الآن بعد أن اكتشف ليجو لأول مرة إشارة موجات الجاذبية ، تم تأكيد جزء من نظرية أينشتاين ، متوقعًا أنه يجب تغطية نسيج الفضاء بالتموجات والموجات. وهذا يثير الكثير من الأسئلة المثيرة للاهتمام ، بما في ذلك ما يلي:
هل يجب على موجات الجاذبية أن تُظهر ازدواجية جسيم الموجة ، وإذا كان الأمر كذلك ، فهل قام علماء الفيزياء مع LIGO للتوصل إلى طرق لاختبار هذا ، مثل نوع من التجارب مع شقين؟
تعد ازدواجية جسيم الموجة واحدة من أغرب عواقب ميكانيكا الكم المعروفة لنا.
يبدأ كل شيء بكل بساطة: تتكون المادة من جزيئات وذرات ومكوناتها والإشعاع - من الموجات. الجسيم مرئي ، لأنه يعرض خصائص مثل التصادمات أو الارتدادات ، يلتصق مع الجسيمات الأخرى ، ويتبادل الطاقة ، ويربط ، إلخ. ويمكن تحديد الموجة عن طريق الحيود والتداخل مع نفسها. يعتقد نيوتن بشكل خاطئ أن الضوء يتكون من جزيئات ، ولكن البعض الآخر ، على سبيل المثال ، Huygens (معاصره) وعلماء القرن التاسع عشر ، Young and Fresnel ، أظهروا على وجه اليقين أن الضوء يظهر خصائص لا يمكن تفسيرها إلا إذا اعتبرتها الموجة. أوضحها هو مرور الضوء من خلال شق مزدوج: تظهر الصورة على شاشة الخلفية أن الضوء يتداخل بشكل هيكلي (تظهر النقاط المضيئة) وبشكل مدمر (تظهر النقاط المظلمة).
التداخل هو خاصية موجية ، لذا "أثبتت التجربة" أن الضوء هو موجة. ولكن في بداية القرن العشرين ، كان كل شيء مرتبكًا قليلاً عند اكتشاف التأثير الكهروضوئي. إذا كنت تتألق على مادة معينة ، فإن الضوء سيضرب الإلكترونات بشكل دوري. إذا جعلت الضوء أكثر احمرارًا (خفض الطاقة) - حتى زيادة شدته - ستتوقف الإلكترونات عن الإيقاع. ولكن إذا جعلتها زرقاء (زيادة الطاقة) ، فعندئذ حتى لو شددت الكفاءة بقوة ، فسيظل الضوء يطرد الإلكترونات. بعد فترة وجيزة ، اتضح أن الضوء يتم تكميته إلى فوتونات ، وأن الفوتونات الفردية يمكن أن تتصرف مثل الجسيمات ، وتدق الإلكترونات عند الطاقة الصحيحة.
دون حد معين ، لا تحدث طاقة التأينعلى مدار القرن العشرين ، ظهرت نتائج أكثر غرابة:
• الفوتونات المنفصلة ، التي تمر عبر شقين واحدًا تلو الآخر ، ستتداخل مع نفسها وتعطي صورة مقابلة للموجة.
• الإلكترونات ، كونها جسيمات ، تظهر أيضًا تداخل وانحراف.
• إذا قمت بقياس الشق المحدد الذي يمر به الفوتون أو الإلكترون ، فلن يعمل نمط التداخل - وإذا لم تقم بالقياس ، فقد اتضح.
يبدو أنه يمكن وصف كل جسيم نلاحظه على أنه موجة وكجسيم. علاوة على ذلك ، تقول فيزياء الكم أنه من الضروري وصفها بهذا الشكل وفي نفس الوقت ، وإلا فلن نحصل على نتائج تتوافق مع التجارب.
ننتقل إلى موجات الجاذبية. إنها فريدة من نوعها تمامًا ، لأننا حتى الآن لاحظنا فقط مظاهر موجاتها ، ولكننا لم نلاحظ أنها تتصرف مثل الجسيمات. ومع ذلك ، تمامًا مثلما تتكون موجات الماء من جسيمات ، لذلك يجب أن تتكون موجات الجاذبية من جزيئات. يجب أن تكون هذه الجسيمات جاذبية ، تنقل قوة الجاذبية ، ويجب أن تظهر نتيجة لحقيقة أن الجاذبية بطبيعتها تفاعل كمومي.
نظرًا لأن هذه موجة ، بناءً على الملاحظات ، تتصرف تمامًا كما تنبأت النظرية العامة للنسبية ، يمكننا أن نستنتج بأمان أنها ستستمر في التصرف مثل جميع الكيانات الموجية التي تنبأت بها الموارد الوراثية. في التفاصيل ، تختلف اختلافًا طفيفًا عن الموجات الأخرى المألوفة لنا: هذه ليست موجات حجمية ، مثل موجات الماء ، وليست موجات متجهة ، مثل الضوء ، حيث تتأرجح المجالات الكهربائية والمغناطيسية في الطور. هذه موجات موتر ، مما يتسبب في تقلص المساحة وتمددها في الاتجاه العمودي مع مرور الموجة.
