عالم الفيزياء كيب ثورن يناقش موجات الجاذبية ، العلم وراء 'بين النجوم'

عالم الفيزياء الفلكية النظري كيب ثورن يعمل مع جيسيكا تشاستين في تصوير فيلم Interstellar(الائتمان: كيب ثورن عبر مجلة وايرد)

على مدار قرن منذ أن نشر ألبرت أينشتاين لأول مرة نظريته العامة الرائدة في النسبية ، سعت العقول الكبرى في العالم لاكتشاف ما إذا كانت التنبؤات المنبثقة عن نظريته صحيحة. أحد هؤلاء العقول ، كيب ثورن ، قضى حياته المهنية في التحقيق في ادعاء أينشتاين بوجود موجات الجاذبية ويعتبر الخبير العالمي الرائد في هذا الموضوع. ثورن الآن على أعتاب واحد من أكثر الاكتشافات العلمية المذهلة في تاريخ البشرية الحديث: الكشف عن هذه الموجات .

بصفته أستاذًا للفيزياء النظرية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، نشر ثورن العديد من الكتب والأبحاث حول نظرية الجاذبية. في عام 1984 ، شارك ثورن في تأسيس مشروع LIGO (مرصد مقياس التداخل بالليزر لموجات الجاذبية) الذي يستخدم الليزر لقياس التشوهات الصغيرة في نسيج الزمكان - التشوهات التي يمكن أن تسببها موجات الجاذبية.

في عام 1994 ، كتب الحائز على جائزة الثقوب السوداء و Time Warps: إرث آينشتاين الفظيع ، كتاب يربط الجماهير السائدة بمجال دراسته المعقد. بعد عقد من الزمان ، أصبح ثورن المستشار العلمي في واقع بين النجوم وقدم الرياضيات اللازمة لتقديم صور رائعة للفيلم بدقة. كما نشر علم بين النجوم مع مهاجم من كريستوفر نولان.

في 14 سبتمبر 2015 ، أقسم العلماء الذين يعملون في موقعي كاشف LIGO التوأمين في ليفينجستون ولويزيانا وهانفورد بواشنطن على السرية بعد أن أشارت البيانات الأولية إلى اكتشاف حدث كوني عنيف حدث منذ فترة طويلة. بعد أشهر من التحقق من البيانات وإعادة فحصها ، ومع بدء تسرب الأخبار إلى الجمهور ، أعلن باحثون في مختبرات معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ومختبرات LIGO التي تديرها معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عن الكشف الاستثنائي عن موجات الجاذبية. كنافذة جديدة للكون ، كشفت الموجات عن اندماج ثقبين أسودين منذ ما يقرب من 1.3 مليار سنة.

جلس المراقب مع كيب ثورن قبله تعاون الوسائط المتعددة مع سيد المؤثرات الصوتية بول فرانكلين والملحن الحائز على جائزة الأوسكار هانز زيمر جانب مشوه من الكون و لمناقشة أينشتاين وموجات الجاذبية وعمله واقع بين النجوم .

ما هي نظرية النسبية العامة لأينشتاين؟

إنه إطار لجميع قوانين الفيزياء باستثناء قوانين الكم. عادة ما يقول الناس جيدًا ، إنها نظريته في الجاذبية ولكنها أبعد من ذلك بكثير. لقد بنى هذه النظرية من أجل شرح الجاذبية ولكن في الحقيقة هذه النظرية تفعل أكثر من ذلك بكثير. يخبرك كيف تتلاءم جميع قوانين الطبيعة الأخرى مع المكان والزمان.

إنها الطريقة الأكثر دقة التي نعرفها لوصف الطبيعة فيما نسميه المجال الكلاسيكي وهو كل شيء ماعدا عندما تنزل إلى الأشياء الصغيرة جدًا مثل الذرات والجزيئات.

كيف ترتبط نظرية أينشتاين موجات الجاذبية ؟

صاغ أينشتاين نظريته العامة للنسبية في جهد مكثف للغاية استمر من عام 1905 إلى عام 1915 وأكمل النظرية في نوفمبر من عام 1915 - قبل أكثر من مائة عام بقليل. ثم بدأ في استخدام النظرية أو هذه القوانين التي طورها - لعمل تنبؤات. كان من أهم التنبؤات وآخر تنبؤ كبير قام به ، أن موجات الجاذبية يجب أن تكون موجودة. تنبأ أنه في يونيو من عام 1916 لذلك نحن الآن نتحدث بعد شهرين فقط من الذكرى المئوية للتنبؤ بموجة الجاذبية.

لقد نظر في التنبؤات ، ونظر في التكنولوجيا الحالية ، ونظر إلى الأشياء التي قد تنتج موجات الجاذبية في الكون وخلص إلى أنه من الميئوس منا أن نراها في يوم من الأيام. لن يكون لدينا أبدًا تقنية دقيقة كافية.

كان على خطأ. رأيناهم لأول مرة في سبتمبر الماضي.

