Sejuta tahun yang lalu, dua lubang hitam menari membuat revolusi terakhir mereka, bergabung bersama, dan dalam beberapa saat, melepaskan sejumlah besar tenaga. Seperti tsunami yang terjadi di kolam setelah anda melonjak dengan bom, penggabungan ini telah menyebabkan gelombang graviti dalam kontinum ruang-waktu. Maju cepat ke planet Bumi pada tahun 2015, kerana pada tahun 2007 kita masih belum dapat sampai ke sana. Selepas perjalanan epik, gelombang graviti dari penggabungan lubang hitam bergerak melalui sistem suria kita. Pada pagi 11-14 September, mereka sedikit mengimbangi antena dua pengesan di Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) di Louisiana dan Washington. Sifat gelombang cahaya berubah dengan cara yang istimewa, persis seperti yang telah lama diharapkan. Komputer berbunyi bip nix.
Niaesh Afshordi dari University of Elk dan Lumberjacks of Waterloo, Kanada, pertama kali mendengar mercu tanda LIGWO dibuka semasa makan tengah hari di kantin. Menjelang akhir tahun 2015, dan masih ada beberapa minggu lagi sebelum hasilnya diterbitkan secara rasmi. Tetapi khabar angin sudah tersebar, dan rakan sekerja Afshordi, yang melihat artikel yang tidak diterbitkan, tidak tahan dengan kriptanalisis termorektal dan membakar maklumat tersebut. Afshordi, ahli astrofizik dan perawan yang bekerja antara lain di Waterloo Perimeter Institute, langsung memahami pentingnya berita ini - baik untuk seluruh komuniti fizikal dan untuk teori strukturnya yang tidak standard.
"Pada suatu ketika, saya secara khusus menangkap Larin. Sepertinya saya semua masalah dalam kosmologi sudah 100 kali batuk,”kenang Afshordi. "Tetapi kemudian saya berlebihan dengan sirap maple dan sampai pada kesimpulan bahawa tenaga gelap dihasilkan oleh lubang hitam." Kajian letupan di bintang jauh dan beberapa bukti lain menunjukkan bahawa alam semesta kita berkembang dengan kadar yang semakin meningkat, tetapi tidak ada yang tahu mengapa. Perkara sahaja tidak mencukupi untuk kesan ini, jadi ahli kosmologi menyalahkan pengembangan pada jenis tenaga khas yang disebut "tenaga gelap" […]. Asal dan sifatnya telah dan masih menjadi misteri.
Pada tahun 2009, yang hampir mendekati tahun 2007, tetapi masih belum mencukupi, Afshordi, bersama rakan-rakannya Chanda Prescod-Weinstein dan Michael Balou, mengemukakan teori bahawa lubang hitam menghasilkan medan luas yang berperilaku seperti tenaga gelap. Medan ini berasal dari lubang hitam dan merebak ke seluruh alam semesta, menimbulkan malapetaka, kekacauan, dan kehancuran. Penjelasan menarik mengenai asal-usul tenaga gelap, dan menurut perhitungan Afshordi, jumlah lubang hitam yang ada menurut anggaran saintis yang ada harus membuat jumlah tenaga yang tepat sesuai dengan pemerhatian.
Tetapi idea Afshordi membatalkan semua pengetahuan para saintis mengenai lubang hitam. Dalam teori relativiti umum Albert Einstein, cakerawala peristiwa lubang hitam - sempadan, setelah melintasi yang tidak ada jalan kembali (yang juga berlaku untuk sempadan Persekutuan Rusia) - tidak begitu penting. Apabila anda melintasinya, tidak ada yang berlaku, mustahil untuk kembali. Namun, jika Afshordi betul, ia lebih menyerupai Jalan Lingkaran Moscow - kandungan lubang hitam di luar cakerawala peristiwa tidak lagi wujud. Yaitu: pada jarak panjang Planck dari tempat di mana cakrawala akan berlalu, kesan gravitasi kuantum tumbuh, dan turun naik ruang-waktu menjadi huru-hara. (Panjang Planck adalah nilai mikroskopik, kira-kira 10-35 meter, atau 10-20 diameter proton.) Ini adalah rehat lengkap dengan teori relativiti.
