या ब्लॉग पोस्टमध्ये, आपण मानवजातीने गुरुत्वाकर्षण लहरींचा पहिला थेट शोध लावल्यामुळे निर्माण झालेल्या वैज्ञानिक महत्त्व आणि नवीन शक्यतांचा शोध घेतो, आधुनिक भौतिकशास्त्रात त्याने कसे परिवर्तन घडवले आणि आपण विश्वाचे निरीक्षण कसे करतो याचे परीक्षण करतो.
२०१७ चा भौतिकशास्त्रातील नोबेल पुरस्कार तीन अमेरिकन भौतिकशास्त्रज्ञांना देण्यात आला - किप थॉर्न, रेनर वीस आणि बॅरी बॅरिश - ज्यांनी गुरुत्वाकर्षण लहरी शोधण्यात निर्णायक भूमिका बजावली. फेब्रुवारी २०१६ मध्ये LIGO (लेसर इंटरफेरोमीटर ग्रॅव्हिटेशनल-वेव्ह ऑब्झर्व्हेटरी) येथे प्रथमच गुरुत्वाकर्षण लहरींचा यशस्वीपणे शोध घेण्याच्या कामगिरीबद्दल त्यांना गौरविण्यात आले. गुरुत्वाकर्षण लहरी म्हणजे नेमके काय आणि त्यांच्या अस्तित्वाची पुष्टी करणे भौतिकशास्त्रातील नोबेल पारितोषिक मिळण्याइतके महत्त्वाचे का आहे? हे समजून घेण्यासाठी, प्रथम गुरुत्वाकर्षण लहरींची संकल्पना तपासूया.
'गुरुत्वाकर्षण लहरी' ही संकल्पना गेल्या एक शतकाहून अधिक काळापासून अस्तित्वात आहे. अल्बर्ट आइन्स्टाईन यांनी १९१६ मध्ये त्यांच्या सापेक्षतेच्या सामान्य सिद्धांताद्वारे प्रथम त्यांची भविष्यवाणी केली होती. या सिद्धांतानुसार, वस्तुमान असलेल्या वस्तू अवकाशकाळाला विकृत करतात आणि गुरुत्वाकर्षण ही या विकृतीकरणातून उद्भवणारी घटना आहे. शिवाय, प्रवेगक वस्तूंमुळे या वक्र अवकाशकाळाला तरंग येतात आणि या तरंग प्रकाशाच्या वेगाने लाटांच्या रूपात बाहेर पसरतात. या गुरुत्वाकर्षण लहरी आहेत. जेव्हा गुरुत्वाकर्षण लहरी त्यातून जाते तेव्हा अवकाश स्वतःच विकृत होतो, एका दिशेने पसरतो आणि दुसऱ्या दिशेने आकुंचन पावतो.
तथापि, गुरुत्वाकर्षण लहरींमुळे होणारे अवकाशाचे विकृतीकरण अत्यंत लहान असते, ज्यामुळे सामान्य परिस्थितीत ते शोधता येत नाही. दोन कृष्णविवरांची टक्कर किंवा सुपरनोव्हा स्फोटासारख्या मोठ्या वैश्विक घटनांदरम्यान ते केवळ लक्षणीय पातळीवर निर्माण होतात, तरीही, सिग्नल अत्यंत मंद असतो. सध्याचे गुरुत्वाकर्षण लहरी शोधक अवकाश किती पसरला आहे यातील बदल मोजतात. यावेळी LIGO ने शोधलेल्या गुरुत्वाकर्षण लहरीमुळे निर्माण झालेला गोंधळ अवकाश फक्त 10⁻²¹ वेळा पसरला आणि आकुंचन पावला. हा सूक्ष्म बदल मोजण्यासाठी, लांबी अंदाजे 5 किमी लांबीच्या डिटेक्टरमध्ये न्यूट्रॉनच्या त्रिज्याच्या एक हजारव्या भागापेक्षा कमी अचूकतेने मोजली पाहिजे. हे जवळजवळ अशक्य होते. म्हणून, LIGO पूर्वी, गुरुत्वाकर्षण लहरी थेट शोधणे अशक्य होते; त्यांच्या अस्तित्वाचा केवळ अप्रत्यक्षपणे अंदाज लावता येत होता.
