時空間の波紋。 重力波を研究している天文学者が金鉱を発見

LIGO (レーザー干渉重力天文台) の物理学者は、一般相対性理論の創始者であるアルバート・アインシュタインによって 100 年前に予測された時空の乱れである重力波を初めて発見しました。 M.V.の名を冠したLenta.ruとモスクワ州立大学（MSU）が企画したライブ放送中のオープニングについて。 ロモノーソフ、物理学部の科学者、国際 LIGO コラボレーションの参加者。 Lenta.ruはそのうちの1人、ロシアの物理学者セルゲイ・ヴィャチャニン氏に話を聞いた。

重力波とは何ですか?

ニュートンの万有引力の法則によれば、2 つの物体は、それらの間の距離の 2 乗に反比例する力で互いに引き付けられます。 この理論は、たとえば、平坦な宇宙と世界時における地球と月の回転を説明します。 特殊相対性理論を開発したアインシュタインは、時間と空間が 1 つの物質であることを認識し、重力が物質が作り出す時空の湾曲として現れるという事実に基づく重力理論である一般相対性理論を提案しました。

物理数学博士のセルゲイ・ヴィャチャニンは、2012 年からモスクワ州立大学物理学部の振動物理学科を率いています。 彼の研究関心は、量子非摂動測定、レーザー重力波アンテナ、散逸メカニズム、基本ノイズ、および非線形光学効果の研究に焦点を当てています。 この科学者は、米国のカリフォルニア工科大学およびドイツのマックス・プランク協会と協力しました。

弾性のある円を想像してみてください。 軽いボールを投げると真っ直ぐ転がります。 円の中心に重いリンゴを置くと軌道が曲がります。 一般相対性理論の方程式から、アインシュタインは重力波が可能であることをすぐに学びました。 しかし当時（20世紀初頭）、その効果は極めて弱いと考えられていました。 重力波は時空の波紋であると言えます。 悪いことに、これは非常に弱い相互作用であるということです。

同様の（電磁）波を例にとると、部屋の片隅にエミッターを置き、もう一方の隅にレシーバーを置いたヘルツの実験がありました。 これは重力波では機能しません。 インタラクションが弱すぎる。 私たちが頼れるのは天体物理学的な大災害だけです。

重力アンテナはどのように機能するのでしょうか?

ファブリペロー干渉計があり、4 キロメートル離れた 2 つの塊があります。 塊間の距離は制御されます。 上から波が来ると距離が少し変わります。

重力擾乱は本質的に計量の歪みなのでしょうか?

そうとも言える。 数学ではこれを空間のわずかな湾曲として説明します。 ヘルツェンシュタインとプストヴォイトは 1962 年にレーザーを使用して重力波を検出することを提案しました。 それはとてもソ連の記事であり、空想でした...素晴らしいですが、それでも空想の飛行でした。 1990 年代にアメリカ人 (キップ・ソーン、ロナルド・ドレバー、ライナー・ワイス) はレーザー重力アンテナを作ることを考え、決定しました。 さらに、イベントがある場合は一致スキームを使用する必要があるため、2 つのアンテナが必要です。 そしてそれからすべてが始まりました。 長い話だけれども。 当社は 1992 年からカリフォルニア工科大学と協力しており、1998 年に正式な契約ベースに切り替えました。

重力波の現実は疑う余地のないものだったと思いませんか?

一般に、科学界はそれらが存在することを確信しており、それらを発見するのは時間の問題でした。 ハルスとテイラーは重力波の実際の発見によりノーベル賞を受賞した。 彼らは何をしたのでしょうか？ 二重星、つまりパルサーがあります。 それらは回転するので、重力波を放出します。 私たちはそれらを観察することはできません。 しかし、重力波を発すると、エネルギーを放出します。 これは、あたかも摩擦が原因であるかのように、回転が減速していることを意味します。 星が互いに近づくと、周波数の変化が見られます。 彼らは見て、そして見た（1974年に） 約。 「テープ.ru」）。 これは重力波の存在の間接的な証拠です。

さて - 直接ですか？

今 - 直接。 信号が到着し、2 つの検出器に記録されました。

信頼性は高いのでしょうか？

開けるだけで十分です。

この実験に対するロシアの科学者の貢献は何ですか?

鍵。 初期の LIGO (アンテナの初期バージョン) 約。 「テープ.ru」) 10 キログラムの塊が使用され、鋼鉄の糸で吊り下げられました。 私たちの科学者ブラギンスキーはすでに石英糸を使用するというアイデアを表明しました。 石英フィラメントの騒音が大幅に少ないことを証明した論文が発表されました。 そして今、大衆（最新のインスタレーションである先進的なLIGOで - 約。 「テープ.ru」) 石英糸にぶら下がります。

2 番目の貢献は実験的であり、料金に関連しています。 4 キロメートル離れた塊は、静電活性化装置を使用して何らかの方法で調整する必要があります。 このシステムは以前に使用されていた磁気式よりも優れていますが、電荷を感知します。 特に、毎秒膨大な数の粒子（ミュオン）が人の手のひらを通過し、電荷を残す可能性があります。 今、彼らはこの問題と格闘しています。 私たちのグループ (ヴァレリー・ミトロファノフとレオニード・プロホロフ) は実験的にこれに参加しており、経験が大幅に増えています。

2000 年代初頭には、正式にはサファイアの方が品質係数が高いため、先進的な LIGO でサファイア フィラメントを使用するというアイデアがありました。 どうしてそれが重要ですか？ 品質係数が高いほど、ノイズは少なくなります。 これは一般的なルールです。 私たちのグループは、いわゆる熱弾性ノイズを計算し、サファイアよりも石英を使用した方が依然として優れていることを示しました。

そしてさらに。 重力アンテナの感度は量子の限界に近いです。 いわゆる標準量子限界があります。座標を測定すると、ハイゼンベルクの不確定性原理によれば、直ちに座標が摂動されます。 座標を継続的に測定すると、常に座標を摂動させることになります。 座標をあまり正確に測定することは良くありません。逆変動の影響が大きくなります。 これは 1968 年にブラギンスキーによって示されました。 LIGO 用に計算されます。 初期の LIGO では、感度が標準の量子限界よりも約 10 倍高いことが判明しました。

