"중력파는 없습니다…"… "평면 중력파, 긍정적 인 x -축, 그러므로 찾을 수 있습니다…”…“… 중력파는 존재하지 않습니다…”…“중력파가 존재합니까?” …“엄격한 솔루션이 존재한다는 것이 밝혀졌습니다…”
이것들은 앨버트 아인슈타인의 말입니다. 20 년 동안 그는 중력파에 대해 명확하게했으며, 공간과 시간의 구조에서의 이러한 기복이 그의 혁명적 인 1915 년 일반 상대성 이론에 의해 예측되거나 배제되는지 여부는 확신하지 못했다. 모든 이론의 개념적 우아함에 대해-중력은“시공간”에서 곡선의 영향으로 밝혀졌다-그 수학은 엄청나게 복잡했다.
.이 문제는 지난 주에 한 번, 고급 레이저 간섭계 중력 파 분위기 (Advanced Ligo)의 과학자들이 10 억 명이 넘는 2 개의 블랙홀의 폭력적인 합병에서 나오는 중력파를 감지했다고보고했을 때 한 번에 정착되었습니다. “Chirp”라고 불리는 시공간의 수축과 확장이 약간 번거롭게 신호를 픽업하려면 특별한 기술이 필요했습니다. 그러나 과학자들이 정확히 아인슈타인의 이론이 무엇을 예측하는지 결정하는 데 100 년이 걸렸습니다. 중력 파도가 존재하는 것뿐만 아니라 합병하는 블랙홀 쌍에서 우주를 건너는 모습을 보았습니다.
아칸소 대학교의 이론 물리학자인 Daniel Kennefick은 Ligo의 공동 창립자 인 Kip Thorne과 함께 일하면서 일반 상대성의 예측을 풀기 위해 대학원생으로 경력을 시작했습니다. 중력파 연구의 논쟁적인 역사에 매료 된 Kennefick은 역사가로서 부업을 시작했습니다. 그는 2007 년 책의 저자입니다. :아인슈타인과 중력파 퀘스트 그리고 작년에 그는 아인슈타인 백과 사전을 공동 저술했습니다 . 목요일의 큰 발표 전후의 토론에서 Kennefick은 그 여행을 이끄는 여정을 이야기하고 이론가들이 여기에서 어디로 가야하는지 설명했습니다. 대화의 편집 및 응축 버전이 다음과 같습니다.
Quanta Magazine :지난 목요일에 당신에게 얼마나 흥미로 웠습니까?
Daniel Kennefick :나는 그것이 얼마나 흥미로웠는지 믿을 수 없었습니다. 논란의 여지가있는이 분야의 역사를 감안할 때, 그것은 논란의 여지가없는 탐지입니다. 그들은 우리 중 많은 사람들이 기대했던 것처럼 소음에서 신호를 파낼 필요가 없었습니다. 당신은 실제로 자신의 눈으로 데이터에서 볼 수 있습니다. 그리고 이론가의 관점에서 볼 때, 이론적 예측이 현실에 너무 가까웠다는 사실에 흥분합니다. 신호가 있었고, 두 개의 블랙홀의 합병에서 파형이 무엇인지에 대한 예측이있었습니다.
이 순간으로 이어진 중력파 연구의 역사를 어떻게 특성화 하시겠습니까?
큰 특징이 논쟁의 여지가 있다는 것은 의심의 여지가 없습니다. 일련의 논쟁은 의심 할 여지가 없습니다. 중력파가 존재하는지에 대한 논쟁. 그들은 실제로 존재합니까? 그들은 에너지를 가지고 있습니까? 그것들은 우리가 감지 할 수있는 방식으로 존재합니까? 단지 온톨로지도 :현실이란 무엇입니까? 당신은 여기에서 무언가를 측정하고 있습니까? 아니면 농담하고 있습니까?
