วิธีใหม่ในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง

 (nature.com)
1 คะแนน โดย GN⁺ 2024-06-30 | 1 ความคิดเห็น | แชร์ทาง WhatsApp
  • การสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงได้กลายเป็นสาขาการทดลองสำคัญของฟิสิกส์ยุคใหม่ นับตั้งแต่ การตรวจจับโดยตรงครั้งแรกในปี 2015
  • สัญญาณที่สังเกตได้ในเดือนกันยายน 2015 ในครั้งนั้นเป็นการสั่นไหวที่กินเวลา หนึ่งในห้าวินาที และกลายเป็นจุดเปลี่ยนครั้งประวัติศาสตร์ของฟิสิกส์
  • สัญญาณนี้นำไปสู่การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรงเป็นครั้งแรก และมีความหมายอย่างยิ่งในแง่ที่ว่าเป็นการสังเกตการรบกวนของปริภูมิ-เวลาได้โดยตรง
  • คลื่นความโน้มถ่วงคือการรบกวนของ เรขาคณิตปริภูมิ-เวลา และเคลื่อนที่ผ่านจักรวาลด้วยความเร็วแสง
  • ข้อความคัดย่อที่ให้มาไม่มีชื่อหรือหลักการทำงานของ วิธีตรวจจับใหม่ทั้งห้าวิธี ตามที่ชื่อเรื่องเกริ่นไว้

การตรวจจับโดยตรงครั้งแรกในปี 2015

  • ในเดือนกันยายน 2015 การสั่นไหวที่กินเวลาหนึ่งในห้าวินาทีถูกกล่าวถึงว่าเป็นเหตุการณ์ที่เปลี่ยนประวัติศาสตร์ฟิสิกส์
  • การสั่นไหวนี้คือ การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรงครั้งแรก
  • คลื่นความโน้มถ่วงคือการรบกวนที่เกิดขึ้นใน โครงสร้างเชิงเรขาคณิตของปริภูมิ-เวลา
  • การรบกวนนี้เคลื่อนที่ผ่านจักรวาลด้วย ความเร็วแสง

ขอบเขตของเนื้อหาที่ตรวจสอบได้

  • ชื่อเรื่องเกริ่นถึง ห้าวิธีใหม่ ในการจับคลื่นความโน้มถ่วง และความลับที่วิธีเหล่านั้นจะเปิดเผย
  • ข้อความคัดย่อที่ให้มาไม่มีชื่อของแต่ละวิธี หลักการทำงาน เป้าหมายการสังเกตการณ์ หรือผลลัพธ์ทางวิทยาศาสตร์
  • ข้อความส่วนที่เหลือซึ่งตรวจสอบได้ส่วนใหญ่เป็นรายการนอกเนื้อหาหลัก เช่น ตัวเลือกการเข้าถึง คำแนะนำการสมัครสมาชิก และเอกสารอ้างอิง

บทความที่เกี่ยวข้อง

1 ความคิดเห็น

 
GN⁺ 2024-06-30
ความคิดเห็นบน Hacker News

  • ดูเหมือนว่า เครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงรุ่นแรก ซึ่งมีการออกแบบแตกต่างจากอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ในปัจจุบันโดยสิ้นเชิง แทบจะถูกลืมไปในประวัติศาสตร์แล้ว
    อุปกรณ์ในยุคนั้นใช้งานไม่ได้ และข้ออ้างของ Weber ในปี 1987 ว่าตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงจาก SN1987A ก็เสื่อมความน่าเชื่อถือไปอย่างกว้างขวาง
    https://en.wikipedia.org/wiki/Weber_bar

    • ตอนนี้มี LIGO แล้ว และอุปกรณ์ก็แม่นยำขึ้นมาก ผมสงสัยว่ามีใครเคยกลับมาตรวจสอบแนวทางนี้อีกครั้งหรือไม่
      ในบทความเกี่ยวกับ Weber bar ไม่ค่อยเห็นการคัดค้านตัวทฤษฎีพื้นฐานของการทดลองเองเท่าไร เลยสงสัยว่าตามความเข้าใจปัจจุบัน เรายังคาดหวังผลที่ตรวจจับได้หรือไม่
      ผมคิดว่าการสร้าง Weber bar เป็นร้อยเป็นพันชุดแล้วทำการประมวลผลสัญญาณ อาจถูกกว่าการสร้าง LIGO เพิ่มอีกแห่ง และยังจินตนาการได้ด้วยว่าอาจนำ Weber bar ไปไว้ในอวกาศ
    • ในสาขานี้ เวลาพูดถึง รุ่นแรก ในปัจจุบัน โดยทั่วไปหมายถึง LIGO ตัวแรก หรือก็คือเวอร์ชันก่อน Advanced LIGO ไม่ใช่ Weber bar
      Weber bar ไม่ใช่แค่ใช้งานไม่ได้ แต่ตามมาตรฐานของนักฟิสิกส์ส่วนใหญ่ถือว่าไม่น่าจะใช้งานได้ด้วยซ้ำ แน่นอนว่า Weber เองไม่เห็นด้วย