現在期待されているのは、高度な LIGO が標準量子の限界に達することです。 もしかしたら下がるかも知れません。 実はこれは夢なのです。 これを想像できますか？ 量子巨視的装置、つまり 4 キロメートルの距離にある 2 つの重い塊ができあがります。

重力波は、2015年9月14日東部夏時間午前5時51分（モスクワ時間13時51分）に、リビングストン（ルイジアナ州）とハンフォード（ワシントン州）にあるLIGOレーザー干渉計重力波天文台のツイン検出器で検出された。 ） アメリカで。 LIGO 検出器は、4 キロメートル離れた試験質量のペアの 10 からマイナス 19 メートル (原子の直径とリンゴの直径の比にほぼ等しい) の相対変動を検出しました。 この擾乱は、一対のブラック ホール (太陽の 29 倍と 36 倍の重さ) によって、より巨大な回転重力物体 (太陽の 62 倍の重さ) と合体する前の数秒間で生成されます。 ほんの一瞬のうちに、3 つの太陽質量が重力波に変わり、その最大放射パワーは目に見える宇宙全体からの放射パワーの約 50 倍でした。 ブラックホールの合体は13億年前に起こりました（これは、重力擾乱が地球に到達するのにどれだけの時間がかかりました）。 科学者たちは、信号の到着の瞬間を分析し（リビングストンの検出器はハンフォードの検出器より7ミリ秒早くイベントを記録した）、信号の発信源は南半球にあると推測した。 科学者たちは、その結果をジャーナル「Physical Review Letters」に掲載するために提出しました。

一見すると、これはあまり互換性がありません。

これが逆説的です。 つまり、素晴らしいことがわかります。 ペテン師のような印象を与えますが、実際はそうではなく、すべてが正直です。 しかし今のところ、これらは夢です。 標準量子の制限に達していません。 そこではまだ働いて働く必要があります。 しかし、それが近いことはすでに明らかです。

これが起こるという希望はありますか？

はい。 標準的な量子限界を克服する必要があり、私たちのグループはこれを実現する方法の開発に取り組んできました。 これらはいわゆる量子非摂動測定であり、どのような特定の測定スキームが必要か、あれやこれや... 結局のところ、理論的に研究する場合、計算には費用がかかりませんが、実験には費用がかかります。 LIGO は 10 メートルからマイナス 19 メートルの精度を達成しました。

子供の例を思い出してみましょう。 地球をオレンジの大きさに縮小し、さらに同じ量だけ縮小すると、原子の大きさになります。 したがって、原子を同じ量だけ減らすと、マイナス 19 度まで 10 メートルになります。 これはとんでもないことだ。 これは文明の成果です。

それはとても重要です、はい。 それでは、重力波の発見は科学にとって何を意味するのでしょうか? これにより、天文学の観測方法が変わる可能性があると考えられています。

私たちには何があるでしょうか？ 通常の範囲の天文学。 電波望遠鏡、赤外線望遠鏡、X線天文台。

すべては電磁波範囲内にありますか?

はい。 さらに、ニュートリノ観測所もあります。 宇宙粒子の登録があります。 これは別の情報チャネルです。 重力アンテナが天体物理情報を生成する場合、研究者は一度に複数の観測チャンネルを自由に利用できるようになり、それを通じて理論をテストできるようになります。 多くの宇宙論が提案され、互いに競合しています。 何かを取り除くことが可能になります。 たとえば、ヒッグス粒子が大型ハドロン衝突型加速器で発見されたとき、いくつかの理論はすぐに消え去りました。

つまり、これは実用的な宇宙論モデルの選択に貢献することになる。 別の質問です。 重力アンテナを使用して宇宙の加速膨張を正確に測定することは可能でしょうか?

今のところ感度は非常に低いです。

将来的にはどうなるでしょうか？

将来的には、遺物の重力背景の測定にも使用できる可能性があります。 しかし、実験者なら誰でも「やったー！」と言うでしょう。 つまり、これはまだ遠い先のことです。 神よ、私たちが天体物理学的大災害を記録できるようにしてください。

ブラックホール衝突…

はい。 結局のところ、これは災害です。 あなたがそこに行き着くことを神は禁じます。 私たちは存在しないでしょう。 そして、これがそのような背景です...今のところ...「彼らは若者の希望を養い、年長者に喜びを与えます。」

重力波の発見はブラックホールの存在のさらなる証拠を提供する可能性があるでしょうか? 結局のところ、彼らの存在を信じていない人がまだいます。

はい。 彼らはLIGOでどのように働いていますか? どの科学者がパターンを開発したかを説明し、それを観測データと比較するために、信号が記録されています。 中性子星の衝突、中性子星のブラックホールへの落下、超新星爆発、ブラックホールとブラックホールの合体…質量比や初期モーメントなどのパラメータを変更していきます。私たちは見る？ 録音が進行中で、信号の瞬間にテンプレートのパフォーマンスが評価されます。 2 つのブラック ホールの衝突のために設計されたパターンが信号と一致した場合、それが証拠になります。 しかし、絶対的なものではありません。

もっと良い説明はないでしょうか？ 重力波の発見はブラックホールの衝突によって最も簡単に説明できるのでしょうか?

現時点では - はい。 科学界は現在、これはブラックホールの合体だったと考えている。 しかし、集合的なコミュニティは多くの人の意見であり、コンセンサスです。 もちろん、新たな要因が生じた場合には放棄することも可能です。

より質量の小さい物体からの重力波を検出できるようになるのはいつですか? これは、新しくてより感度の高い天文台を建設する必要があるという意味ではないでしょうか?

