amerika, Kip Thorne dan Rainer Weiss, yang kemudiannya disertai oleh ahli fizik Scotland, Ronald Drever, memimpikan membina sebuah pengesan gelombang graviti berasaskan laser, dan mereka menetapkan roda yang bergerak untuk membuat mimpi itu menjadi kenyataan.
Pada tahun 2002, selepas beberapa dekad penyelidikan dan pembangunan dan lebih daripada $ 250 juta pelaburan dari Yayasan Sains Kebangsaan, dua keajaiban sains dan teknologi yang membentuk LIGO (Observatorium Gelombang Gravitational Laser Interferometer) telah digunakan di Livingston, Louisiana, dan Hanford, Washington. Terowong beroda empat kilometer panjang dalam bentuk surat gergasi "L" akan menempatkan pancaran laser kira-kira 50, 000 kali lebih kuat daripada penunjuk laser standard. Cahaya laser akan melantun ke belakang antara cermin paling halus di dunia, diletakkan di hujung bertentangan setiap lengan, mencari kesilapan kecil pada masa yang diperlukan untuk melengkapkan perjalanan.
Para penyelidik menunggu. Dan menunggu. Tetapi selepas lapan tahun, tiada apa-apa. Mengecewakan, pasti, tetapi sebagai pasukan penyelidikan berhujah, tidak menghairankan. Pengiraan telah menunjukkan bahawa LIGO hampir tidak berada di ambang kepekaan yang diperlukan untuk mengesan gelombang graviti. Jadi pada tahun 2010, LIGO telah ditutup untuk pelbagai peningkatan, dengan jumlah lebih daripada $ 200 juta, dan pada musim gugur tahun 2015, LIGO yang bertambah baik, banyak kali lebih sensitif, dihidupkan. Mengejutkan, kurang dari dua hari kemudian, penggambaran tiba-tiba menggegarkan pengesan di Louisiana, dan tujuh milisaat kemudian pengesan di Washington mengikis hampir dengan cara yang sama. Corak getaran halus sesuai dengan simulasi komputer yang diramalkan untuk gelombang graviti yang akan dihasilkan oleh lubang hitam yang mengorbit lubang hitam yang runtuh bersama.
Seorang kawan saya di dalam, bersumpah untuk kerahsiaan tetapi sanggup memberikan petunjuk yang tidak begitu halus, memberitahu saya, "Bayangkanlah impian kita yang paling terhangat telah menjadi kenyataan." Tetapi, ini memukul jackpot gelombang graviti yang memberikan jeda penyelidik. Ia hampir terlalu sempurna.
Peralatan LIGO bergantung pada tepat-kejuruteraan-dan cermin yang sangat bersih. (Matt Heintze / Caltech / MIT / LIGO Lab) Dengan beberapa bulan yang sengit, usaha gigih untuk menyelidik semua penjelasan yang lain, namun tidak mungkin, hanya satu kesimpulan yang tersisa. Isyaratnya adalah nyata. Satu abad selepas Einstein meramalkan kewujudannya, pengesanan langsung pertama gelombang graviti disambut oleh lebih daripada 1, 000 saintis yang mengerjakan eksperimen LIGO. Mereka telah merasakan murmur seketika tsunami graviti yang melepaskan lebih daripada satu bilion tahun yang lalu, sisa penggabungan gelap di suatu tempat di langit selatan yang mendalam.
Pengumuman akhbar rasmi, pada 11 Februari, di Washington, DC, adalah elektrik. Di institusi saya sendiri, Columbia University, kami terpaksa mengalihkan aliran hidup prosiding ke salah satu tempat terbesar di kampus, dan cerita serupa yang dimainkan di universiti di seluruh dunia. Untuk seketika, gelombang graviti melambangkan prognostik presiden.
Keseronokan itu dibenarkan. Sejarah akan melihat semula penemuan itu sebagai salah satu daripada beberapa titik infleksi yang mengubah kursus sains. Sejak manusia pertama kelihatan ke langit, kita telah meneroka alam semesta menggunakan gelombang cahaya. Teleskop dengan ketara meningkatkan keupayaan ini, dan dengan itu kami mengalami keindahan landskap kosmik yang baru. Semasa abad ke-20, kami memperluaskan jenis isyarat cahaya yang kami mengesan-inframerah, radio, ultraviolet, gamma dan X-ray-semua bentuk cahaya tetapi dengan panjang gelombang di luar julat yang dapat kita lihat dengan mata kasar. Dan dengan probe baru ini, landskap kosmik semakin kaya.
Gelombang graviti adalah jenis penyelidikan kosmik yang sangat berbeza, dengan potensi menghasilkan akibat yang lebih dramatik. Cahaya boleh disekat. Bahan legap, seperti teduhan tetingkap, boleh menghalang cahaya yang kelihatan. Sangkar logam boleh menyekat gelombang radio. Sebaliknya, graviti melepasi segala-galanya, hampir tidak berubah.
Oleh itu, dengan gelombang graviti seperti siasatan kita, kita akan dapat mengkaji semula alam yang tidak terhad kepada cahaya, seperti perebutan masa yang huru-hara ketika dua lubang hitam bertabrakan atau mungkin gegaran liar bang besar itu sendiri, 13.8 bilion tahun yang lalu. Sudahlah, pemerhatian telah mengesahkan idea bahawa lubang hitam mungkin membentuk pasangan binari. Lebih terangsang lagi, kita mungkin mendapati landskap gelap yang dihuni oleh perkara-perkara yang kita bayangkan.
Sebagai rangkaian pengesan di seluruh dunia-di Itali, Jerman, tidak lama lagi Jepun dan mungkin India-menyusun data mereka, diharapkan dapat disertai pada masa depan oleh pengesan besar yang beroperasi di angkasa, keupayaan kami untuk menyelidiki kosmos akan mengambil lompat raksasa yang lain ke hadapan. Yang sangat mendebarkan. Tidak ada yang lebih mengilhami daripada kemampuan kita, di tengah-tengah perjuangan daratan kita yang ada sekarang, untuk mencari, bertanya-tanya, dan mempunyai kepintaran dan dedikasi untuk melihat sedikit lebih jauh.
**********