  • หากขยายจากย่านความถี่ที่แคบมาก สูงสุด 1000Hz ไปสู่ช่วงที่กว้างกว่านี้มาก ในทางทฤษฎีก็อาจใส่ข้อมูลด้วยวิธีอย่างการมอดูเลตความถี่ได้
    ผมสงสัยว่าอารยธรรมที่ก้าวหน้าพออาจพิจารณาใช้ การสื่อสารด้วยแรงโน้มถ่วง หรือไม่ และเราควรไปหา Hello, world ใน “ความถี่ธรรมชาติ” บางอย่าง เหมือนที่ทำกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือเปล่า

    • ผมยังไม่เห็นข้อดีของการสื่อสารด้วยวิธีนี้
      พลังงานที่ต้องใช้ต่อบิตที่ส่งน่าจะมหาศาล และถึงแม้ในทางทฤษฎีจะเป็นไปได้ แต่สำหรับการสื่อสารแล้วดูเหมือนจะมีแต่ข้อเสียมากมาย แทบไม่มีข้อดีเลย
      อย่างไรก็ตาม ผมนึกถึงตอนหนึ่งของ PBS Space Time ที่พูดถึงว่าพอจะหาอารยธรรมต่างดาวจากคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดเมื่อยานอวกาศขนาดมหึมาเร่งความเร็วเข้าใกล้ความเร็วแสงได้หรือไม่
      https://www.pbs.org/video/could-ligo-find-massive-alien-spac...
    • ถ้าคลื่นความโน้มถ่วงยังถูกจำกัดด้วย ความเร็วแสง อยู่ ผมก็ไม่รู้ว่ามันมีข้อได้เปรียบอะไร
      มันอ้อมสิ่งกีดขวางได้หรือเปล่า? แทนที่จะเป็นแนวสายตา วัตถุที่ทำให้กาลอวกาศบิดโค้งมากอย่างหลุมดำหรือดาวฤกษ์ก็น่าจะกลายเป็นแหล่งรบกวนแทน แต่ตัวการรบกวนเองก็น่าจะเกิดขึ้นได้
      ข้อสงวนแบบถ่อมตัว: ผมไม่ค่อยรู้หรอกว่าตัวเองกำลังพูดเรื่องอะไร
    • แม้จะมีปฏิกิริยาเชิงลบมากมาย แต่ผมนึกเหตุผลหนึ่งที่อาจเป็นไปได้ออก
      สายพันธุ์ของเราและอีกหลายสายพันธุ์บนโลกมองเห็นได้เพียงย่านแคบมาก ๆ ของสเปกตรัมรังสี
      อารยธรรมที่ก้าวหน้าบางแห่งอาจไม่ได้วิวัฒน์ประสาทรับรู้แบบนั้น แต่กลับวิวัฒน์มาใกล้ชิดกับ พลังงานความโน้มถ่วง มากกว่ามากก็ได้ เพราะสุดท้ายแล้วเรากำลังพูดถึงจักรวาลอยู่
    • ผมนึกภาพไม่ออกจริง ๆ ว่าเครื่องส่งแบบนั้นจะทำงานอย่างไร
      จะต้องขยับวัตถุขนาดเท่าดาวเคราะห์เพื่อสร้างคลื่นความโน้มถ่วงหรือเปล่า?
      แน่นอนว่าคำตอบแบบเลี่ยง ๆ ว่า “ใช้เทคโนโลยีขั้นสูงที่เราไม่รู้จัก” อาจเป็นคำตอบที่ถูกจริง ๆ ก็ได้
    • ไอเดียนี้ปรากฏในไตรภาค The Three Body Problem
      ปัญหาคือการมอดูเลตสัญญาณ และวิธีเดียวคือการเคลื่อนย้ายมวลขนาดใหญ่ให้รวดเร็ว

