دسته: برای عشق به فیزیک

جهانی که در برابر ما قدرت‌نمایی می‌کند

پیش نوشت: این نوشته طولانی‌ست. ابتدا یک خبر رو بررسی می‌کنم و بعد درباره امواج گرانشی صحبت می‌کنم و در ادامه دیدگاه خودم رو می‌نویسم.

خبر: جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۱۷ به طور مشترک به سه دانشمند برای آشکارسازی امواج گرانشی تعلق گرفت که آن‌ها به ترتیب Rainer Weiss و Barry C. Barish وKip S. Thorne  بودند.(+)

پایان نامه کارشناسی ارشد من مروری بر امواج گرانشی و روش آشکارسازی آن بود که توسط این افراد و تیم شان در رصدخانه لایگو (LIGO) انجام گرفت. دیشب رویای ارائه پایان نامه‌ام رو می‌دیدم و میتونید حدس بزنید که خوشحالی این خبر چه اندازه بوده که تونسته به رویای شبانه‌ام هم درز پیدا کنه:)

امواج گرانشی چی هستند و چرامشاهده شون جایزه نوبل به همراه داشته؟

تصمیم گرفتم امروز در موردش توی وبسایت بنویسم و سعی کنم کاری که این آدم‌ها تونستند بعد از صد سال انجام بدهند رو توضیح بدم. صد سال پیش آقای اینشتین معادلات نسبیت عامش رو درآورد و مشهور شد. البته معادلات به تنهایی مشهورش نکردند. معمولا ریاضیات به تنهایی نمی‌تونه باعث شهرت بشه. اما آقای اینشتین انقدر خوش‌شانس بود که فیزیک پیشه‌ها تونستند در طول دوران زندگی‌اش حرفهاش رو با ابزارهای رصدی مشاهده و اثبات کنند.

با این وجود خیلی هم خوش شانس نبود، چون همه حرف‌هاش اون زمان رصد نشد. یکی از اون‌ها امواج گرانشی بود. اینشتین صد سال پیش معادلات امواج گرانشی رو درآورد و گفت همونطور که موج الکترومغناطیس داریم، موج گرانشی هم داریم.

نور یک موج الکترومغناطیسه، یک موج مرئی، اگر همین الان چراغی بالای سرتون روشن هست یا در معرض یک منبع نور مثل خورشید هستید، در واقع شما در معرض یک موج الکترومغناطیس قرار دارید.

موج الکترومغناطیس چرا بوجود میاد؟

اگر بخوام خیلی ساده بگم، چون یک سری بار الکتریکی هستند، که پیوسته در حال حرکت هستند. همین:)

از اونجایی که توی فیزیک خیلی از جاها شبیه همه و فیزیک پیشه‌ها از این بابت باید سپاسگزار طبیعت باشند، امواج گرانشی هم شبیه امواج الکترومغناطیسه اما یک تفاوت وجود داره.

در اینجا اگر دو جرم دور هم بچرخند ما موج گرانشی داریم. و یک تفاوت دیگه، امواج گرانشی خیلی ضعیف تر از امواج الکترومغناطیس هستند. شما همین الان در معرض امواج گرانشی هستید، اما چیزی احساس نمی‌کنید. چرا؟ یک: چون برخلاف امواج الکترومغناطیسی، امواج گرانشی در ناحیه مرئی نیستند و دو: چون خیلی ضعیف هستند.

خب گفتیم امواج گرانشی خیلی ضعیف اند، انقدر ضعیف که صد سال طول کشیده تا اون‌ها رو ببینند. اما چطوری این سه نفر و البته تیم بزرگشون در رصدخانه لایگو تونستند این امواج رو رصد کنند؟ خب این تیم دو تا رصدخانه خیلی بزرگ ساختند. این دو رصد خانه در فاصله‌ی ۳۲۰۰ کیلومتر از هم قرار دارند. هر کدام از این ها یک شکل L مانند داره. این که چرا دو تاساختند واقعا توضیحش فراتر از اینجاست اما اینکه هرکدومشون چطوری کار می‌کنند رو در ادامه میگم.

