Το LIGO δεν ανιχνεύει απλώς βαρυτικά κύματα. Τους κάνει και αυτούς

ΟΥΑΣΙΓΚΤΟΝ, D.C.— Το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων συμβολόμετρου λέιζερ (LIGO) δεν είναι μόνο ο πιο ευαίσθητος ανιχνευτής κυματισμών στον χωροχρόνο. Τυχαίνει επίσης να είναι ο καλύτερος παραγωγός βαρυτικών κυμάτων στον κόσμο, υπολογίζει τώρα μια ομάδα φυσικών. Αν και αυτά τα κύματα είναι πολύ αδύναμα για να ανιχνευθούν άμεσα, λένε οι ερευνητές, η ακτινοβολία κατ' αρχήν θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να προσπαθήσει να ανιχνεύσει περίεργα κβαντομηχανικά φαινόμενα μεταξύ μεγάλων αντικειμένων.

«Όταν βελτιστοποιούμε το LIGO για ανίχνευση, το βελτιστοποιούμε και για εκπομπή» βαρυτικών κυμάτων, λέει η Belinda Pang, φυσική στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (Caltech) στην Πασαντένα, η οποία παρουσίασε την ανάλυση εδώ την περασμένη εβδομάδα σε μια συνάντηση του Αμερικανού Physical Society.

Τα βαρυτικά κύματα κυριολεκτικά τεντώνουν το ίδιο το διάστημα. Το 1915, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν εξήγησε ότι η βαρύτητα προκύπτει όταν τεράστια αντικείμενα όπως η Γη παραμορφώνουν τον χωρόχρονο, κάμπτοντας τις κατά τα άλλα ευθείες τροχιές των αντικειμένων που πέφτουν ελεύθερα. Ο Αϊνστάιν προέβλεψε επίσης ότι ορισμένες στροβιλιζόμενες διαμορφώσεις μάζας θα ακτινοβολούσαν βαρυτικά κύματα. Οι 1000 φυσικοί που εργάζονται με το LIGO έχουν εντοπίσει δύο φορές τέτοια κύματα που προέρχονται από ένα ζευγάρι τεράστιων μαύρων τρυπών που σπειροειδώς η μία μέσα στην άλλη.

Το LIGO βασίζεται σε εξαιρετικά ευαίσθητους δίδυμους ανιχνευτές στο Χάνφορντ της Ουάσιγκτον και στο Λίβινγκστον της Λουιζιάνα. Κάθε ανιχνευτής αποτελείται ουσιαστικά από ένα ζεύγος διασταυρούμενων χάρακων μήκους 4 χιλιομέτρων. Για να ανιχνεύσουν το τέντωμα του διαστήματος, οι ερευνητές χρησιμοποιούν το φως λέιζερ για να συγκρίνουν τα μήκη των δύο χάρακα σε σχεδόν σταθερή βάση. Τα κύματα φωτός αναπηδούν μεταξύ κατόπτρων 40 κιλών σε κάθε άκρο κάθε βραχίονα και οι ερευνητές συγκρίνουν τα μήκη των χεριών χρησιμοποιώντας μια οπτική τεχνική που ονομάζεται συμβολομετρία, στην οποία τα κύματα φωτός από τους δύο βραχίονες συνδυάζονται για να δουν πώς ενισχύονται ή ακυρώνονται ο ένας τον άλλον. Τα βαρυτικά κύματα είναι τόσο αδύναμα που για να ανιχνεύσουν ένα, οι φυσικοί πρέπει να συγκρίνουν τα μήκη των δύο βραχιόνων με 1/10.000 το πλάτος ενός μοναδικού πρωτονίου.

Αλλά το γεγονός ότι το LIGO είναι τόσο ευαίσθητο στο τέντωμα του χωροχρόνου σημαίνει ότι είναι επίσης εξαιρετικά αποτελεσματικό στη δημιουργία κυματισμών. Για να το αποδείξουν, η Pang και οι συνεργάτες της ανέπτυξαν ένα κβαντομηχανικό μοντέλο του τρόπου με τον οποίο το τέντωμα του διαστήματος επηρεάζει ή «ζευγοποιεί» τα ελαφριά κύματα που αναπηδούν εμπρός και πίσω σε έναν από τους βραχίονες του LIGO.