LIGO という次世代プログラムがあります。 これが 2 つ目です。 3番目もあるでしょう。 そこにはたくさんの選択肢があります。 距離を伸ばしたり、パワーやサスペンションを強化したりできます。 今、これらすべてが議論されています。 ブレーンストーミングレベル。 重力信号の観測が確認されれば、観測所を整備する資金も得やすくなる。

重力天文台の建設がブームになっているのでしょうか？

わかりません。 高価です (LIGO の費用は約 3 億 7,000 万ドル - 約。 「テープ.ru」）。 結局、アメリカはオーストラリアに南半球にアンテナを建設するよう提案し、そのためのすべての設備を提供することに同意した。 オーストラリアは拒否した。 高すぎるおもちゃ。 天文台の維持には国の科学予算全体が費やされることになる。

ロシアはLIGOに資金的に関与していますか?

私たちはアメリカ人と協力します。 次に何が起こるかは不明です。 これまでのところ、私たちは科学者と良好な関係を築いていますが、政治家がすべてを支配しています...したがって、私たちは監視する必要があります。 彼らは私たちに感謝しています。 私たちは真に水準以上の結果を提供します。 しかし、ロシアと友好関係にあるかどうかを決めるのは彼らではない。

残念ながらそうです。

これが人生だ、待ちましょう。

LIGO 天文台は米国国立科学財団から資金提供を受けています。 LIGOでの研究は、モスクワ州立大学とロシア応用物理研究所の2つのグループを代表とする、米国およびロシアを含む他の14か国の1000人以上の科学者によって同名の共同研究の一環として実施されている。科学アカデミー（ニジニ・ノヴゴロド）。

ロシアに重力観測所を建設する計画はありますか?

まだ計画されていません。 1980年代、モスクワ州立大学シュテルンベルク国立天文研究所は、バクサン渓谷に同じ重力アンテナを小規模ながら建設したいと考えていた。 しかし、ペレストロイカが起こり、長い間、すべてが銅の洗面器で覆われました。 現在、モスクワ州立大学の交通警察が何かをしようとしているが、今のところアンテナは機能していない...

重力アンテナを使用して他に何を確認できるでしょうか?

重力理論の妥当性。 結局のところ、既存の理論のほとんどはアインシュタインの理論に基づいています。

まだ誰もそれを反論することはできません。

彼女は指導的な地位を占めています。 代替理論は、基本的にそれと同じ実験結果をもたらすように設計されています。 そしてこれは自然なことです。 したがって、誤った理論を一掃する新しい事実が必要です。

簡単に言うと、この発見の意味をどのように表現しますか?

実際、重力天文学は始まりました。 そして初めて、空間の湾曲の波が引っ掛かった。 間接的ではなく、直接的に。 人は自分自身を賞賛します：私はなんて雌犬の息子だろう！

何年も前、重力波の存在はアルバート・アインシュタインによって予言されました。

約1世紀後、時空の構造におけるこれらの波紋がついに発見されました。

しかし、なぜこの科学的進歩がそれほど重要なのでしょうか? この質問に答えるために、重力波に関する 10 の事実を以下に示します。

1. タイムトラベルの可能性

重力波の存在が確認されたとき、世界中のSFファンは大喜びしました。 特に祝賀の原因となったのは、重力波の存在に基づくアインシュタインの特殊相対性理論の方程式の一部がタイムトラベルの可能性を証明したという事実だった。 科学界は、人類はまだタイムトラベルには程遠いと強調しているが、理論が正しければ、それは時間の問題だ。

「解明すべきことはまだたくさんある」とプリンストン大学天体物理学科の学部長は語った。 しかし、一般相対性理論によれば、負の質量の粒子と安定したワームホールがタイムトラベルを可能にします。」 彼はさらに、真のタイムトラベルは依然として人間の理解を超えている可能性があることを明らかにしました。

2. 産地の確認

重力波の存在を裏付ける次の重要な事実は、局所性理論です。 局所性は、物体がその直近の環境によってのみ影響を受けるという物理学の理論です。 これは量子の時代には十分明らかであるように思えますが（ただし、ベルの実験では量子もつれ粒子がこの原理に違反することが示されました）、しかしニュートン時代には重力が異なる振る舞いをすることが一般に受け入れられていました。

ニュートンの重力学説は、物体の質量変化の影響が宇宙全体の重力に瞬時に変化を引き起こす可能性があるというものでした。 アインシュタインの理論の観点からすると、これは重力波が光速よりも速く伝わることを意味します。

ニュートン自身はこの理論に不信感を持っていました。なぜなら、この理論は空気などの媒体なしでも重力が伝わることを意味するからです。 重力波は重力と呼ばれる基本粒子を通って伝わり、光の速度で伝わるため、重力波の存在は、ニュートンが自身の非局所性の考えを疑うのが正しかったことを証明しています。

3. 宇宙の中の双子座

2つのブラックホールが合体して超大質量ブラックホールになるということは、長い間理論化されてきたものの、証明されたことはなかった…超高感度の機器を装備した2人の科学者が、そのような出来事が13億年前に起こったと主張するまでは。 しかし、未解決の疑問は、これら 2 つのブラック ホールがどのようにして互いに接近して合体するようになったのかということです。

有力な理論は、それらは単一の星の崩壊から生まれたというものです（ブラックホールは星が爆発して超新星になるときに形成されます）。 これまで、1 つの超新星が 2 つのブラック ホールを生成できるかどうかについての証拠はありませんでしたが、重力波解析のデータのおかげで、このような新しい理論を探求できるようになりました。

4. 宇宙に対する新たな視点

人類が重力波を検出できるようになった今、科学者は宇宙を研究する全く新しい方法を手に入れました。 これまで、宇宙の深部で何が起こっているかを調査する科学者の能力は、宇宙を伝わる光や電波などの電磁波の分析に限られていました。

ブラックホールは光を放出せず、電磁波がブラックホールに十分近づくと電磁波はその周囲で曲がってしまうため、この分析方法には限界があります。 重力波はこの問題の影響を受けないため、科学者はブラックホールから直接来るデータを分析できるようになりました。