  • สถานที่ของ LIGO เปิดให้เข้าชมฟรี
    ผมไปเยี่ยมชมสถานที่ที่ Hanford เมื่อไม่กี่ปีก่อน มีการบรรยายล่วงหน้าด้วย ได้เดินดูทั่วทั้งสถานที่ และยังเข้าไปในห้องควบคุมด้วย คนที่นั่นยอดเยี่ยมจริง ๆ
    https://www.ligo.caltech.edu/WA/page/lho-public-tours

    • ถ้าไป LIGO Hanford ก็ไม่ควรพลาดทัวร์ B Reactor ใกล้ ๆ
      มันคือเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาดใช้งานจริงเครื่องแรก
    • วันที่ว่างมีแค่ช่วง DEFCON แต่สักวันผมอยากไปให้ได้

  • แปลกใจที่ไม่มีการกล่าวถึง LISA
    มันเป็นเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงบนอวกาศที่ใช้ดาวเทียม 3 ดวงบินเป็นขบวนห่างกัน 2.5 ล้านกม. และเป็นโครงการวิศวกรรมที่เจ๋งมากซึ่งวางแผนจะปล่อยในปี 2035
    https://en.m.wikipedia.org/wiki/Laser_Interferometer_Space_A...

    • มีพูดถึงในบทความหลักอยู่แล้ว
      คือช่วงที่บอกว่า “ตอนนี้นักวิจัยกำลังพัฒนาหอดูดาวรุ่นถัดไปแบบ LIGO หลายแห่ง ทั้งบนพื้นโลกและในอวกาศ โดยฝั่งอวกาศมี Laser Interferometer Space Antenna”
    • LISA ถูกเสนอครั้งแรกในฐานะภารกิจของ ESA ช่วงต้นทศวรรษ 1990
      ผมจำได้ว่าเคยอ่านเรื่อง LISA ตอนเด็ก ๆ ตอนนั้นมีกำหนดปล่อยในปี 2015 ซึ่งดูเป็นอนาคตที่ไกลมาก
      ตอนนี้ถ้ามันได้ปล่อยจริงในปี 2035 ผมคงแปลกใจเสียมากกว่า

  • เพิ่งได้รู้ข้อเสนอใหม่ที่ให้ใช้ยานสำรวจที่มีแผนอยู่แล้วเป็น เครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง
    ถ้าผมไม่ได้พลาดไป บทความหลักดูเหมือนจะไม่ได้พูดถึงเรื่องนี้
    “Bridging the micro-Hz gravitational wave gap via Doppler tracking with the Uranus Orbiter and Probe Mission: Massive black hole binaries, early universe signals and ultra-light dark matter”
    https://arxiv.org/abs/2406.02306
    “Practically Free Primordial Gravitational Waves Detector”
    https://www.youtube.com/watch?v=XfOxNJvSvf4

  • อาจเป็นคำถามโง่ ๆ ก็ได้ แต่ถ้าอย่างนั้นก็เหมือนกับว่าพิสูจน์ได้แล้วโดยพฤตินัยว่าแรงโน้มถ่วงไม่มีอยู่จริงหรือเปล่า
    ถ้าผลของแรงโน้มถ่วงจริง ๆ แล้วเป็นผลที่มาจาก เรขาคณิตของปริภูมิ-เวลา การทดลองคลื่นความโน้มถ่วงก็ดูเหมือนจะแสดงให้เห็นว่าปริภูมิ-เวลามีอยู่จริงและมีเรขาคณิตที่วัดได้
    แต่พอพูดถึงกลศาสตร์ควอนตัม ก็ยังได้ยินกันว่ายังไม่พบอนุภาคตัวกลางของแรงโน้มถ่วง ดังนั้นถ้าแรงโน้มถ่วงไม่มีอยู่จริงและเป็นผลของเรขาคณิตปริภูมิ-เวลา ผมก็ไม่เข้าใจคำพูดนั้น