Για να κάνουν τις μετρήσεις τους όσο το δυνατόν πιο ευαίσθητες, οι φυσικοί του LIGO πρέπει να διασφαλίσουν ότι οι θέσεις των κορυφών και των κοιλοτήτων σε κάθε κύμα φωτός - η λεγόμενη φάση του - παραμένουν σταθερές και σταθερές. Αλλά η κβαντική αβεβαιότητα απαιτεί τότε ότι το μέγεθος του κύματος, γνωστό ως πλάτος του, πρέπει να είναι λιγότερο σίγουρο. Οι αναπόφευκτες διακυμάνσεις του πλάτους δίνουν στη συνέχεια τυχαίες ωθήσεις ή «κλωτσιές» στους καθρέφτες και η κίνηση των κατόπτρων δημιουργεί μικροσκοπικούς κυματισμούς στο χωροχρόνο, λέει ο Pang. Φυσικά, το LIGO δεν δημιουργεί μεγάλα βαρυτικά κύματα—θα μπορούσατε πιθανώς να κάνετε μεγαλύτερα μόνοι σας περιστρέφοντας μπάλες μπόουλινγκ—αλλά το κάνει με τη βέλτιστη απόδοση.

Το αποτέλεσμα δεν προκαλεί έκπληξη, λέει ο Fan Zhang, φυσικός στο Normal University του Πεκίνου. «Το θεμελιώδες πράγμα για έναν ανιχνευτή είναι ότι συνδέεται με βαρυτικά κύματα», λέει. "Όταν έχετε σύζευξη, θα πάει και στις δύο κατευθύνσεις."

Αν και πολύ αδύναμα για να ανιχνευθούν άμεσα, τα κύματα θα μπορούσαν ακόμα να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση κβαντικών επιδράσεων μεταξύ μακροσκοπικών αντικειμένων, λέει ο Pang. Η κβαντομηχανική λέει ότι ένα αφανώς μικρό αντικείμενο όπως ένα ηλεκτρόνιο μπορεί κυριολεκτικά να βρίσκεται σε δύο σημεία ταυτόχρονα. Πολλοί φυσικοί υποψιάζονται ότι μπορεί απλώς να είναι δυνατό να παρασυρθεί ένα μακροσκοπικό αντικείμενο, όπως ένας από τους καθρέφτες του LIGO, σε παρόμοια κατάσταση κβαντικής κίνησης.

Αυτή η λεπτή κατάσταση δεν θα διαρκούσε πολύ, καθώς οι αλληλεπιδράσεις με τον έξω κόσμο θα την έκαναν να «αποσυνδεθεί» και θα την έβαζαν στο ένα ή στο άλλο μέρος. Ωστόσο, θα μπορούσε κανείς να φανταστεί τη μέτρηση του ρυθμού με τον οποίο αποσυντίθεται μια τέτοια κατάσταση για να δούμε αν ταιριάζει με τον ρυθμό που αναμένεται από την ακτινοβολία των βαρυτικών κυμάτων, λέει ο Pang. Ορισμένοι θεωρητικοί έχουν προτείνει ότι η βαρύτητα διαδραματίζει έναν ειδικό ρόλο στη συντριβή των κβαντικών καταστάσεων μεταξύ των μακροσκοπικών αντικειμένων.

«Είναι μια ενδιαφέρουσα ιδέα, αλλά πειραματικά είναι πολύ προκλητική», λέει ο Yiqui Ma, φυσικός στο Caltech και ένας από τους συνεργάτες του Pang. Για να δουν αυτά τα κβαντικά αποτελέσματα της βαρυτικής ακτινοβολίας, οι ερευνητές θα έπρεπε να καταστείλουν κάθε άλλη πηγή αποσυνοχής, λέει. Ο Pang αναγνωρίζει το θέμα. «Είναι απίστευτα δύσκολο», λέει. "Αλλά αν θέλετε να το κάνετε, αυτό που λέμε είναι ότι το LIGO είναι το καλύτερο μέρος για να το κάνετε."