تتصرف هذه الموجات بطرق عديدة مثلها مثل أي موجات أخرى ، بما في ذلك الانتشار في وسط بسرعة معينة (مع سرعة الضوء على طول نسيج الفضاء) ، والتداخل مع الموجات الأخرى في الفضاء على حد سواء من الناحية الهيكلية والمدمرة ، تتحرك على السطح بالفعل الانحناء الحالي للزمكان ، وإذا كان من الممكن إجبار هذه الموجات على تجربة الانعراج - ربما عند المرور بمصدر جاذبية قوي مثل الثقب الأسود - فإنهم سيفعلون ذلك. بالإضافة إلى ذلك ، من المعروف أنه مع توسع الكون ، سوف تتصرف هذه الموجات بنفس الطريقة التي يتصرف بها الجميع: التمدد والتوسع مع مساحة خلفية الكون.
لذا فإن السؤال هو كيفية التحقق من الجزء الكمي؟ كيف تبحث عن الطبيعة الجسدية لموجة الجاذبية؟ من الناحية النظرية ، فإن موجة الجاذبية تشبه الرسوم المتحركة أعلاه ، والتي توضح كيف تنشأ رؤية الموجة من العديد من الجسيمات المتحركة في الدوائر - هذه الجسيمات ستكون الجاذبية ، وتم تسجيل الموجة الناتجة بواسطة LIGO. هناك كل الأسباب التي تجعلنا نعتقد أن لدينا جاذبية ، والتي:
• لديك دوران 2 ،
• لا تملك كتلة ،
• التحرك بسرعة الضوء ،
• تتفاعل فقط من خلال الجاذبية.
القيود التي تم الحصول عليها من LIGO على كتلة الجاذبية جيدة جدًا: إذا كانت الكتلة ، فإنها لا تتجاوز 1.6 * 10
-22 eV / c
2 ، أي أنها أخف وزناً بمقدار
28 مرة من الإلكترون. ولكن حتى نتوصل إلى طريقة لاختبار جاذبية الكم بموجات الجاذبية ، لن نعرف ما إذا كانت الجاذبية تُظهر ازدواجية جسيم أمواج.
هناك فرصتان لهذا ، على الرغم من أنه من غير المرجح أن تنجح LIGO. كما ترون ، فإن تأثيرات الجاذبية الكمية تكون أكثر وضوحًا حيث تتفاعل حقول الجاذبية القوية جدًا على مسافات قصيرة جدًا. هل هناك طريقة أفضل للتحقق من ذلك من مراقبة دمج الثقوب السوداء؟ عندما يندمج اثنان من التفردات ، تظهر هذه التأثيرات الكمية - التي يجب أن تكون نقطة البداية لها GRT - في لحظة الاندماج ، قبل ذلك مباشرة وبعده مباشرة. نحتاج إلى تتبع الظواهر عبر الفترات الزمنية المقيسة بالبيكو ثانية ، وليس الميكروثانية أو المللي ثانية التي يتحسسها LIGO - ولكن قد لا يكون ذلك ممكنًا. من حيث المبدأ ، قمنا بتطوير نبضات ليزر تعمل على مقياس فيمتوثانية أو حتى attosecond (10 -
15 ثانية - 10 -
18 ثانية) ، حتى نتمكن من تنظيم حساسية تتبع الانحرافات الصغيرة عن النسبية إذا بدأت الكثير من أجهزة قياس التداخل. سيتطلب ذلك قفزة هائلة في التكنولوجيا ، وانخفاضًا كبيرًا في الضوضاء وزيادة في الحساسية. لكن من الناحية الفنية ، هذا ليس مستحيلاً - إنه صعب للغاية!
إذا كنت بحاجة إلى مزيد من المعلومات ، فقد قمت للتو بتسجيل مقطع فيديو يحتوي على قصة عن موجات الجاذبية ، LIGO وما تعلمناه عنها.
يهتم موضوعنا بشكل خاص بالسؤال الأخير ، الذي يقول عن كيفية اختبار الطبيعة الجسدية للجرافيتون ، والتي ستكمل صورة ازدواجية الجسيمات الموجية للكون. نحن نعتقد أن هذا سيصبح صحيحًا ، على الرغم من أننا بالتأكيد لا نعرف. آمل أن يدفعنا فضولنا إلى الاستثمار في هذه الدراسات ، وستلعب الطبيعة معنا ، وسنكتشف ذلك!