그리고 그것은 처음부터 사실이었습니다. 아인슈타인에서 우리가 가진 중력파에 대한 첫 번째 언급은 그들이 존재하지 않는다고 말하는 것입니다. 중력파는 100 년 전에 사람들의 머리에 들어가기 시작한 대담하고 대담한 아이디어 였지만 항상 불확실한 느낌이있었습니다. 한 가지 질문에 대한 답변이 있지만 새로운 질문이 나올 것입니다.
책 제목의 문구는 어떻게“생각의 속도로 여행” -이 불확실성을 포착합니까?
아인슈타인은 1916 년에 자신의 논문 [중력파 예측]을 썼을 때 세 가지 종류의 중력파를 발견했다고 생각했습니다. 그해 초, 그는 파도가 존재하지 않는다고 생각했을 때 잘못된 좌표계를 사용하고있었습니다. 그는 동료의 제안에 따라 다른 좌표계로 바뀌었고, 그로 인해 파도가 있음을 더 명확하게 알 수있었습니다. 그러나이 좌표계는 그 자체로 물결이 많기 때문에 그가보고 있다고 생각한 파도 중 두 가지가 물결 모양의 좌표계에서 볼 수있는 평평한 공간이라는 것이 밝혀졌습니다. 그들은 전혀 파도가 아닙니다.
[영국 천문학 자 및 물리학 자] Arthur Stanley Eddington은 1922 년 아인슈타인의 논문에 응답했으며, 그 질문에 관심이있었습니다. 중력파는 빛의 속도로 여행합니까? 대답은 우리가 지금 알고 있듯이 그들이하는 것입니다. Eddington은 자신의 계산을 보여 주었고, 다른 두 가지 유형의 파도 인 가짜 파도는 어떤 좌표계를 사용하는지에 따라 어떤 속도로 여행 할 수 있다는 것을 깨달았 으므로이 가짜 파도“생각의 속도로 여행”이라고 말했습니다. 한편으로는 회의론을 보여주기 때문에 매력적인 문구입니다.“생각의 속도로 여행하는 것”은 실제가 아닌 것으로 보입니다. 다른 한편으로는 회의론의 중요성을 보여줍니다. 결국 세 가지 유형의 중력파가 없기 때문입니다. 한 종류 만 있습니다.
그런 다음 아인슈타인은 1936 년에 다시 마음을 바꾸었고 중력파는 존재하지 않는다고 말했다. 무슨 일이 있었나요?
아인슈타인과 그의 조수 인 Nathan Rosen은 중력파 솔루션을 근사하지 않고 정확한 것을 찾아 내고 문제를 발견했습니다. 그들이 어떻게 좌표계를 설정하려고했는지에 관계없이 그들은 항상 시공간 어딘가에“특이성”을 발견했습니다. 특이점은 파도가 얼마나 큰지에 숫자를 할당 할 수없는 곳을 의미합니다. 이제 진실은,이 특이점은 단지 좌표 단일 이었다는 것입니다. 중력파의 실제 문제는 아닙니다.
북극에 대해 생각하십시오. 북극의 경도가 무엇인지 물어 보면“음, 모든 경도 선이 북극을 통과합니다.”라고 말할 것입니다. 우리의 측정 시스템이 여기에서 분해되지만, 그렇다고해서 북극이 존재하지 않거나 거기에 갈 수 없다는 것을 의미하지는 않습니다. 물리적으로 존재합니다. 아인슈타인과 로젠은 혼란 스러웠다. 그들은 거기에 특이점이 있었기 때문에 이것은 중력파가 존재할 수 없다는 증거를 제공했다고 생각했습니다. 그래서 그들은이 논문을 썼고 물리적 리뷰 에 보냈습니다. . 그리고 심판은 실수의 가능성을 지적하는 10 페이지의 보고서를 썼으며, 이는 아인슈타인으로 돌아 왔습니다. 그는 매우 화나게 반응하고 종이를 철회했다.
