في هذه التدوينة، نستكشف الأهمية العلمية والإمكانيات الجديدة التي أحدثها أول اكتشاف مباشر للبشرية للموجات الثقالية، ونبحث في كيفية تحويلها للفيزياء الحديثة والطريقة التي نلاحظ بها الكون.
مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2017 لثلاثة فيزيائيين أمريكيين - كيب ثورن، وراينر فايس، وباري باريش - لعبوا دورًا حاسمًا في اكتشاف موجات الجاذبية. وقد كُرِّموا لإنجازهم في رصد موجات الجاذبية مباشرةً بنجاح لأول مرة في فبراير 2016 في مرصد ليغو (مرصد موجات الجاذبية بالتداخل الليزري). فما هي موجات الجاذبية تحديدًا؟ ولماذا يُعدّ تأكيد وجودها أمرًا بالغ الأهمية لتبرير جائزة نوبل في الفيزياء؟ لفهم ذلك، دعونا أولًا نتناول مفهوم موجات الجاذبية.
مفهوم "موجات الجاذبية" موجود منذ أكثر من قرن. تنبأ بها ألبرت أينشتاين لأول مرة عام ١٩١٦ من خلال نظريته النسبية العامة. ووفقًا لهذه النظرية، فإن الأجسام ذات الكتلة تُشوّه الزمكان، والجاذبية هي الظاهرة الناتجة عن هذا التشويه. علاوة على ذلك، تُسبب الأجسام المتسارعة تموجات في هذا الزمكان المنحني، وتنتشر هذه التموجات إلى الخارج على شكل موجات بسرعة الضوء. هذه هي موجات الجاذبية. عندما تمر موجة جاذبية، يتشوه المكان نفسه، فيتمدد في اتجاه وينكمش في اتجاه آخر.
ومع ذلك، فإن تشويه الفضاء الناجم عن الموجات الثقالية صغير للغاية، مما يجعلها غير قابلة للاكتشاف في الظروف العادية. يتم إنتاجها فقط بمستويات كبيرة أثناء الأحداث الكونية الضخمة مثل اصطدام ثقبين أسودين أو انفجار مستعر أعظم، ومع ذلك، تكون الإشارة خافتة للغاية. تقيس أجهزة كشف الموجات الثقالية الحالية التغير في مقدار تمدد الفضاء. أدى الاضطراب الناتج عن الموجة الثقالية التي اكتشفها LIGO هذه المرة إلى تمديد وانكماش الفضاء بحوالي 10⁻²¹ مرة فقط. لقياس هذا التغيير الدقيق، يجب قياس الطول بدقة أصغر من واحد على ألف من نصف قطر النيوترون داخل كاشف يبلغ طوله حوالي 5 كم. كان هذا مستحيلًا عمليًا. لذلك، قبل LIGO، كان من المستحيل اكتشاف الموجات الثقالية بشكل مباشر؛ لا يمكن استنتاج وجودها إلا بشكل غير مباشر.
فكيف استطاع مرصد ليغو رصد هذه التغيرات الدقيقة في الطول مباشرةً؟ بمعنى آخر، كيف يُمكن رصد موجات الجاذبية؟ يعتمد ليغو أساسًا على مبدأ مقياس التداخل. وهو جهاز يستخدم ظاهرة تداخل الضوء لقياس تغيرات المسافة بدقة فائقة. لفهم ذلك، دعونا أولًا نلقي نظرة على تداخل الموجات.
الموجات أشبه بالتموجات. عندما تلتقي موجتان من نفس الشكل، فإن سعتهما إما تزداد (تداخل بناء) أو تتناقص (تداخل هدام) تبعًا لكيفية تداخلهما. إذا وصلت الموجتان في نفس الطور، يحدث تداخل بناء. أما إذا وصلت إحداهما متأخرة، مما يؤدي إلى اختلال طور الموجتين المتحدتين، فيحدث تداخل هدام. وبالتالي، فإن فارق التوقيت في الوصول بين الموجتين يُسبب تغيرًا في سعة الموجة المتحدتين، وهذه هي ظاهرة التداخل.
بما أن الضوء موجة أيضًا، يحدث التداخل عند اتحاد موجتين ضوئيتين. لذلك، يُمكّننا تحليل سعة الموجة المُجتمعة من حساب فرق زمن الوصول بين موجتي الضوء، وهو ما يُعادل حساب فرق المسافة. ويرجع ذلك إلى أنه إذا انطلق شعاعان ضوئيان في آنٍ واحد، فكلما زادت المسافة، زاد فرق زمن الوصول.