5. 新しいタイプの武器

人類が兵器を愛するのは周知の事実です。 科学者によって新たな発見がなされるたびに、最初に疑問になるのは「この発見は兵器として使用できるのか」ということです。 幸いなことに、天体物理学者は、重力波を使用して星間船を作るという考えは、それらを兵器に変えるという考えと同様にまったくナンセンスであるとすぐに指摘しました。

しかし、それでも国防情報局は、高周波重力波が米国の安全保障に脅威を与える可能性があるかどうかを研究する委員会を設立することを止めなかった。

6. より高度な LIGO

今日、望遠鏡以外に宇宙を研究する新しい人気の方法が登場しました。 従来の宇宙探査技術には、宇宙を通過するさまざまな形態の電磁放射の分析が含まれます。 宇宙探査に電磁波を使用する場合の主な問題は、電磁波が地球に到達する前に歪むことが多いことです。

しかし、これは重力波にとっては問題ではなく、レーザー干渉計重力波観測所 (LIGO) のアバランシェ干渉計を使用して検出できます。 現在、重力波を分析できる LIGO 観測所は 2 つだけです。

これは、それらが非常に高価であるという事実によるものであり（たとえば、アメリカのLIGOを40年間維持するには11億ドル以上の費用がかかります）、それらは証明されていない理論に基づいた科学実験として構築されました。 重力波の存在が確認されれば、政府はより高度な新しいLIGOの開発に資金を投入する意欲が高まるだろう。

7. 新しい通信技術

古代以来、電磁波は通信手段として好まれてきました。 人々は信号機、電話、ラジオを使用していました。 電磁波は光の速さで伝わり、長距離をカバーできるため、通信に最適な方法です。

通信に電磁波を使用する場合に発見された唯一の欠点は、電磁波があらゆる物質に容易に吸収されることです。 重力波は非常に小さな粒子でできているため、どんな物質でも簡単に通過できるため、この問題は解決されます。

重力波利用時の「見通し線」の問題が解消されれば、衛星や中継局などの周辺機器の必要性が大幅に減り、通信コストが大幅に削減される。 唯一の欠点は、重力波の生成が非常に難しく、検出するのがさらに難しいことです。

8. さまざまな重力波

この記事で説明する重力波は、時空の「波紋」です。 彼らは宇宙空間を光の速さで移動することができます。 流体力学には重力波という概念もあり、これは液体中で起こる現象です。 これは、重力によって変形した液体表面を平衡状態に戻す液体表面の波の一種です。

9. アインシュタインの予言

アインシュタインの予測の大部分が正しいことが判明したことは、今日ではすでに常識となっています。 これで特にユニークなのは、アインシュタインがほぼ完全に理論物理学者だったということです。 ほとんどの科学者は何かを証明するために複雑な実験に頼っていますが、アインシュタインは、テクノロジーが利用可能になったときに他の人が証明した理論を単に思いついただけです。

空間と時間の曲率に関するアインシュタインの予測は、彼の特殊相対性理論の発表から 14 年後の 1919 年に初めて確認されました。 その中で科学者は、星からの可視光が太陽の周りで曲がると予測した。 天文学者たちはこれについて懐疑的でしたが、1919 年に日食が起こったとき、彼らは望遠鏡でそれを観察しました。

10. 普通の人には役に立たない

そして、重力波について知っておくべき最も重要なこと。 アインシュタインの別の理論は正しいことが証明されていますが、これはまったく新しいことではありません。 科学者たちは、重力波が実際に存在することを確信するようになりました。

しかし、それらは人類が出現する数十億年前から存在しており、人類が消滅した後も存在し続けるでしょう。 科学者が喜ぶ理由は確かにありますが、一般の人にとって重力波は何を意味するのでしょうか? 何もない。

今年2月中旬、ロシアを含む17カ国の数百人の科学者が結集する国際LIGO共同研究のメンバーは、総質量が太陽60個以上、13億個を超える2つのブラックホールの合体から発せられる重力波を初めて直接検出したと発表した。数年前。 これは誇張することなく、宇宙規模の科学的出来事であり、昨年 9 月にレーザー重力波観測所干渉計 LIGO (米国) で起こりました。 詳細なコメントを得るために、私たちはロシア科学アカデミーウラル支部電気物理研究所の理論物理学研究室長、学者に尋ねました。 ミハイル・サドフスキー。

-親愛なるミハイル・ヴィサリオノヴィッチさん、まず第一に、重力波とは何なのかを素人に説明してください。

4 つのボールが十字にぶら下がっていると想像してください。 重力の擾乱が発生すると、2 つのボールが互いに一定の距離だけずれ、他の 2 つのボールが同時に互いに向かって突進します。 波の次の段階では、それらの動きは逆になります。 その結果、重力波の影響を受けて、4 つのボールすべてが同期して振動し始めます。 しかし、これは空想の実験です。 日常生活では、重力波を感じたり観察したりする人は誰もいません。重力相互作用は、たとえば電磁波と比較すると非常に弱いため、重力波は何の影響も及ぼしません。 そして、ほとんどの理論物理学者は重力波の存在を疑ったことはありませんでしたが、地球環境下で重力波を実験的に記録する作業は非常に困難であるように見えました。 私たちは宇宙に期待することしかできませんでした。そこでは強力な重力擾乱が発生し、それによって引き起こされた波が地球に到達する可能性があります。

-では、今回の発見は予想外とは言えないのでしょうか？

重力波の存在は、ちょうど 100 年前にアルバート アインシュタインによって 1916 年の論文で理論的に予測されました。 これは当然一般相対性理論、つまり現代の重力理論から派生したものです。 電磁波が存在する場合、重力擾乱も存在するはずです。重力擾乱は光速で波の形で伝播し、時空間の幾何学構造を局所的に変化させます。 重力波の存在の予測により、例えば、二重星の近接系の収束速度の変化を説明することが可能になりました。