그리고 어떤 사람들은 중력파가 존재하더라도 느끼는 것이 불가능할 것이라고 주장하기 시작했습니다.
.1955 년에 Nathan Rosen은 중력파가 에너지를 가지고 있지 않다고 주장하려고 했으므로 실제 의미가없는 공식적인 수학적 구조 일뿐입니다. 그것에 대해 생각하는 좋은 방법은, 내가 바다에 있고 거대한 바다가 부풀어 오면 그곳에 있다는 것을 알지 못할 수도 있습니다. 파도와 함께 일어나서 다시 가라 앉을 것이기 때문에 그곳에 있다는 것을 알지 못할 수도 있습니다. 중력파가 그 깊은 바다 팽창과 같다면, 그들은 실제로 우리와 상호 작용합니까, 아니면 우리 모두가 팽창 속에서 위아래로 함께 움직입니까? 그것은 50 년대에 큰 논쟁이었습니다.
그 질문은 어떻게 해결 되었습니까?
로젠의 주장은 1957 년 뉴욕 주 채플 힐에서 열린 회의에서 제기되었으며, 다행히도 슬프게도 사라진 펠릭스 피 라니 (Felix Pirani)라는 사람이 회의에 왔습니다. 그는 좌표계 의이 모든 문제를 해결하는 매우 실용적인 접근법을 사용하여 일반 상대성이 어떻게 작동하는지 결정했으며, 파도가 입자가 지나갈 때 입자를 앞뒤로 움직일 것임을 보여주었습니다.
.Richard Feynman은 Pirani의 이야기를 들었고 본질적으로“우리는 입자가 움직이는 것을 알고 있기 때문에 우리가해야 할 일은 막대기를 상상하는 것 뿐이며 막대기에 구슬을 넣을 수 있습니다. 파도가 지나갈 때, 비드는 앞뒤로 움직일 것이지만, 스틱의 전자기력이 원자와 전자를 이전과 동일한 위치에 유지하려고 시도하기 때문에 스틱은 단단하게 유지됩니다. 따라서 구슬이 막대기에 닿아 마찰은 에너지를 생성합니다. 그리고 에너지는 중력파에서 나왔을 것입니다. 그래서 나는 파도에 에너지가 있다고 결론을 내립니다.” 그래서이 유명한“끈적 끈적한 구슬”사고 실험은 많은 사람들에게 로젠이 발전한 회의론에 대한 이유가 없다고 확신했습니다. 그리고 Joe Weber와 같은 사람들은 곧 중력파를 감지하기 시작했습니다.
그러나 사람들은 여전히 감지 할 수있을만큼 강한 천체 물리학 적 중력파가 있는지 알지 못했습니다.
오른쪽. 아인슈타인은 누구나 그 행동이 중력파에 의해 측정 값으로 영향을받는 시스템을 찾을 가능성은 거의 없다고 썼다. 그는 전형적인 바이너리 스타 시스템의 파도가 에너지가 거의 없어 질 것이라고 지적했다. 우리는 시스템이 바뀌 었다는 것을 결코 알지 못할 것입니다. 우리가 두 개의 블랙홀에서 볼 수있는 이유는 두 개의 별보다 더 가깝기 때문입니다. 블랙홀은 너무 작지만 너무 커서 서로가 매우 빠르게 움직일 수있을 정도로 가까워 질 수 있습니다. 아인슈타인은 블랙홀의 존재를 믿지 않았기 때문에 중력파를 볼 수있는 방식으로 행동 할 수있는 시스템을 생각할 수 없었습니다.
.Karl Schwarzschild는 1916 년 아인슈타인의 방정식에 대한 검은 색 솔루션을 발견했습니다. 같은 해에 아인슈타인은 중력파를 예측했습니다. 아인슈타인은 왜 그 후 블랙홀을 믿지 않았습니까?