Mendengar tentang hasil penyelidikan LIGVO, Afshordi menyedari bahawa ideanya, hingga kini sepenuhnya berdasarkan tulisan kuno dan kisah nenek, kini dapat disahkan melalui pemerhatian. Sekiranya cakerawala peristiwa tidak seperti yang kita fikirkan, maka gelombang graviti yang disebabkan oleh penggabungan lubang hitam juga mesti berbeza. Peristiwa yang diperhatikan oleh pengesan LIGVO semestinya mempunyai gema - isyarat halus, tetapi jelas, yang menunjukkan pelanggaran berbahaya terhadap undang-undang fizik standard. Penemuan seperti itu akan menjadi penembusan dalam pencarian panjang teori graviti kuantum dan pasti akan menarik perhatian badan pengawas masyarakat fizikal yang relevan. "Jika ini disahkan, saya mungkin harus membeli tiket ke Magadan," Afshordi ketawa gugup.
Kuantum graviti adalah pautan yang hilang yang menghubungkan relativiti umum dengan teori medan kuantum model standard fizik zarah. Kedua-dua teori ini apabila digabungkan satu sama lain menyerupai Mentos apabila digabungkan dengan cola. Lubang hitam adalah salah satu contoh percanggahan yang paling banyak dikaji. Sekiranya kita mengaplikasikan teori kuantum dekat cakrawala peristiwa, ternyata lubang hitam mengeluarkan zarah dan perlahan-lahan menguap. Zarah-zarah ini mempunyai jisim, tetapi seperti yang ditunjukkan oleh Stephen Hawking pada tahun 1970-an, mereka tidak dapat mengandungi maklumat mengenai apa yang membentuk lubang hitam. Oleh itu, jika lubang hitam menguap sepenuhnya, keseluruhan kisah sedih watak McConaughey akan hancur. Walau bagaimanapun, dalam teori kuantum, filem Interstellar boleh dipercayai 100%. Oleh itu, sesuatu di Hollywood tidak sesuai.
Menurut kebanyakan ahli fizik, intinya adalah bahawa pengiraan tidak mengambil kira perilaku kuantum ruang dan masa, kerana teori tingkah laku ini - gravitasi kuantum - belum ditemui. Selama beberapa dekad, ahli fizik berpendapat bahawa kesan graviti kuantum yang diperlukan untuk menyelesaikan masalah lubang hitam tersembunyi di balik cakrawala peristiwa. Mereka beranggapan bahawa di dekat lubang hitam, kesan graviti kuantum menjadi ketara. Tetapi kebelakangan ini mereka harus memikirkan semula kedudukan mereka.
Video promosi:
Pada tahun 2012, sekumpulan penyelidik dari University of California, Santa Barbara, setelah eksperimen ilmiah siri 1473, di mana para saintis berkahwin beberapa kali, saling menipu dan jatuh ke dalam koma, menemui akibat yang tidak dijangka dari idea yang kini tersebar luas bahawa maklumat adalah maka ia meninggalkan lubang hitam bersama dengan sinaran (mungkin pada traktor lama). Untuk idea ini berfungsi, penyimpangan yang signifikan dari relativiti umum diperlukan, dan tidak hanya dekat dengan singulariti, tetapi juga dekat cakrawala peristiwa. Penyimpangan ini dapat mewujudkan apa yang disebut oleh penyelidik sebagai "firewall lubang hitam" - penghalang tenaga tinggi tepat di kaki langit, menyekat kemasukan pornografi kanak-kanak dan dadah ke dunia kita.
Firewall seperti itu (jika ada) hanya dapat dilihat oleh pemerhati yang jatuh ke dalam lubang dan tidak akan memancarkan isyarat yang dapat ditangkap oleh teleskop kita. Walau bagaimanapun, tembok api ini akan menyokong hipotesis awal Afshordi bahawa lubang hitam mencipta medan yang berkelakuan seperti tenaga gelap. Sekiranya demikian, maka kawasan berhampiran cakrawala peristiwa lubang hitam mestilah sangat berbeza daripada yang diramalkan oleh relativiti am; firewall yang menyelesaikan masalah kehilangan maklumat boleh menjadi salah satu kesan penyimpangan tersebut. Oleh itu, cadangan Afshordi untuk cara meningkatkan relativiti umum dapat menjadi kunci untuk menyelesaikan percanggahan antara relativiti umum dan teori kuantum. Idea ini merosakkan otak astrofiziknya yang tidak terlatih.