يعتمد ليغو على "مقياس تداخل ميشيلسون" من بين مقاييس التداخل الأخرى. يُعدّ مقياس تداخل ميشيلسون أيضًا جهازًا تجريبيًا ذا أهمية تاريخية، وقد ظهر بشكل خاص في تجربة ميشيلسون-مورلي. كشفت هذه التجربة أن سرعة الضوء مستقلة عن الاتجاه، وأن الضوء لا يحتاج إلى وسط منفصل للانتشار.
يعمل مقياس تداخل ميكلسون وفق المبدأ التالي: يُقسّم الضوء من مصدر واحد إلى شعاعين بواسطة مُقسّم أشعة مركزي (جهاز يُمرّر نصف الضوء ويعكس النصف الآخر). ينعكس الشعاعان بواسطة مرايا موضوعة على مسافات ثابتة، ثم يتحدان مُشكّلين نمط تداخل. إذا تغيرت سرعة الضوء بتغير الاتجاه، فإن الوقت الذي يستغرقه الشعاعان المُقسّمان لإعادة الاتحاد سيختلف، مما يُؤدي إلى تغيير في نمط التداخل. تنبأت تجربة ميكلسون-مورلي بمثل هذا التغيير في نمط التداخل، ولكن لم يُلاحظ أي تغيير، مما أدى إلى استنتاج أن سرعة الضوء ثابتة. قدّمت هذه الحقيقة لاحقًا أدلةً حاسمةً لأينشتاين لصياغة نظريته النسبية.
ليغو هو في الأساس امتدادٌ ضخمٌ لمقياس تداخل ميكلسون. تبلغ المسافة بين مقسم حزمة ليغو ومرآته العاكسة حوالي 4 كيلومترات. ومع ذلك، لم تكن هذه المسافة وحدها كافيةً لرصد موجات الجاذبية بدقة، لذا اعتمد ليغو على "أنبوب فابري-بيرو". تعكس هذه التقنية الضوء حوالي 400 مرة داخل أنبوب طوله 4 كيلومترات، مما يُنشئ مسارًا طوله 1,600 كيلومتر. يسمح هذا بقياسٍ أدقّ لتغيرات المسافة الدقيقة. بفضل هذه التقنية المتطورة، نجح ليغو في رصد موجات الجاذبية الناتجة عن اصطدام ثقبين أسودين مباشرةً لأول مرة في 14 سبتمبر 2015.
لماذا يُعدّ اكتشاف موجات الجاذبية حدثًا تاريخيًا؟ أولًا، تكمن أهميته في تأكيده المباشر لنظرية أينشتاين النسبية مجددًا. فقد تم التحقق تجريبيًا من وجود موجات الجاذبية، التي تنبأت بها النسبية. لكن أهميته تكمن في مكان آخر. فهو يعني أن البشرية قد اكتسبت أداة جديدة كليًا لرصد الكون. يُشبه هذا التغيير اللحظة التي ابتكرت فيها البشرية التلسكوب. حتى الآن، اعتمد علم الفلك كليًا على الضوء - أي الموجات الكهرومغناطيسية - لرصد الأجرام السماوية. ولكن مع ترسيخ موجات الجاذبية كأداة رصد جديدة، انفتح أخيرًا عالمٌ لم يكن من الممكن الوصول إليه سابقًا بالموجات الكهرومغناطيسية.
على سبيل المثال، في حالة انفجارات المستعرات العظمى، لم نتمكن قط من رصد ما يحدث داخل نواها مباشرةً. ويرجع ذلك إلى أن طبقة المادة الهائلة التي تُغلف نواة المستعر الأعظم تمنع مرور الضوء. أما الموجات الثقالية، فتمر عبر المادة بأقل قدر من التداخل، مما يسمح لنا برصد الظواهر التي تتكشف في أعماق الأجرام السماوية.
تقف البشرية الآن على أعتاب عصر جديد يُسمى "علم فلك الموجات الثقالية". ستوفر لنا الموجات الثقالية منظورًا جديدًا كليًا للكون، مما يُمكّننا من كشف أسرار مختلف الأجرام السماوية، والتقدم خطوةً نحو فهم أصل الكون. نتطلع بشغف إلى الاكتشافات التي ستُفضي إليها هذه الملاحظات، ونأمل أن تُوسّع أبحاث الموجات الثقالية فهم البشرية للكون.