블랙홀 자체는 논란의 여지가 있고 복잡한 역사를 가지고 있으며, Ligo의 탐지는 블랙홀의 존재에 대한 최초의 완전한 증거였습니다. 1916 년 아인슈타인은 Schwarzschild가 물리적 단순화를 방금 발견했다고 생각했습니다. 지구를 단순성을 위해 지구 질량으로 지구 질량으로 취급하는 것처럼, 그들은“Schwarzschild 솔루션”(이제 우리가 블랙홀이라고 부르는 것)을 편의를 위해 포인트 덩어리로 취급했습니다. 그들은 그것이 진정한 일이 될 것이라고 생각하지 않았으며, 당신은 대량을 어느 정도 집중시킬 것입니다. 그들은 그것이 불가능하고 터무니 없다고 생각했습니다. 1930 년대에는 사람들에게 새벽이 시작되었습니다. 점차적으로, 맨해튼 프로젝트의 로스 알라 모스 연구소의 유명한 감독 인 로버트 오펜 하이머 (Robert Oppenheimer)와 같은 사람들은 실제로 슈워츠 차일드 솔루션처럼 보이는 무언가를 만들 때까지 별이 스스로 붕괴 될 수 있음을 보여주기 시작했습니다. 그리고 그 작품은 1960 년대 John Wheeler 's Group에 의해 채택되었으며, 그 중 Kip Thorne은 학생들 중 하나였으며, 그들과 다른 사람들은 블랙홀 이론을 개발했습니다.
사람들은 어떻게 블랙홀을 합병하여 생성 된 중력파가 지구상에서 어떻게 보일지 어떻게 알아 냈습니까?
주요 문제는 무한히 멀리 떨어진 이진 블랙홀 시스템에 파도가 없다는 조건을 부과하는 것이 었습니다. 그러나 실제로는 매우 어렵습니다. 일반적으로 블랙홀 자체를 묘사하는 것보다 매우 먼 중력장 (“무한”또는 지구에서 여기에있는 매우 먼 중력장을 설명하기 위해 완전히 다른 수학 형식주의가 필요하기 때문입니다. 사람들은 1950 년대와 60 년대 에이 계산을 시도 할 것이며 잘못된 답변을 얻을 것입니다. 어떤 경우에는 블랙홀이 실수를 저지르고 수신 파도가 무한히 멀리 떨어진 곳에서 에너지를 가져 오는 파도가 있었기 때문에 블랙홀이 에너지를 잃고 있다는 답을 얻을 것입니다. 그래서 1960 년대에 일어난 일은 영국의 위대한 친척 인 로저 펜 로즈 (Roger Penrose)와 같은 사람들이 시공간 구조에 대한 연구를했다는 것입니다. 그리고 Penrose는 공간과 시간의 가장자리에 하나 이상의 무한대가 있다는 것을 발견했으며, 당신은 당신의 상태를 강요 할 수있는 올바른 무한대를 선택해야합니다. 그리고 다른 사람들은 유체 역학에서 기술을 도입했습니다. 이것들은 단지 많은 다른 개념적, 공식적인 혁신의 예일뿐입니다.
그리고 다음 단계는 Ligo의 탐지기가 픽업 할 수있는 특정 신호를 예측하는 것이 었습니다.
어린 학생으로서 KIP 그룹에서 열린 첫 번째 그룹 회의 중 하나에서 1991 년 정도 - 그는 큰 종이를 가지고 들어 와서 Ligo가 일할 경우 이론 측면에서해야 할 모든 것을 입력했습니다. 신호를 감지 할 수있는 모든 이유는이 특성 스윕이 있고 데이터를 필터링하기 때문입니다. 그러나 신호의 모습을 알고있는 경우에만 필터링 할 수 있으며 이전에 본 적이 없으므로 이론가들이 말하면 어떻게 보이는지 알 수 있습니다. 그래서 Kip은 그룹의 모든 사람들이 이것에 대해 노력하기를 원합니다. 그리고 그것이 우리가 한 일입니다.