तर LIGO ने हे सूक्ष्म लांबीचे बदल थेट कसे शोधले? दुसऱ्या शब्दांत, गुरुत्वाकर्षण लहरी कशा पाहता येतील? LIGO मूलभूतपणे इंटरफेरोमीटरच्या तत्त्वाचा वापर करते. इंटरफेरोमीटर हे एक उपकरण आहे जे अति-अचूक पातळीवर अंतर बदल मोजण्यासाठी प्रकाश हस्तक्षेपाच्या घटनेचा वापर करते. हे समजून घेण्यासाठी, प्रथम लाट हस्तक्षेप पाहू.
लाटा तरंगांसारख्या असतात. जेव्हा एकाच स्वरूपाच्या दोन लाटा एकमेकांना भेटतात तेव्हा त्यांचे मोठेपणा एकतर वाढते (रचनात्मक हस्तक्षेप) किंवा कमी होते (विध्वंसक हस्तक्षेप). जर दोन्ही लाटा एकाच टप्प्यात आल्या तर रचनात्मक हस्तक्षेप होतो. तथापि, जर एक लाट नंतर आली, ज्यामुळे एकत्रित लाटा टप्प्याबाहेर गेल्या तर विनाशकारी हस्तक्षेप होतो. अशाप्रकारे, दोन लाटांमधील आगमनातील वेळेतील फरक संयुक्त लाटेच्या मोठेपणात बदल घडवून आणतो आणि ही हस्तक्षेपाची घटना आहे.
प्रकाश देखील एक लाट असल्याने, जेव्हा दोन प्रकाश लाटा एकत्र येतात तेव्हा व्यत्यय येतो. म्हणून, एकत्रित लाटाच्या मोठेपणाचे विश्लेषण केल्याने आपल्याला दोन प्रकाश लाटांमधील आगमनातील वेळेतील फरक मोजता येतो, जो अंतराच्या फरकाची गणना करण्याइतकाच आहे. कारण जर दोन प्रकाश किरण एकाच वेळी निघून गेले तर अंतर जितके जास्त असेल तितके आगमन वेळेतील फरक जास्त असेल.
LIGO हे अशा इंटरफेरोमीटरपैकी 'मिशेलसन इंटरफेरोमीटर' वर आधारित आहे. मायकेलसन इंटरफेरोमीटर हे देखील एक ऐतिहासिकदृष्ट्या महत्त्वाचे प्रायोगिक उपकरण आहे, जे विशेषतः मायकेलसन-मॉर्ले प्रयोगात वैशिष्ट्यीकृत आहे. या प्रयोगातून असे दिसून आले की प्रकाशाचा वेग दिशेपासून स्वतंत्र आहे आणि प्रकाशाला प्रसारित करण्यासाठी वेगळ्या माध्यमाची आवश्यकता नाही.
मायकेलसन इंटरफेरोमीटर खालील तत्त्वावर कार्य करतो. एका स्रोतातून येणारा प्रकाश मध्यवर्ती ठिकाणी असलेल्या बीम स्प्लिटरद्वारे (एक उपकरण जे अर्धा प्रकाश प्रसारित करते आणि दुसरा अर्धा परावर्तित करते) दोन बीममध्ये विभागला जातो. दोन्ही बीम निश्चित अंतरावर ठेवलेल्या आरशांद्वारे परावर्तित होतात आणि नंतर पुन्हा एकत्रित होऊन एक हस्तक्षेप नमुना तयार करतात. जर प्रकाशाचा वेग दिशा बदलत असेल, तर दोन विभाजित बीम पुन्हा एकत्रित होण्यासाठी लागणारा वेळ भिन्न असेल, ज्यामुळे हस्तक्षेप नमुना बदलेल. मायकेलसन-मॉर्ले प्रयोगाने हस्तक्षेप नमुनामध्ये अशा बदलाचा अंदाज वर्तवला होता, परंतु कोणताही बदल दिसून आला नाही, ज्यामुळे असा निष्कर्ष निघाला की प्रकाशाचा वेग स्थिर आहे. या वस्तुस्थितीमुळे नंतर आइन्स्टाईनला त्यांचा सापेक्षता सिद्धांत मांडण्यासाठी महत्त्वपूर्ण संकेत मिळाले.