アメリカの物理学者ジョセフ・ウェーバーは、1960 年代に重力効果の直接記録の問題を初めて解決しようと試みました。 彼は最初の検出器を開発しました。それは、互いに遠く離れて吊り下げられた 2 つの巨大なアルミニウム製シリンダーです。 ウェーバーによれば、大きな重力波がそれらを一斉に振動させ、その通過を記録できるだろうという。 1968 年に、彼は検出器による重力波の検出を発表しましたが、彼の実験結果は他の研究者によって疑問視されました。 残念なことに、ジョゼフ・ウェーバーは、彼が設立した運動の現在の勝利を見るまで生きていませんでした。 しかし、重力波天文学に対する科学者の貢献は科学界によって認められています。

- 私たちの同胞は重力波を記録する試みをしたことがありますか？

ソ連とロシアでは、重力波研究の先駆者はロシア科学アカデミーの準会員であった ウラジーミル・ブラギンスキー。 彼はウェーバーの実験には懐疑的であり、そのような検出器では何も検出できないと信じていましたが、この方向で研究を続けました。

今回の実験で実施されたスキームも国内の科学者によって提案されたものである - 教授 ミハイル・ヘルツェンシュタインそして学者 ウラジスラフ・プストヴォイト 1962年にJournal of Experimental and Theoretical Physicsに掲載された論文で。 このスキームは非常にシンプルです。 これはマイケルソン干渉計に基づいて構築されており、その動作原理は次のとおりです。光源からの光ビームは、光源から一定の距離にあるミラーに向けられ、ミラーで反射されて戻り、2 番目の光信号が送信されます。垂直方向の場合も鏡に反射して戻ってきます。 光信号が検出器上で交差する点で、干渉パターンが確認できます。 重力波が通過すると、ミラーが同期して震え始め、干渉パターンが変化します。 光学は非常に精密な科学であるため、非常に弱い重力の影響さえも検出することが可能になります。

- センセーショナルな発見がなされた干渉計は、この原理で動作するのでしょうか?

はい。 LIGO 天文台は 2 つの施設で構成されています。1 つはワシントン州ハンフォードに、もう 1 つはルイジアナ州リビングストンにあり、約 3,000 キロメートル離れています。 各干渉計には長さ 4 km の 2 本の「アーム」があり、互いに垂直に配置されています。 これらは、内部でレーザー光線が発射されるパイプです。 重力波が到達すると、ビームが交差する点で検出器上の両方の干渉計に特徴的な干渉パターンが同時に現れるはずです。

1980 年代の LIGO プロジェクトの発案者はカリフォルニア工科大学の教授たちでした キップ・ソーン（ちなみに宇宙アクション映画『インターステラー』の脚本家の一人） ロナルド・ドライバー、マサチューセッツ工科大学の教授でもある ライナー・ワイス.
200名を超える国際協力の参加者のリストには、すでに名前が挙がっている対応メンバーのウラジーミル・ブラギンスキー教授を含む同胞も含まれている。 ヴァレリー・ミトロファノフ(MSU)、該当メンバー アレクサンダー・セルゲイエフそして エフィム・カザノフ(ニジニ・ノヴゴロド応用物理学研究所 RAS) およびその他の研究者。

ロシアのプロジェクト参加者の研究は、ロシア基礎研究財団からの助成金によって部分的に支援されました。 残念ながら、ロシア科学財団が採用したばかばかしい助成条件により、この種の共同研究への支援は完全に排除されている。 したがって、財団の規則によれば、ロシア科学財団が資金提供する研究は、他の資金や補助金によって支援されることはできません。 この要件は厳格であると同時に非建設的です。 結局のところ、あらゆる主要な科学プロジェクト、特に国際的なプロジェクトは数十の異なる財団から支援を受けており、LIGO とのコラボレーションはその一例です。

レーザー干渉計重力波観測所 LIGO (レーザー干渉計重力波観測所)。 プロジェクトの総費用は約6億2000万ドル

一方、LIGOプロジェクトは非常に高価です。 天文台の建設には 3 億ドルかかり、さらに運営費と近代化費がかかりました。 LIGO は 2002 年に打ち上げられ、2010 年まで運用されました。 しかし、当時は重力波を記録することはできず、さまざまなノイズが記録されるだけでした。 その後、干渉計はアップグレードのためにシャットダウンされました。 同様の LIGO 干渉計である Virgo は、3 キロメートルのアームを備え、2007 年にイタリアのピサ近郊で運用を開始しました。 2011年から近代化工事が進められており、今年下半期には再稼働する予定だ。 そして、改良された Advanced LIGO 複合施設が 2015 年の初秋に稼働を開始しました。

――発見は打ち上げ直後だったということですね？

その通り。 9月14日、LIGO検出器は重力波観測の観点から「疑わしい」と思われる信号を検出した。 干渉パターンの変化は、重力擾乱が発生した場合に共同研究の参加者が事前に行った計算と完全に一致していました。 これはまさに、29 と 36 太陽質量の「重さ」を持つ、生命の最終段階にある大質量星である 2 つのブラック ホールの衝突によって生成された重力波の通過中に起こるはずだった出来事でした。 宇宙大変動の結果、62個の太陽質量からなるブラックホールが形成され、3個の太陽質量のエネルギーが重力放射線に変わり、13億光年後に私たちに到達しました。 もしおとめ座干渉計が固定時にすでに機能していれば、重力波がどこから来たのかを判断することが可能だろう。 今回はこれを行うことはできませんでしたが、科学者たちは、将来、LIGO と Virgo が並行して動作するようになれば、それが可能になることを期待しています。

- 最後に、このイベントの意義について一言…

このような「重い」ブラックホールの発見は、それ自体が天文学における重大な発見です。 そして、重力波の直接登録は、本質的に、新しい科学の方向性である重力波天文学の誕生です。 重力の影響を研究することで、宇宙形成の最も初期の時期を覗くことができるかもしれません。 結局のところ、ビッグバンの結果として生じた「火の玉」の進化の初期段階から、光信号は通過しませんが、宇宙の膨張のこの段階で放出される重力波は私たちに到達することができます。 また、一般相対性理論が現在では古典的 (非量子) レベルでほぼ完全に実験的にテストされており、実際に重力を非常に正確に記述していることも注目に値します。 したがって、この発見は、この理論の 100 周年を記念する輝かしい「贈り物」となりました。

もちろん、重力波を記録することの実際的な意味について語るのはまだ難しいが、将来的には明らかになる可能性がある。 20 世紀の初めには、たとえば、現代の GPS ナビゲーターが一般相対性理論の影響のみを考慮してあなたの位置を正確に決定するとは誰も想像できませんでした。 そして、重力波天文学は明らかにすぐそこまで来ています。

最初に記録された重力波信号

LIGO 検出器は何を見たのでしょうか?