Ligo가 블랙홀이 다시 정착되어 더 이상 파도를 방출하지 않는 마지막 단계로 신호를 볼 수있는 시작부터 파형을 예측하고 싶습니다. 그러나 모든 것을 줄 수있는 단일 방법은 없습니다. 첫 번째 단계에서는 당시에 이미 주변에 있던 근사 방법을 사용할 수 있지만, 몇 배 더 많은 수준의 근사치가 필요하다는 것이 깨달았으며, 이는 매우 어려웠습니다. 그런 다음 블랙홀이 병합되면 중력이 미친 듯이 강하기 때문에 슈퍼 컴퓨터에서 계산을 수행하는 수치 방법이 필요합니다. 그렇게하려고했던 많은 그룹들이 있었고 심각한 도전에 직면했습니다. 그들은 작은 시간 이상에 걸쳐 두 개의 블랙홀을 진화시킬 수 없었으므로 전혀 도움이되지 않을 것입니다. 그리고 몇 년 전, 그들은 기본적으로“우리는 선택의 여지가 없습니다. 우리는 우리에게 충돌하지 않는 효과가있는 것을 찾을 때까지 좌표 시스템을 계속 바꿀 것입니다.” 그리고 프랜즈 프레토리우스 (Frans Pretorius)라는 사람이 그렇게 할 방법을 찾았고 그 방법이 그곳에서 이륙했습니다.
이전에 알려지지 않은 천체 물리적 물체에서 중력파를 감지하여 Ligo가“우주에 새로운 창을 열어 줄”이라는 희망이 있습니다. 블랙 홀 합병에서 신호를 인식하는 노력을 고려할 때, 우리는 어떻게 예상치 못한 것을 볼 수 있을까?
그렇습니다. 진정한 흥분은 우리가 기대하지 않은 것을 찾는 것입니다. 한 가지 가능성은 예상치 못한 것이 매우 큰 신호가되어 우리를 도울 수 있다는 것입니다. 원래 리고가 온라인으로 오랫동안 온라인 상태 였고 신호가 매우 커지면 그것을 보았을 수도 있기 때문에 우리의 희망은 다소 약화되었습니다. 예상치 못한 것이 쉽지 않은 것처럼 보이므로 소음에서 신호를 어떻게 파낼 수 있습니까?
한 가지 대답은 사람들이 신호의 모습을 정확하게 알기 위해 자신을 헌신하지 않는 곳을보고있는 특정 종류의 기술이 있지만, 예를 들어,이 예기치 않은 신호는 적어도주기적인 신호 일 것입니다. 그리고 리고는 확실히 그렇게하고 있습니다. 여기에는 "[email protected]"프로젝트가 있어도 가입하면 컴퓨터에 리고 데이터를 보낼 수 있으며 컴퓨터가 간단한 것을 찾는 데 도움이됩니다. 또 다른 접근법은 기계 학습을 사용하여 기계에 신호를 찾도록 가르치는 것입니다. 당신은 당신이 아는 것부터 시작하지만, 시간이 지남에 따라 이러한 기술이 성장하여 그들이 기대하지 않는 것들을 잡기에 충분히 유연 해지는 곳으로 발전 할 것이라는 희망이 있습니다.
.이 이야기에서 무엇을 빼앗아?
나는 노력의 집단적 본질에 충격을 받았다. 협력적인 노력이어야했다. 각 단계는 다음 단계와 연결되어야하기에는 충분히 어려웠습니다. 그리고 집단적 노력은 유리체와 분쟁과 함께 이루어집니다. 사람들은 서로 소리 쳤다. 그러나 인간 본성의 더 미세한 특성이 이겼습니다. 사람들은 분노를 극복했습니다. 아인슈타인은 그의 분노를 극복했다. 사람들은 자신이 틀렸다는 것을 인정했습니다. 그리고 결국, 공동체로서 우리는 그곳에 도착했습니다.