    • การทดลองเหล่านี้ยืนยัน ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein ซึ่งเป็นทฤษฎีคลาสสิกของแรงโน้มถ่วง เหมือนกับที่ทฤษฎีคลาสสิกของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าคือสมการ Maxwell
      เช่นเดียวกับที่สมการ Maxwell เพียงพอสำหรับคลื่นที่มีกำลังระดับมหภาค ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปก็เพียงพอสำหรับคลื่นความโน้มถ่วงทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์
      คำถามอีกเรื่องหนึ่งคือ ทฤษฎีเชิงกลควอนตัมที่มีทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นขีดจำกัดแบบคลาสสิกนั้นคืออะไร
      ในแม่เหล็กไฟฟ้า อิเล็กโทรไดนามิกส์เชิงควอนตัมที่เข้าใจกันในทศวรรษ 1940 คือเวอร์ชันควอนไทซ์ของทฤษฎี Maxwell และทำนายว่าผลการวัดพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าจะออกมาเป็น “ก้อน” ที่เรียกว่าโฟตอน
      ในทางกลับกัน สำหรับ แรงโน้มถ่วงเชิงควอนตัม แม้จะรู้คุณลักษณะหลายอย่างที่บ่งชี้ว่า graviton น่าจะเป็นอนุภาคสปิน 2 ที่ไม่มีมวล แต่ยังไม่มีฉันทามติเรื่องทฤษฎีที่ถูกต้อง
      วิธีทำให้ภาพแบบอนุภาคตัวกลางของแรงกับภาพแบบปริภูมิ-เวลาเข้ากันได้ คือแม้ในเชิงคลาสสิก เราก็สามารถคิดถึงเรขาคณิตปริภูมิ-เวลาพื้นหลังที่โลกทั้งใบสร้างขึ้น แล้วพิจารณาการสั่นไหวเล็ก ๆ บนนั้น
      พูดแบบตามสัญชาตญาณ graviton คือการที่การสั่นไหวเล็ก ๆ เหล่านี้ถูกเปิดขึ้นในปริมาณที่ถูกควอนไทซ์
      ส่วนพื้นหลังเองก่อตัวขึ้นเป็น “กอง graviton มหึมา” อย่างไรนั้นขึ้นอยู่กับทฤษฎีแรงโน้มถ่วงเชิงควอนตัมที่ถูกต้อง และทฤษฎีสตริงมีคำตอบบางส่วน จึงสามารถสร้างแบบจำลองวัตถุอย่างหลุมดำในเชิงควอนตัมได้
    • แม้ไม่ใช่ผู้เชี่ยวชาญ แต่เท่าที่พอตอบได้ แรงโน้มถ่วงมีอยู่จริง และปรากฏเป็นความโค้งหรือเรขาคณิตของอวกาศ
      สิ่งนี้ต่างจากแรงพื้นฐานอื่น ๆ ที่อธิบายด้วยทฤษฎีสนามควอนตัม
      ความเข้าใจเรื่องแรงโน้มถ่วงในปัจจุบันไม่ได้ทำงานแบบเดียวกับอย่างอื่น และเรายังไม่พบทฤษฎีที่ตรวจสอบได้ซึ่งทำให้สองกรอบนี้ทำงานร่วมกันได้ในทุกสเกล
      เท่าที่เข้าใจ ทฤษฎีสตริงถูกเสนอเป็นวิธีสร้างทฤษฎีควอนตัมของแรงโน้มถ่วงและอธิบายส่วนที่เหลือด้วย แต่ความนิยมลดลงเพราะมันกลายเป็นกรอบคณิตศาสตร์ที่ปรับแต่งให้เข้ากับการสังเกตได้ จนขาดพลังในการทำนาย
      ดังนั้นคำทำนายเรื่องอนุภาคตัวกลางของแรงโน้มถ่วงที่เป็นไปได้ หรือ graviton มักมาจากตรงนี้
      ในทฤษฎีอย่าง loop quantum gravity ปริภูมิ-เวลาเองถูกควอนไทซ์ ทำให้สามารถเชื่อมเข้ากับแนวทางแบบสมการฟังก์ชันคลื่นที่ทฤษฎีควอนตัมอื่น ๆ ใช้ได้
      แต่ดูเหมือนว่าเพียงเท่านี้ยังไม่ได้ทำนายอะไรได้มากนักเกี่ยวกับสนามควอนตัมของแรงโน้มถ่วง
      อีกทั้งในทฤษฎีสัมพัทธภาพ มักมีอนันต์จำนวนมากปรากฏในสมการและผลลัพธ์ และเพื่อป้องกันสิ่งนี้จะใช้คณิตศาสตร์ที่เรียกว่า การรีนอร์มัลไลซ์ แต่เท่าที่รู้ เมื่อย้ายไปมาระหว่างทฤษฎีควอนตัมกับทฤษฎีสัมพัทธภาพก็ยังเกิดปัญหาเช่นกัน
    • อวกาศเองไม่ใช่ตัวกลางของแรงโน้มถ่วงหรือ? เหมือนน้ำที่มีคลื่นเกิดขึ้น
    • เรามีกรอบฟิสิกส์สองระบบ และสามารถทำนายด้วยระบบใดระบบหนึ่งก็ได้
      แต่ยังรวมสองระบบเข้าด้วยกันอย่างสมบูรณ์ไม่ได้