写真を見ながら、合体したブラック ホールの質量とそこまでの距離をどのように推定できますか?
合体するオブジェクトの最後の瞬間の回転周期を推定する必要があります。 この図を見ると、最後のピーク間の距離はリスク間の距離の約 10 分の 1、つまり約 5 ミリ秒であることがわかります。 これは、まだ高度に変形しているブラック ホールの回転周期の半分です。 その表面はどのくらいの線速度で回転しますか? サイズに関係なく、光の速度に匹敵しますが、約 3 分の 1 より遅くなります (制限カー ホール)。

この場合、回転の半円は約 500 km となり、? で割ると、半径は 170 km になります。 太陽質量ブラックホールの半径は 3 km で、これは太陽系の質量が約 60 太陽であることを意味します。 実際 - 62。特にピーク間の時間を目視で推定したことを考慮すると、驚くべき精度です。

では、距離を推定してみましょう。 もう少し複雑です。 重力波の振幅（空間の相対変形）は、発生源までの距離に反比例します。 ソース内の変形は非常に大きく、もちろん 1 ではありませんが、0.1 は非常に現実的です (計算により、正確にこのオーダーの大きさが得られます)。 我々は 10 ～ 21 (縦軸の単位を参照) を持っています。これは、ソースからそのサイズよりも約 1020 倍離れていることを意味します - 170 km (上記を参照)。 1.7 x 107 cm x 1020 = 1.7 x 1027 cm = 0.6 ギガパーセク (実際には 0.4 ギガパーセク) となります。 視線に対するシステムの赤道面の方向がまだ不確実であるという事実にもかかわらず、ここでも注目に値するヒットです。

科学者たちは、時空の構造のさざ波を観察することで、「奇妙な星」、つまり通常の物質が構成されていない根本的に異なる粒子から作られた物体をすぐに発見できることを期待している。 原子核を構成する陽子と中性子は、

科学者たちは、時空の構造のさざ波を観察することで、「奇妙な星」、つまり通常の物質が構成されていない根本的に異なる粒子から作られた物体をすぐに発見できることを期待している。

原子核を構成する陽子と中性子は、クォークとして知られるいくつかの基本粒子で構成されています。 クォークには、アップ、ダウン、ストレンジ、チャーム、チャーム、トゥルーの 6 つのタイプ、つまり「フレーバー」があります。 各陽子または中性子は 3 つのクォークで構成されています。陽子は 2 つのアップ クォークと 1 つのダウン クォークから構成されます。 下部2つと上部1つからの中性子。

理論的には、物質は他の種類のクォークで構成されている可能性があります。 1970年代以来、科学者たちは、同数のアップクォーク、ダウンクォーク、ストレンジクォークからなるストラップレットとして知られる「ストレンジマター」粒子が存在する可能性があると理論立ててきた。 原理的には、奇妙な物質は通常の物質よりも重くて安定しているはずであり、接触すると通常の物質を奇妙な物質に変えることもできます。 しかし、室内実験ではまだ奇妙な物質は生み出されておらず、その存在には疑問が残る。

奇妙な物質が自然に出現する可能性のある場所の 1 つは、中性子星の内部、つまり壊滅的な超新星爆発で消滅した星の残骸である可能性があります。 中性子星は通常、12 マイル程度以内で小さいですが、非常に密度が高いため、重さは太陽に匹敵します。 角砂糖ほどの大きさの中性子星の欠片の重さは1億トンにも達します。

この極端な重さによる極端な力の下では、中性子星を構成するアップクォークとダウンクォークの一部がストレンジクォークに変化し、したがってストレンジ物質でできたストレンジスターに変化する可能性があると科学者らは述べている。

奇妙な物質でできた奇妙な星は、連星系を周回する奇妙な星や中性子星にすぐに変化する可能性があります。 研究によると、伴星であるストレンジスターからストレンジマターシードを受け取った中性子星は、わずか1ミリ秒でストレンジスターになれることがわかった。

研究者らは現在、アルバート・アインシュタインが一般相対性理論の一部として初めて提唱した時空の目に見えない波紋である重力波を観測することで、奇妙な星を検出できるかもしれないと考えている。

重力波は質量加速によって発生します。 本当に大きな重力波は、合体する中性子星など、非常に大きな質量から放出されます。

科学者らによると、奇妙な星はよりコンパクトであるはずなので、奇妙な星のペアは「通常の」中性子星が発する重力波とは異なる重力波を放出するはずだという。 たとえば、太陽の 5 分の 1 の質量を持つ中性子星の直径は 30 キロメートルを超えますが、同じ質量の奇妙な星の直径はせいぜい 10 キロメートルです。

科学者らは、2005年と2007年に深宇宙で見られた2つの短いガンマ線バースト（2秒未満続く巨大爆発）は、奇妙な星に関連した出来事で説明できるのではないかと推測している。 LIGO はこれらのイベント (GRB 051103 および GRB 070201) からの重力波を検出しませんでした。

中性子星の合体は短いガンマ線バーストの良い説明になりますが、その後、LIGOはこれらの合体からの重力波を検出したはずです。 しかし、もし両方の出来事が奇妙な星に関係していたとしたら、LIGOは重力波を検出できなかったであろうと科学者らは指摘する。 連星系の星がコンパクトであればあるほど、重力波の周波数は高くなります。

将来的には、科学者たちは奇妙な星間の合体現象を検出できることを期待している。 2015年に運用が開始されるLIGO天文台（aLIGO）の先進バージョンを使用すると、科学者らは、中性子星と奇妙な星との合体を年間約0.13回、または7年に1回検出できると期待している。 現在欧州連合で開発中のアインシュタイン望遠鏡を使用すると、科学者はそのような現象を年間最大 700 件、または 1 日あたり 2 件まで記録できるようになります。