في الجدول الزمني من تنبؤات أينشتاين إلى الاكتشاف الأخير لموجات الجاذبية ، ما هي نقطة التحول التي أدت إلى الاختراق؟

حسنًا ، كانت هناك بعض نقاط التحول. أهم نقطتي تحول جاءت من شخصين معينين. ابتكر جوزيف ويبر ، حوالي عام 1960 ، نهجًا بدا وكأنه قد يكون قادرًا على رؤية موجات الجاذبية وشرع في محاولة العثور عليها. لقد كان أول شخص يشكك في مقولة أينشتاين بأننا لن نمتلك التكنولوجيا للقيام بذلك. لم ير ويبر موجات الجاذبية. كان يعتقد أنه فعل ذلك لفترة لكنه لم يراهم في الواقع. الأمواج أضعف مما كان يأمل لكنه كسر مأزق الناس الذين اعتقدوا أنك لا تستطيع فعل ذلك وألهم الآخرين. بمن فيهم أنا.

نقطة التحول الثانية كانت اختراع راي فايس في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ولكن مع ظهور بذور تلك الفكرة في وقت سابق من Mikhail Gertsenshtein و Vladislav Pustovoit في موسكو ، روسيا. اخترع راي فايس هذه التقنية التي نستخدمها الآن وكانت مختلفة عن تقنية ويبر. نسميها اكتشاف موجات الجاذبية بمقياس التداخل ، وهي تعتمد على موجات الجاذبية التي تدفع المرايا ذهابًا وإيابًا. تقيس معظم المرايا بأشعة الليزر.

اخترع فايس هذا ثم حلل جميع المصادر الرئيسية للضوضاء التي يجب عليك مواجهتها ووصف كيفية التعامل معها. في عام 1972 ، قدم مخططًا للمضي قدمًا في هذا النوع من التصميم. لقد كان مخططًا تم تعديله بطرق مختلفة ولكن ليس بشكل كبير. لقد كان حقًا تصميمًا صمد أمام اختبار الزمن لعقود كدليل لطريقة للقيام بذلك. كانت تلك أكبر نقطة تحول.

إنه مثير للاهتمام لأن راي رجل متواضع وكان لديه فكرة أنه لا ينبغي أن ينشر هذا في الأدبيات العادية حتى يكتشف موجات الجاذبية. لذلك كتب هذه الورقة التي أعتقد أنها أقوى ورقة فنية قرأتها على الإطلاق. كتبه ونشره في سلسلة تقارير داخلية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. كان متاحًا بسهولة للأشخاص مثلي المهتمين بالموضوع. كان عليك البحث عنها لأنها لم تكن متوفرة في الأدبيات العادية.

ما الخطوة التالية لهذا المجال الآن بعد أن تم اكتشاف موجات الجاذبية؟

حسنًا ، هذه حقًا مجرد البداية. عندما درب جاليليو لأول مرة تلسكوبه البصري على السماء وفتح علم الفلك البصري الحديث ، كان ذلك أول النوافذ الكهرومغناطيسية الخارجة من الكون: الضوء. نستخدم عبارة 'نافذة' للإشارة إلى تقنيات معينة نستخدمها للبحث عن الإشعاع بمنطقة طول موجي معينة. في الأربعينيات من القرن الماضي ، وُلد علم الفلك الراديوي - بالنظر إلى موجات الراديو بدلاً من الضوء. في الستينيات ، ولد علم الفلك بالأشعة السينية. في السبعينيات ولد علم فلك أشعة جاما. وُلد علم الفلك بالأشعة تحت الحمراء أيضًا في الستينيات.

سرعان ما أصبح لدينا كل هذه النوافذ المختلفة التي تبدو جميعها بالموجات الكهرومغناطيسية ولكن بأطوال موجية مختلفة. يبدو الكون مختلفًا تمامًا من خلال التلسكوب الراديوي وتلسكوب الأشعة السينية عما هو عليه مع الضوء. نفس الشيء يحدث مع علم فلك الموجات الثقالية.

هل ستستخدم موجات الجاذبية لاستكشاف الكون؟

هذا ما نفعله الآن. نحن نقوم بذلك الآن في LIGO. لقد أعلنا عن اكتشاف ثقبين أسودين متصادمين. سيكون هناك المزيد وسنرى أنواعًا أخرى كثيرة من الظواهر لكننا نراها فقط مع موجات الجاذبية التي لها فترة تذبذب معينة. فترة من بضعة أجزاء من الألف من الثانية. سنرى ، خلال العشرين عامًا القادمة ، موجات الجاذبية التي لها فترات من الساعات.

تم استخدام مختبر LIGO في ليفينغستون ، لويزيانا (على اليسار) لاكتشاف موجات الجاذبية المنبعثة من تصادم ثقبين أسودين (موضحة على اليمين).ائتمانات: LIGO

مع كاشفات مشابهة لـ LIGO تطير في الفضاء ، من المحتمل أن نرى في السنوات الخمس القادمة موجات الجاذبية التي تمتد لسنوات باستخدام تقنية من علم الفلك الراديوي تتضمن تتبع ما نسميه النجوم النابضة.