  • มีบทความที่น่าอ่านเกี่ยวกับเรื่องนี้คือ “Kerr-enhanced optical spring for next-generation gravitational wave detectors” และ “Physicists Have Figured Out a Way to Measure Gravity on a Quantum Scale”
    บทความหลังเป็นบทความปี 2024 ที่ใช้ กับดักแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด ที่ทำจาก Tantalum
    https://news.ycombinator.com/item?id=39957123
    https://news.ycombinator.com/item?id=39495482

  • ในฐานะคนทั่วไปมาก ๆ ผมเริ่มสงสัยว่าสามารถตรวจจับเหตุการณ์ของ ฟังก์ชันคลื่นควอนตัม ได้หรือไม่
    https://physics.stackexchange.com/questions/275556/can-you-d...

  • อยากเสริมว่าความไวของ LIGO อยู่ระดับไหน
    คลื่นความโน้มถ่วงที่ LIGO ตรวจจับได้นั้นเทียบได้กับการวัดระยะทางจากโลกถึง Alpha Centauri โดยดูการเปลี่ยนแปลงขนาดประมาณความกว้างของเส้นผมมนุษย์
    อย่างไรก็ดี เทคโนโลยีเหล่านี้ไม่ได้มีเป้าหมายแค่เพิ่มความไวเท่านั้น แต่ยังต้องการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงชนิดต่าง ๆ ด้วย
    ผมไม่ค่อยรู้ว่าอะไรเป็นตัวกำหนดความถี่ของคลื่นความโน้มถ่วง
    พูดตรง ๆ ผมยังไม่เข้าใจจริง ๆ ว่าการขยายตัวของอวกาศหรือคลื่นความโน้มถ่วงคืออะไรกันแน่ แต่เดิมทีผมก็เป็นแค่คนโง่ที่ไม่เข้าใจ tractor calculus อยู่แล้ว
    https://www.math.auckland.ac.nz/mathwiki/images/c/cf/Staffor...

    • ถ้าเอาความกว้างของคันไถหรือเครื่องหยอดเมล็ดที่รถแทรกเตอร์ลาก แล้วหารความยาวของแปลงด้วยความกว้างนั้น ก็จะรู้ว่ารถแทรกเตอร์ต้องวิ่งไปกลับกี่ครั้งเพื่อไถหรือหว่านเมล็ดให้ทั่วทั้งแปลง
      ถ้ารถแทรกเตอร์เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ V_tractor m/s ก็สามารถหาพื้นที่รวมของแปลงเป็น m^2 ได้โดยนำความกว้างของคันไถหรือเครื่องหยอดเมล็ดคูณกับเวลาในการทำงาน (วินาที)
      แนวคิดนี้ขยายไปใช้กับรถแทรกเตอร์ที่มีความเร็ว V(t) ได้ด้วย โดยรวมพื้นที่ในแต่ละช่วงเวลาอนันต์น้อย dt
      นี่คือ ทฤษฎีบทมูลฐานของแคลคูลัสรถแทรกเตอร์ และเป็นรากฐานของ Tractor Field Theory ;)

  • วิธีที่เฉพาะทางกว่าแต่น่าสนใจ ซึ่งผมหวังว่าจะถูกพูดถึงในบทความหลัก คือ สนามแม่เหล็ก
    ผมเคยได้ยินจากอาจารย์ฟิสิกส์ว่า ในสนามแม่เหล็กแรงสูง คาดว่าคลื่นความโน้มถ่วงจะสลายเป็นโฟตอน
    ตอนนั้นผมยังพอเข้าใจคณิตศาสตร์อยู่บ้าง แต่ตอนนี้ไม่ไหวแล้ว
    ถึงอย่างนั้นก็ดูเหมือนว่ายังมีคนสำรวจแนวทางนี้อยู่
    https://indico.cern.ch/event/1074510/contributions/4519384/a...