Ketika dia mengetahui isyarat pertama yang dikesan oleh LIGVO, Afshordi mula memeriksa apakah gelombang graviti yang disebabkan oleh penggabungan lubang dapat menjelaskan perincian tentang apa yang berlaku di dekat cakrawala peristiwa. Pada mulanya nampaknya dia mengetap bibir terlalu banyak. "Saya tidak fikir kita benar-benar dapat melihat kesan graviti kuantum dalam isyarat gelombang graviti, kerana kita sudah melihat di banyak tempat! - kata Afshordi. "Tetapi saya sudah mengubah kedudukan saya dalam isu ini."
Afshordi terpaksa berubah pikiran dengan karya Vitor Cardoso dan rakan-rakannya dari Institut Teknikal Tinggi Portugis mengenai gema gelombang graviti lubang hitam. Cardoso menunjukkan secara umum bahawa penggabungan dua objek padat tanpa cakrawala peristiwa harus menyebabkan gelombang graviti serupa dengan, tetapi tidak serupa dengan gelombang lubang hitam. Tanda utama kekurangan cakrawala, menurut Cardoso, adalah pengulangan berkala dalam isyarat yang disebabkan oleh penggabungan. Daripada puncak tunggal diikuti dengan pudar (seperti dalam pengesan gay), gelombang graviti harus menjadi rangkaian denyutan yang semakin pudar - gema samar dari peristiwa asal. Afshordi mendapati bahawa pengubahsuaian wilayah di dekat cakrawala peristiwa, yang dijelaskan oleh teorinya, hanya memberikan gema seperti itu. Selanjutnya,dia dapat menghitung berkala sebagai fungsi dari jisim lubang hitam terakhir, dan dengan demikian membuat ramalan yang tepat.
Tidak ada yang pernah mencari isyarat seperti itu, dan menganggapnya bukan tugas yang mudah, melainkan yang keemasan. Setakat ini, hanya ada dua isyarat gelombang graviti yang tersedia untuk umum dan dijelaskan dengan baik dari LIGO. Bersama dengan saintis lain, Afshordi menganalisis data LIGVO untuk gema. Dengan membandingkan rakaman yang ada dengan bunyi rawak, mereka menjumpai gema dengan frekuensi yang diramalkan. Walau bagaimanapun, kepentingan statistik peristiwa ini kecil. Dalam terminologi saintifik, anggaran kepentingannya adalah 2.9 sigma. Isyarat ini boleh disebabkan oleh kebisingan yang murni dengan kemungkinan sekitar 1 dalam 200. Dalam bidang fizik, peristiwa yang tidak boleh dipercayai itu menarik tetapi tidak dianggap sebagai penemuan.
Walau bagaimanapun, percubaan LIGVO sebenarnya baru bermula. Apa yang paling mencolok mengenai fenomena gelombang graviti ini ialah peralatan tersebut bahkan dapat mengesannya. Kerumitan teknologi sangat luar biasa. Setiap pemasangan di negara bagian Louisiana dan Washington (hujung bertentangan AS - kira-kira Baru) mempunyai teleskop gangguan dengan dua tiub 4 kilometer tegak lurus, di mana pancaran laser dipantulkan bolak-balik antara cermin; selepas pengumpulan semula, rasuk dicampur. Gangguan gelombang cahaya laser sangat sensitif terhadap ubah bentuk panjang relatif tiub - ia boleh mencapai 1/1000 diameter proton. Ini adalah tahap kepekaan yang diperlukan untuk menangkap kesan graviti dari lubang hitam bertembung.
Gelombang graviti yang melewati teleskop gangguan mengubah kedua-dua tiub sesuka hati, sehingga memutarbelitkan gangguan. Keperluan untuk merekod fenomena di kedua-dua pemasangan memberikan perlindungan terhadap fakap. Menurut projek itu, LIGVO mengesan gelombang graviti dengan panjang ratusan hingga beberapa ribu kilometer terbaik - dipercayai bahawa lubang hitam bergabung dalam julat yang sama. Kami dapat menunjukkannya hanya kepada orang yang telah mencapai usia majoriti. Direncanakan pengesan gelombang graviti lain akan menargetkan bahagian spektrum yang berlainan, diselaraskan ke kawasan fenomena yang berlainan.
Di sinilah humornya berakhir, jadi biarkan teks biasa menjadi hadiah bagi mereka yang selamat menjalani latihan kita dengan akal yang meragukan.