من المحتمل أن نرى في غضون السنوات الخمس القادمة - بالتأكيد في السنوات العشر القادمة ، موجات جاذبية بفترات تقارب طول عمر الكون. من خلال الأنماط التي يصنعونها في السماء نسميها الخلفية الكونية الميكروية.

سيكون لدينا أربع نوافذ مختلفة لموجات الجاذبية مفتوحة خلال العشرين عامًا القادمة وسيشاهد كل منها شيئًا مختلفًا. سنبحث عن ولادة الكون بهذا. ما يسمى ب 'العصر التضخمي' للكون. سنحقق في ولادة القوى الأساسية وكيف نشأت. سنشاهدهم يولدون في اللحظات الأولى للكون باستخدام موجات الجاذبية. سوف نشاهد الثقوب السوداء تتصادم وهو ما نقوم به الآن ولكن الثقوب السوداء الضخمة تتصادم. سنشاهد النجوم تمزقها الثقوب السوداء.

سنرى فقط مجموعة رائعة من الأشياء التي لم نرها من قبل وسيستمر هذا لعدة قرون حيث استمر علم الفلك البصري لعدة قرون. هذه ليست سوى البداية.

لقد عملت مع كريستوفر نولان و بول فرانكلين لبناء العلم والمرئيات وراء واقع بين النجوم. ما مدى دقة الثقب الأسود في الفيلم يا جارجانتوا؟

إنه التمثيل الأكثر دقة الذي ظهر في فيلم هوليوود. أوليفر جيمس ، وهو كبير العلماء في بول فرانكلين شركة خطأ مزدوج ، مع بعض الإصرار مني اخترع طريقة جديدة تمامًا للقيام بالتصوير. ينتج صورًا أكثر سلاسة ودقة بهذا المعنى. هذا ما تحتاجه لفيلم IMAX.

استخدمنا مجموعة جديدة من التقنيات ، ولكن باستخدام مجموعة أقدم من التقنيات ، قام عالم الفيزياء الفلكية ببناء صور مثل صورة Gargantua التي تعود إلى عام 1980. وقد قام بها لأول مرة جان بيير لومينيت في فرنسا. توجد صور للثقوب السوداء التي تشبه Gargantua ولكنك نادرًا ما تراها في أدبيات الفيزياء الفلكية. هذا ليس شيئًا يراه علماء الفلك في الواقع باستخدام تلسكوباتهم.

Gargantua ، الثقب الأسود الخيالي الذي تم تصويره في فيلم Interstellar.(الائتمان: Warner Bros.)

هذا هو الإصدار الأعلى دقة ، والإصدار الأكثر إقناعًا ، والإصدار الأكثر جاذبية. لكن تم تصوير دقيق من قبل علماء الفيزياء الفلكية في السابق.

يوضح البروفيسور براند في الفيلم أنه بحلول الوقت الذي يعود فيه كوبر من رحلته بين النجوم ، كان سيحل مشكلة الجاذبية. ماذا كانت تلك المشكلة؟

في الفيلم ، تموت الأرض بيولوجيًا ولم يتبق سوى بضعة ملايين من الأشخاص. يتمثل سعي الأستاذ براند والعاملين معه في معرفة ما إذا كان من الممكن رفع هؤلاء الأشخاص الباقين عن الأرض في مستعمرات الفضاء. لم تكن لديهم القوة الصاروخية للقيام بذلك. كانت لديهم القدرة على بناء مستعمرات فضائية على الأرض ولكن لم تكن لديهم القوة الصاروخية لإطلاقها.

في الفيلم ، هناك حالات شذوذ في الجاذبية حدثت فجأة ، وهذه الغرابة حول الجاذبية التي بدأت تحدث توحي للبروفيسور براند أنه قد يكون من الممكن التحكم في الجاذبية أو تغيير سلوكها.

ما أراد فعله هو خفض قوة الجاذبية الأرضية لفترة كافية لاستخدام قوة صاروخية صغيرة لرفعنا عن الأرض. كانت القضية إذن هي تعلم كيفية تسخير هذه الحالات الشاذة. ترى مثالاً على الشذوذ في غرفة نوم مورف - نمط سقوط الغبار. هل يمكنك تسخير هذه الحالات الشاذة وتقليل جاذبية الأرض؟

كم تبعد البشرية عن السفر بين النجوم؟

أعتقد أننا من المحتمل أن نفعل ذلك ولكن ليس في أقل من ثلاثة قرون تقريبًا. انه صعب جدا.

هناك أفكار لكيفية القيام بذلك ، تتضمن بشكل عام وضع الناس في مستعمرات فضائية تدوم لأجيال. هناك أفكار دفع لدى الناس تجعلني أعتقد أنه سيتم تحقيقها من قبل البشر في ثلاثة من أربعة قرون.

اقرأ مقابلتنا مع فنان المؤثرات المرئية الحائز على جائزة الأوسكار واقع بين النجوم بول فرانكلين.

يركز Robin Seemangal على وكالة ناسا والدعوة لاستكشاف الفضاء. ولد ونشأ في بروكلين ، حيث يقيم حاليًا. ابحث عنه انستغرام لمزيد من المحتوى المتعلق بالفضاء:not_gatsby.