شکل زیر یک رصد خانه واقعی هست. طول هر کدوم از این بازوهای L مانند، ۱۵ کیلومتر هست.

 

 

 این رصدخانه چطور کار می‌کنه و چطور امواج گرانشی رو آشکار کردند؟

کار خاصی نکردند فقط از چند تا آیینه استفاده کردند:) تو شکل زیر این اتفاق رو به صورت خیلی ساده توضیح میدم.

 

 

دو تا بازو داریم، در انتهای هر بازو یک آیینه به صورت معلق قرار گرفته. (حالا چطوری، مهم نیست) فرض کنید یک نفر در محل تقاطع بازوها کمی دورتر ایستاده و با استفاده از یک لیزر به سمت روبرو نور می تاباند. در مسیرِ حرکتِ نور همونطور که می بینید یک چیزی هست که بهش میگن شکاف دهنده لیزر و کارش اینه که پرتو لیزر رو به طور همزمان به سمت دو بازو هدایت می کنه. اگر هیچ اتفاقی نیافته، این پرتوها توی بازوها حرکت می‌کنند، به آینه‌ها برخورد می‌کنند، انعکاس پیدا می‌کنند و دوباره برمیگردند سر جای اولشون. اما اگر یک اتفاقی بیافته که یکی از آینه ها کمی جابجا بشوند و برای مثال دورتر بشوند (یادمان باشد که آیینه ها معلق هستند)، نور در یکی از بازوها مسیر طولانی تری طی میکنه.

حالا چه اتفاقی ممکنه بیافته؟ مثلا یک موج گرانشی عبور کنه. در این صورت آیینه تکون می خوره و پرتو نور مسیر طولانی تری طی می‌کنه.

اما یک مشکلی وجود داره، یک مشکل همیشگی. امواج گرانشی ضعیف هستند. بنابراین آیینه به مقدار خیلی کوچکی جابجا میشه. می خواهید بدونید چه اندازه ای؟ یک ده هزارم قطر پروتون. دقت کنید پروتون نه اتم!!!

اندازه گیری این فاصله واقعا نیاز به تکنولوژی پیشرفته ای داره و فیزیک پیشه‌ها و البته در کنار مهندس‌ها، تونستند این فاصله رو اندازه گیری کنند و بعد با استفاده از این فاصله و معادلات شون و معادلات اینشتینِ خدا بیامرز، بفهمند این امواج گرانشی مال چه جرم‌هایی بودند. و اون جرم‌ها در چه فاصله‌ای از ما قرار دارند. همین تنها کافیه ما بتونیم اون فاصله رو اندازه بگیریم که البته کار سختی بوده.

این امواج مربوط به چه جرم‌هایی هستند؟

در یکی از رصدهایی که در فوریه ۲۰۱۶ انجام شد، فیزیک پیشه‌ها امواجی را مشاهده کردند که متعلق به برخورد دو تا سیاهچاله با جرم‌های ۳۶ برابر و ۲۹ برابر جرم خورشید بود که در فاصله ی یک بیلیون سال نوری! از ما قرار داشتند. درواقع چه اتفاقی افتاده؟ در یک بیلیون سال نوری آن طرف تر از کهکشان ما، دوتا سیاه چاله با این جرم‌هایی که گفتم دور هم با سرعت بالایی می‌چرخند و در نهایت به هم برخورد می‌کنند و در هم فرو می‌روند و در نهایت یک سیاهچاله با جرم ۶۳ برابر جرم خورشید تشکیل میشه.

برای اینکه بهتر متوجه بشین، ویدیوی زیر که یک شبیه سازی از چنین اتفاقی هست رو می‌تونید مشاهده کنین. البته این ویدیو مربوط به دو تا ستاره نوترونی هست و نه دو سیاه‌چاله. و اون امواجی که ساطع میشه، موج گرانشیه که به صورت شبیه سازی شده قابل مشاهده است.

 

 

قدرت بشر!