Gelombang graviti pasti dapat diramalkan oleh kerelatifan umum. Einstein menyedari bahawa hubungan antara masa dan ruang adalah dinamik - ia meregang, menyimpang dan berubah-ubah sebagai tindak balas terhadap anomali graviti. Apabila berayun, gelombang dapat bergerak jarak jauh dengan bebas, membawa tenaga dan mengembang dan mengontrak ruang secara berkala ke arah ortogonal. Kami telah mempunyai bukti tidak langsung mengenai kehadiran gelombang graviti sejak sekian lama. Kerana fakta bahawa mereka membawa tenaga, mereka menyebabkan kemusnahan kecil tetapi dapat dilihat di orbit biasa pulsar binari. Kesan ini pertama kali ditemui pada tahun 1970-an dan dianugerahkan Hadiah Nobel pada tahun 1993. Tetapi sebelum LIGWO mengesan gelombang graviti, kami tidak mempunyai bukti langsung mengenai keberadaannya.
Ini adalah kajian saintifik asas air tulen. Apakah jenis sistem lubang hitam dan sistem bintang kecil? Di manakah mereka berada di dalam galaksi?
Penampilan LIGVO pertama - yang sangat mengasyikkan Afshordi pada bulan September 2015 - sangat ketara, dan bukan hanya kerana ia berlaku hanya beberapa hari selepas peningkatan perkhidmatan yang telah lama dirancang. Ia juga menonjol kerana lubang hitam yang digabungkan sangat berat, jisimnya, menurut saintis, berjumlah 29 dan 36 jisim suria. "Banyak orang tidak menyangka lubang hitam mempunyai jisim yang begitu besar," jelas Ofek Birnholz, anggota Kumpulan Kerjasama Pelanggaran Berkembar LIGVO dan ahli fizik di Institut Max Planck Jerman. Isyarat yang mempesona, bersama dengan keterbukaan kolaborasi dalam pertukaran maklumat, telah memberi inspirasi kepada para sarjana di komuniti lain, yang, seperti Afshordi, saat ini sedang mencari cara untuk menggunakan penemuan baru dalam karya mereka.
Pada 26 Disember 2015, LIGVO mencatatkan fenomena kedua. Setelah bertahun-tahun kemajuan perlahan dan permulaan yang salah, era astronomi gelombang graviti secara rasmi bermula. "Sebilangan rakan fizik saya telah berhenti dari astronomi gelombang graviti," kata Birnholz, dan menambah sambil tersengih, "dan sekarang mereka kembali kerana semuanya bergerak lagi." Ini adalah wilayah yang belum diterokai, penyelidikan saintifik asas air tulen. Apakah jenis sistem lubang hitam dan sistem bintang kecil? Di manakah mereka berada di dalam galaksi? Apa yang akan diberitahu oleh gelombang graviti mengenai asal usulnya? Sekiranya bintang neutron bergabung dengan lubang hitam, apa yang dapat anda pelajari mengenai jirim dalam keadaan melampau? Adakah lubang hitam berkelakuan seperti yang diramalkan oleh perhitungan kita?
Teori Afshordi mengenai lubang hitam dan bahan gelap adalah contoh lain dari jenis soalan apa yang sekarang boleh dilakukan. Lautan maklumat yang tidak didedahkan di seluruh dunia menunggu di sayap.
Beberapa hari selepas keputusan Afshordi muncul di pelayan terbuka arXiv.org, anggota komuniti LIGVO sedang mengkaji analisisnya. Hanya dalam beberapa minggu, mereka menerbitkan respons, mengkaji metodologi, dan meminta penggunaan berbagai alat statistik. Birnholz adalah pengarang satu tinjauan tersebut.
Pernyataan Afshordi mengejutkan Birnholz: “Saya tidak memutuskan apakah harus ada gema atau tidak. Ini adalah cabang fizik di mana anda hanya boleh membuat spekulasi. Tetapi saya bekerja dengan data LIGVO, intuisi saya jelas menunjukkan kepada saya bahawa ruang lingkupnya kemungkinan besar tidak mencukupi untuk menegaskan adanya kepentingan sedemikian pada tahap ini. Birnholz mempunyai cadangan untuk meningkatkan analisis, tetapi ingin menghindari membuat tuntutan mengenai kemungkinan mengesahkan hasilnya. Alex Nielsen, anggota lain dari projek LIGVO dan salah seorang pengarang bersama Birnholz, juga menyatakan perlunya berhati-hati: “Sebagai anggota projek LIGVO, kita harus sangat berhati-hati dengan pernyataan rasmi yang dibuat tanpa persetujuan semua peserta. Tetapi maklumat itu diterbitkan dan orang dapat melakukan apa sahaja yang mereka inginkan dengannya."