科学者たちが2005年と2007年の出来事に関するLIGOのデータを再調査し、奇妙な星が関与している兆候を発見する可能性もある。

「奇妙な星が関与する可能性のあるいくつかのケースを考慮して、LIGO GRB 070201 と GRB 051103 を再分析できる能力は非常にエキサイティングです」と筆頭著者の天体物理学者ペドロ・モラレス氏は Space.com に語った。 モラレス氏は同僚のオスバルド・ミランダ氏とともに、自身の調査結果を月刊誌「Monthly Notices」誌の最新号に発表した。

アーニャ・グルシナ

時間結晶、または時間結晶は、近年広く議論されている物理学の新しいアイデアです。 これらは、時間の経過とともに「自動的に」繰り返される物理システムです。 この概念のエキゾチックな性質にもかかわらず、研究者たちはすでにこのアイデアの応用可能分野を検討しており、「結晶時間」を準備するための最も成功した「レシピ」を探しています。

Frank Wilczek、2004 年のノーベル賞受賞者であり、タイム クリスタルの概念の著者。写真: Kenneth C. Zirkel/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0。

クリストファー・モンローの実験による一時結晶の「レシピ」。オレンジと緑の矢印で示されたレーザー放射は、磁気モーメント (スピン) を反転させます。 赤い矢印で示されたレーザー光は無秩序を導入し、スピン間の相互作用を引き起こします。 その結果、スピン系はポンプ周波数の変化に耐える 2 つの安定状態の間で振動します。

自然法則の美しさは対称性と密接に関連しています。 厳密に言えば、物理学における対称性は、特定の変換下で何らかの特性が変化しないことを意味します。これは、空間内の回転や移動、鏡面反射などです。 簡単に言えば、物体や宇宙をどのようにひねっても、物理法則は変わりません。 対称性は連続的または離散的です。 たとえば、均質なボールは任意の角度に回転できますが、何も変わりません。 しかし、立方体は特定の角度で回転した場合にのみ「繰り返し」ます。 これらは、連続的および離散的な回転対称の例です。

興味深い物理学は、対称性が変化する、あるいはむしろ破れたところから始まります。 結晶は同じ原子からなる均質な液体よりも対称性が低いため、空間対称性の違反とみなせるとします。 その中の原子は、明確に定義された距離と角度を持つ、いわゆる結晶格子のノードに位置しています。 空間内を移動するときに同じ結晶を得るには、明確に定義された距離 (いわゆる格子定数、つまり結晶全体を再現できる基本セルのサイズ) だけ移動するか、回転させる必要があります。適切な角度。 結晶の特定の特性は、対称性がどの程度正確に破られたか、つまり原子の外殻上の電子の数、磁気モーメント、温度に直接依存します。これらすべてが原子間の相互作用に影響を与え、最終的に材料の特性を決定します。 物理学者は長い間結晶を研究しており、レーザーやマイクロ波を使用して同様のシステムを作成することさえ学んでいます。このシステムでは、格子ノードの役割は原子や電子だけでなく、光子やフォノンなどの準粒子によっても果たされます。 媒体の対称性は、磁化と電流の流れによっても崩れます。

しかし、時間的、または一時的な対称性（前方にのみ継続的な時間の流れ）の離散的な違反は、まだ未開拓の領域です。 クォークとグルーオンの相互作用の記述で 2004 年にノーベル賞を受賞したフランク・ウィルチェクは、2012 年に時間対称性が自然に破られることがない理由 (つまり、系の要素間のランダムな相互作用による) と、それが可能かどうかについて考え始めました。これが可能な条件を作り出すためです。 その結果、彼は時間的対称性を破る方法として時間的結晶を思いつきました。

テンポラルクリスタルは、巻き上げる必要のない機械式時計のように、エネルギーを消費せずに脈動する仮想的な構造です。 結晶の原子が空間で繰り返されるのと同じように、このシーケンスは時間の経過とともに繰り返されます。 一見すると、時間的結晶は厳密な物理学というよりも、SF 作家ウラジスラフ クラピビンの偉大な結晶の世界を彷彿とさせますが、そのような構造にはその存在について十分な物理的理由がある可能性があります。

一時結晶の考えられる実装の 1 つは、回転して元の状態に定期的に戻る原子の輪です。 その特性は、結晶内の原子の位置がどのように相互接続されているかと同様に、時間とともに永遠に同期されます。 時間結晶の定義によれば、このような系は運動に外部からのエネルギーを必要としないように、エネルギーが最も低い状態になければなりません。 ある意味、時間結晶は永久機関であるが、有益な仕事は何も生み出さない。

科学界の大部分は、このアイデアは挑発的であると考えました。 それにもかかわらず、フランク・ウィルチェクは自分の立場を堅持し、この問題は一見したよりも微妙であり、時間的結晶は新しいタイプの秩序を表していると確信していました。 さらに、永久運動には量子の世界で前例があります。理論的には、超伝導体は電流を永遠に流し続けます (ただし、この場合の流れは均一であり、したがって時間の経過とともに変化しません)。

時間結晶のパラドックスは、カリフォルニア大学バークレー校の大学院生である渡辺春樹氏に興味を持っていました。 彼が空間における対称性の破れに関する研究を発表したとき、ウィルチェクの時間結晶のアイデアの意味について尋ねられました。 渡辺氏は答えることができず、時間と空間におけるシステムの遠隔部分間の相関関係に焦点を当ててこの問題を調査することにしました。 2015年、渡辺氏は東京大学の物理学者押川正樹氏とともに、最低エネルギー状態での一時結晶の生成は不可能であるという定理を証明した。 彼らはまた、どのようなエネルギー値でも安定状態に達した平衡系では一時結晶は不可能であることも証明しました。