LIGO हे मूलतः या मायकेलसन इंटरफेरोमीटरचे एक प्रचंड विस्तार आहे. LIGO च्या बीम स्प्लिटर आणि त्याच्या परावर्तित आरशामधील अंतर अंदाजे ४ किमी पर्यंत पोहोचते. तथापि, गुरुत्वाकर्षण लहरी विश्वसनीयरित्या शोधण्यासाठी हे अंतर पुरेसे नव्हते, म्हणून LIGO ने 'फॅब्री-पेरोट ट्यूब' समाविष्ट केली. हे तंत्र ४ किलोमीटर लांबीच्या नळीमध्ये सुमारे ४०० वेळा प्रकाश परावर्तित करते, ज्यामुळे १,६०० किलोमीटर लांबीचा मार्ग प्रभावीपणे तयार होतो. यामुळे मिनिटांच्या अंतरातील बदलांचे अधिक अचूक मापन करणे शक्य होते. या अत्याधुनिक तांत्रिक संयोजनामुळे, LIGO १४ सप्टेंबर २०१५ रोजी प्रथमच दोन कृष्णविवरांच्या टक्करातून निर्माण झालेल्या गुरुत्वाकर्षण लहरींचे थेट निरीक्षण करण्यात यशस्वी झाले.
तर गुरुत्वाकर्षण लहरींचा शोध इतका मोठा का आहे? प्रथम, त्याचे महत्त्व आइन्स्टाईनच्या सापेक्षतेच्या सिद्धांताची पुन्हा एकदा थेट पुष्टी करण्यात आहे. सापेक्षतेद्वारे भाकीत केलेल्या गुरुत्वाकर्षण लहरींचे अस्तित्व प्रायोगिकरित्या सत्यापित केले गेले आहे. परंतु त्याचे मोठे मूल्य इतरत्र आहे. याचा अर्थ मानवजातीला विश्वाचे निरीक्षण करण्यासाठी एक पूर्णपणे नवीन साधन मिळाले आहे. हा बदल मानवजातीने पहिल्यांदा दुर्बिणी तयार केल्याच्या क्षणाशी तुलनात्मक आहे. आतापर्यंत, खगोलशास्त्र खगोलीय वस्तूंचे निरीक्षण करण्यासाठी केवळ प्रकाशावर - म्हणजेच इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक लहरींवर - अवलंबून होते. परंतु गुरुत्वाकर्षण लहरी एक नवीन निरीक्षण साधन म्हणून स्वतःला स्थापित करत असताना, इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक लहरींसाठी पूर्वी प्रवेश न करता येणारे क्षेत्र अखेर उघडले आहे.
उदाहरणार्थ, सुपरनोव्हा स्फोटांच्या बाबतीत, त्यांच्या गाभ्यांमध्ये काय घडते हे आपण कधीही थेट पाहू शकलो नाही. कारण सुपरनोव्हा गाभ्याला व्यापलेला पदार्थाचा प्रचंड थर प्रकाशाला त्यातून जाण्यापासून रोखतो. तथापि, गुरुत्वाकर्षण लहरी पदार्थांमधून कमीत कमी हस्तक्षेपाने जातात, ज्यामुळे आपल्याला खगोलीय वस्तूंमध्ये खोलवर उलगडणाऱ्या घटना टिपता येतात.
मानवता आता 'गुरुत्वाकर्षण-लहरी खगोलशास्त्र' नावाच्या एका नवीन युगाच्या उंबरठ्यावर उभी आहे. गुरुत्वाकर्षण लहरी आपल्याला विश्वाबद्दल एक पूर्णपणे नवीन दृष्टीकोन प्रदान करतील, ज्यामुळे आपल्याला विविध खगोलीय पिंडांची रहस्ये उलगडण्यास आणि विश्वाच्या उत्पत्तीला समजून घेण्याच्या जवळ एक पाऊल पुढे जाण्यास मदत होईल. या निरीक्षणांमुळे कोणते शोध लागतील याची आम्ही उत्सुकतेने वाट पाहत आहोत आणि गुरुत्वाकर्षण-लहरी संशोधनामुळे विश्वाबद्दल मानवजातीची समज आणखी वाढेल अशी आशा आहे.