وقتی از پایان‌نامه‌ام دفاع می‌کردم، یادمه در انتها با حالت شگفتی بسیار رو کردم به حاضرین و گفتم بشر امروز انقدر توانمند هست که تونسته فاصله‌ای در حد ده هزارم قطر پروتون رو اندازه بگیره و با استفاده از این فاصله کوچک به دوردست‌ها دست پیدا کنه و متوجه بشه در میلیادرها کیلومتر آنطرف‌تر از ما چه اتفاقی می‌افته. و حتی اجرامی که اونجا هستند رو محاسبه کنه. و چه بسا امواج گرانشی بتونند به بشر کمک کنند که بتونه بفهمه در فواصل زمانی دورتر یعنی بیگ بنگ چه اتفاقی افتاده.
اون زمان قدرت تکنولوژی و ساخته‌های دست بشر من رو به شدت حیرت زده کرده بود. من کار تیم لایگو و این سه نفر رو ستایش می‌کنم. فوق العاده بوده. اما الان از یک زاویه دیگه به این قضیه نگاه می‌کنم.

 این جهان است که در برابر ما قدرت نمایی می‌کند.

کافیه یک لحظه سعی کنید مقیاس عظیم مکانی و زمانی جهان رو تصور کنید. عالم از سیزده میلیارد سال پیش (دست کم چیزی که می‌دونیم) تا کنون وجود داشته و تا میلیاردها سال بعد هم ادامه داره. و از نقطه نظر وسعت مکانی تا بینهایت ادامه داره. در این عالم با این وسعت من به عنوان یک گونه انسانی کجا هستم! صرفا در یک برهه کوتاه وارد این دنیا شدم و دارم اون رو میبینم و تا اونجایی که بتونم کشف می‌کنم. من بخشی از این سیستم طبیعی هستم. و جالب اینجاست که برخی آدمها فراموش می‌کنند همه دنیا کره زمین و یا حتا کشورشون نیست.

فکر می‌کنم اگز از نقطه نظر دورتری نگاه کنیم خیلی از مفاهیم از معنا می‌افتند. قدرت، شهرت، برتری جویی و جنگ و سنت‌هایی که اگرچه چند هزار سال هم قدمت داشته باشند اما در برابر مقیاس عالم چیزی نیست.

منظورم این نیست که برخی از این مفاهیم پسندیده نیستند، خیلی از این‌ها غرایز طبیعی ما آدم‌ها هستند، اما می‌خوام بگم وقتی اینطوری نگاه کنیم متوجه میشیم در برابر این عالم هیچ چیز نیستیم و اثری که می‌گذاریم هم در این مقیاس اصلا به حساب نمیاد.
راستش تنها چیزی که بهش فکر می‌کنم اینه که فقط خوبه آدم چنین مقیاسی رو در ذهنش داشته باشه وبهش فکر کنه. شاید با این دیدگاه خیلی از ارزش‌های آدم تغییر کنه. به قول دوستی یک زمانی انسان‌ها زمین رو مرکز عالم می‌دونستند و من فکر می‌کنم این نگاه اگر چه امروز باطله اما هنوز توی ذهن خیلی از آدم‌ها هست. و شاید به شکل بدتری. آدمهایی که خودشون، محیط اطرافشون، سنت‌هاشون، رسم‌هاشون، مذهبشون، همه اونچیزی که هست تصور می‌کنند و نمی‌دونند اون‌ها فقط یک بخش خیلی خیلی کوچیک از جهان هستند.

پینوشت یک: من توضیحاتی که درباره امواج گرانشی دادم رو بسیار ساده شده نوشتم و قطعا در این مدل ساده شده، خطاها و اشتباهاتی وجود داره.
پینوشت دو: نمی‌دونم از این پست چیزی فهمیدین یا نه، قسمت آخر رو بارها پاک کردم و نوشتم، بهانه‌ی این نوشته، شنیدن این خبر و بحثی بود که با یکی از دوستانم داشتم و هرچند که این نگاه احتمالا هنوز خام و ناقصه و بهتره که دقیق‌تر آدم در موردش بنویسه، و در روزهای آتی بیشتر بهش فکر می‌کنم. و البته دوست دارم نظر شما رو هم بدونم.