この時点で、物理界は時間結晶の存在の問題は終了したと考えました。 しかし、証拠には抜け穴が残されていました。 平衡がまだ確立されていない系に一時的な結晶が存在する可能性を排除するものではありませんでした。 そして、世界中の理論家は、定理を回避するために、時間結晶の別のバージョンをどのように作成できるかを考え始めました。

このブレークスルーは、研究者たちがこのテーマについてまったく考えていなかった物理学の分野から予期せずもたらされました。 プリンストン大学の理論家シヴァージ・ソンディらは、定期的にエネルギー的に「キック」される相互作用する粒子の「スープ」からなる孤立した量子システムの挙動を研究した。 教科書を信じるなら、そのようなシステムは加熱し、最終的には完全に混乱するはずです。 しかし、ソンディ氏のグループは、特定の条件が満たされると粒子が集まり、時間の経過とともに繰り返される「パターン」を形成することを示した。

この研究は、ウィルチェックの元生徒の一人であるチェタン・ナヤックの注目を集めました。 ナヤックと彼の同僚は、この奇妙な平衡を失った物質の形態は一時的な結晶の一種である可能性があると示唆しましたが、ウィルチェクが最初に話した種類のものではありませんでした。 違いは、このようなシステムはエネルギーが最も低い状態になく、脈動を維持するために外部からエネルギーを供給する必要があることです。 しかし、そのような「スープ」にはポンピング周波数とは異なる独自のリズムがあり、実際には時間対称性の違反を意味します。

メリーランド大学カレッジパーク校のクリストファー・モンローは、懐疑的であったにもかかわらず、冷たい原子を使って同様の時間結晶を作成しようと試みた。 複雑な「レシピ」には、システムに作用する力、原子間の相互作用、ランダムな無秩序の要素という 3 つの主要な要素が含まれています。 この組み合わせにより、粒子が吸収できるエネルギー量が制限され、粒子が秩序だった状態を維持できるようになります。

実験では、10 個のイッテルビウム イオンの連鎖が 2 つのレーザーで交互に照射されました。 最初のレーザーは原子の磁気モーメントを反転させ、2 番目のレーザーは原子をランダムに相互作用させました。 これにより、レーザースピンポンピングの周期の 2 倍の周期で、系の磁気モーメントの投影に振動が生じました。 さらに、たとえ最初のレーザーが所望の放射周波数から外れても、システム内の振動は変化しませんでした。 通常の結晶が原子を結晶格子内の位置から移動させようとする試みに抵抗するのと同じように、一時的な結晶は時間の経過とともにその周期性を保持します。

ミハイル・ルーキン（ロシア量子センターの共同創設者でもある）率いるハーバード大学の物理学者グループは、別のルートをとり、ダイヤモンドを使った時間結晶を実現した。 この目的のために、それぞれが独自の磁気モーメントを持つ、約 100 万個の無秩序な欠陥を含む特別なサンプルが合成されました。 このような結晶がスピンを反転させるためにマイクロ波放射のパルスにさらされたとき、物理学者は励起放射の周波数のほんの一部の周波数でシステムの応答を記録しました。

両方の実験に参加した理論物理学者のノーマン・ヤオ氏は、最低エネルギー状態にあるシステムは、定義上、時間の経過とともに変化すべきではないと強調する。 そうしないと、消費できるエネルギーが余ってしまい、最終的には運動を停止しなければならないことになります。 ヤオ氏は実験の結果を縄跳びに例えた。手は2回転するが、ロープは1回転するだけだ。これは、ロープが自ら振動する可能性があると信じていたウィルチェクが当初考えたものよりも弱い対称性の違反である。

両方の実験結果は Nature 誌に掲載されており、確かに興味深いものですが、両方の場合の時間結晶の定義は少し突飛であると考えられるかもしれません。 物理学者は、どちらの系も何らかの形で時間対称性を自発的に破り、したがって数学的な観点から時間結晶の要件を満たすことに同意しています。 しかし、それらが本当にそのように考えられるかどうかは、科学的な議論の対象です。

モンローとルーキンが時空のクリスタルを手に入れることに成功したかどうかは、時間が経てば分かるだろう。 いずれにせよ、これらの実験は、非平衡状態の比較的未踏の領域における物質の新しい相の最も単純な例を初めて実証したため、興味深いものです。 この新しい物質状態は、安定状態に到達することなく継続的に変化する量子粒子のグループで構成されています。 安定性は、他の種類の物質ではバランスを崩すようなランダムな相互作用によって実現されます。

さらに、これらの結果は実際的な意味を持つ可能性があります。 時間結晶は超高精度センサーとして役立ちます。 ダイヤモンドの欠陥の磁気モーメントの挙動は、温度と磁場のわずかな変化を記録するためにすでに使用されています。 しかし、このアプローチには限界があります。小さな体積に欠陥が「密集」しすぎると、欠陥間の相互作用によって量子状態が破壊されます。 逆に、一時結晶では相互作用によってシステムが安定化するため、何百万もの欠陥を一緒に使用して信号を増幅できます。 これにより、特に生きた細胞や原子の厚さの物質を研究することが可能になります。

このようなシステムの別の使用例は、かなり高温での量子コンピューティングです。 量子コンピューターは待望の有望な技術ですが、実用化にはまだ程遠いです。 重要なのは、計算を行う壊れやすい量子ビットは、情報をエンコードして読み取ることができながらも、熱運動やその他の環境の「副作用」による量子破壊の影響から隔離される必要があるということです。 物理学者はこれを行うために、絶対零度よりほんのナノ度高い非常に低い温度を使用します。 一時結晶は本質的に、かなり高い温度で存在する量子系です。 Lukin ダイヤモンドの場合、これは通常室温で当てはまります。

2013年の『サイエンス・アンド・ライフ』第12号に掲載されたインタビューで、ミハイル・ルーキンは、一見完全に基礎的な科学であるものの、そのような予期せぬ実際的な「副作用」について正確に語った。 そしておそらく、時間結晶という幻想的に聞こえる概念が、複雑で高価な極低温を必要とせずに量子コンピューティングへの道を開くでしょう。