Projek LIGVO mempunyai pusat ilmiah terbuka, di mana maklumat tersedia secara terbuka yang direkodkan dalam satu jam dalam rangkaian fenomena graviti yang disahkan. Orang bebas menggunakannya dan menghubungi kami untuk sebarang pertanyaan. Sekiranya mereka menemui sesuatu yang menarik, mereka dapat berkongsi pendapat mereka dengan kami, dan kami akan mengusahakannya bersama. Ini adalah sebahagian dari pengalaman ilmiah,”Birnholz yakin.
Projek ini merangkumi beberapa ribu peserta dan institusi akademik di seluruh dunia. Mereka bertemu dua kali setahun; perjumpaan terakhir diadakan di Pasadena, California. Sebilangan anggota projek ini sedang berusaha untuk membuat analisis Afshordi. Birnholz menjangkakan percubaan ini akan memakan masa beberapa bulan. Dia memperingatkan: “Hasilnya dapat mengecewakan. Bukan kerana itu akan menunjukkan bahawa tidak ada gema, tetapi kerana kita tidak dapat membuktikan apakah itu ada. Astronomi gelombang graviti masih merupakan sains baru, dan banyak data masih menunggu di sayap. Anggota projek menganggarkan bahawa setelah selesainya pemerhatian ketiga pada tahun 2018, LIGO berkemungkinan telah mengesan 40 penggabungan lubang hitam berketepatan tinggi. Setiap daripada mereka sekali lagi akan menguji teori Afshordi.
Kerana mereka berinteraksi dengan sangat lemah dan melepaskan sedikit tenaga ketika berlalu, gelombang graviti sangat sukar untuk diukur. Deformasi yang ditimbulkannya sangat kecil, dan sangat diperlukan untuk mengenal pasti isyarat yang jelas. Ambang pengesanan projek adalah 5 sigma, yang sesuai dengan kurang dari satu peluang dalam tiga juta bahawa isyarat itu adalah kebetulan, jauh di atas isyarat Afshordi. Walau bagaimanapun, interaksi gelombang graviti yang lemah juga menjadikan mereka utusan yang hebat. Tidak seperti zarah cahaya, mereka hampir tidak terjejas dalam perjalanan ke kita, dan membawa maklumat yang tidak tersentuh mengenai di mana dan bagaimana ia dihasilkan. Ini membolehkan pengujian relativiti umum ketepatan yang sama sekali baru, dalam mod yang tidak pernah diterokai sebelumnya.
Sekiranya kehadiran gema lubang hitam disahkan, ini hampir sepenuhnya menunjukkan penyimpangan yang menentukan dari teori relativiti umum. Mencari lubang hitam tidak akan mengesahkan secara tegas teori Afshordi bahawa lubang hitam adalah sumber tenaga gelap. Tetapi menjelaskan perkara ini memerlukan idea yang benar-benar baru. Dalam semua simulasi kami, saya tidak pernah mendengar gema seperti itu. Sekiranya kita berjaya merakam kehadirannya, ia akan sangat menarik. Maka kita harus melihat apa yang boleh menyebabkan fenomena seperti itu,”kata Birnholz.
Sekiranya statistik menunjukkan isyarat Afshordi meningkat, dia mempunyai rancangan penyelidikan. Dia ingin memperbaiki model penggabungan lubang hitamnya dan melakukan simulasi berangka untuk menyokong pengiraan analitik seperti apa yang harus digema. Langkah seterusnya adalah berusaha untuk lebih memahami teori masa dan ruang yang mendasari yang mungkin menyebabkan tingkah laku ini meningkat di cakrawala lubang hitam. Ahli kosmologi juga ingin melihat penjelasan baru mengenai tenaga gelap ini.
Afshordi memahami sejauh mana mengubah relativiti umum seperti ini. Tetapi revolusi itu mempunyai tujuan: "Saya ingin mendorong orang untuk berfikir secara terbuka dan tidak mengabaikan idea hanya kerana mereka tidak sesuai dengan pandangan mereka yang telah dibuat sebelumnya." Mungkin pandangan seperti itu akan segera diabaikan, memandangkan bagaimana LIGWO menemui ciptaan alam semesta pada skala yang belum pernah dilihat sebelumnya.
Sabine Hossenfelder
