23 أكتوبر 2023 (أخبار Nanowerkفي عام 2015، دخل مرصد قياس التداخل الليزري لموجات الجاذبية، أو LIGO، التاريخ عندما قام بأول اكتشاف مباشر لموجات الجاذبية، أو التموجات في المكان والزمان، الناتجة عن زوج من الثقوب السوداء المتصادمة. منذ ذلك الحين، اكتشف مرصد LIGO، الممول من مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (NSF)، وشقيقه الكاشف في أوروبا، Virgo، موجات الجاذبية الناتجة عن عشرات عمليات الاندماج بين الثقوب السوداء، وكذلك من الاصطدامات بين فئة ذات صلة من البقايا النجمية تسمى النجوم النيوترونية. يكمن جوهر نجاح مرصد LIGO في قدرته على قياس تمدد وضغط نسيج الزمكان على مقاييس أصغر بـ 10 آلاف تريليون مرة من شعرة الإنسان. وعلى الرغم من صغر حجم هذه القياسات بشكل غير مفهوم، إلا أن دقة مرصد LIGO ظلت محدودة بقوانين فيزياء الكم. في المقاييس دون الذرية الصغيرة جدًا، يمتلئ الفضاء الفارغ بطقطقة خافتة من الضوضاء الكمومية، التي تتداخل مع قياسات مرصد LIGO وتحد من مدى حساسية المرصد.
قام مرصد LIGO بأول اكتشاف تاريخي مباشر لموجات الجاذبية في عام 2015، ومنذ ذلك الحين، بالتعاون مع نظيره الأوروبي فيرجو، اكتشف العديد من عمليات اندماج الثقوب السوداء وتصادمات النجوم النيوترونية.
لقد كان الضجيج الكمي عاملاً مقيدًا في قياسات مرصد ليغو، مما أدى إلى تقييد حساسيته بسبب عدم القدرة على التنبؤ بفيزياء الكم على المقاييس دون الذرية.
قدم باحثو مرصد LIGO تقنية كمومية جديدة تسمى "الضغط المعتمد على التردد" والتي تتجاوز هذا القيد، مما يتيح إجراء قياسات عبر نطاق LIGO الكامل من ترددات الجاذبية القابلة للاكتشاف.
ومن المتوقع أن يؤدي تطبيق هذه التكنولوجيا الجديدة، التي تم تشغيلها منذ شهر مايو، إلى زيادة عمليات الاكتشاف بنحو 60%، مما يعزز قدرات مرصد LIGO على دراسة الأحداث الكونية التي تؤثر على الزمكان.
لا يؤدي هذا الإنجاز الكمي إلى تطوير اكتشاف موجات الجاذبية فحسب، بل يحمل أيضًا إمكانات لتقنيات الكم المستقبلية وتجارب الفيزياء الأساسية.
تم التقاط هذه الصورة لمصدر الضوء المضغوط من أحد منافذ العرض في الغرفة في الوقت الذي كانت فيه العصارة تعمل ويتم ضخها بالضوء الأخضر. (الصورة: Georgia Mansell/LIGO Hanford Observatory) منذ عام 2019، تعمل كاشفات LIGO المزدوجة على ضغط الضوء بطريقة تؤدي إلى تحسين حساسيتها لنطاق التردد العلوي لموجات الجاذبية التي تكتشفها. ولكن، بنفس الطريقة التي يؤدي بها الضغط على أحد جانبي البالون إلى تمدد الجانب الآخر، فإن الضغط على الضوء له ثمن. ومن خلال جعل قياسات مرصد ليجو أكثر دقة عند الترددات العالية، أصبحت القياسات أقل دقة عند الترددات المنخفضة. "في مرحلة ما، إذا قمت بمزيد من الضغط، فلن تكسب الكثير. يشرح بارسوتي: "كنا بحاجة إلى الاستعداد لما سيأتي بعد ذلك في قدرتنا على اكتشاف موجات الجاذبية". الآن، تسمح تجاويف LIGO الضوئية الجديدة المعتمدة على التردد - وهي أنابيب طويلة يبلغ طولها حوالي ثلاثة ملاعب كرة قدم - للفريق بضغط الضوء بطرق مختلفة اعتمادًا على تردد موجات الجاذبية محل الاهتمام، وبالتالي تقليل الضوضاء عبر نطاق تردد LIGO بأكمله. تقول رانا أديكاري، عضو فريق ليجو، وأستاذة الفيزياء في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: "في السابق، كان علينا أن نختار المكان الذي أردنا أن يكون فيه مرصد LIGO أكثر دقة". "الآن يمكننا أن نأكل كعكتنا ونحصل عليها أيضًا. لقد عرفنا منذ فترة كيف نكتب المعادلات لإنجاح هذا الأمر، لكن لم يكن من الواضح أننا قادرون على إنجاحه حتى الآن. إنه مثل الخيال العلمي."
الوجبات السريعة الرئيسية
البحث
والآن أكتب في المجلة مراجعة البدنية X ("التعزيز الكمي عريض النطاق لكاشفات LIGO باستخدام الضغط المعتمد على التردد")، أفاد باحثو LIGO عن تقدم كبير في تقنية الكم تسمى "الضغط" والتي تسمح لهم بالالتفاف حول هذا الحد وقياس التموجات في الزمكان عبر النطاق بأكمله من ترددات الجاذبية التي اكتشفها LIGO.[المحتوى جزءا لا يتجزأ]
تعني تقنية "الضغط المعتمد على التردد" الجديدة، والتي تعمل في مرصد LIGO منذ أن تم تشغيلها مرة أخرى في مايو من هذا العام، أن أجهزة الكشف يمكنها الآن استكشاف حجم أكبر من الكون ومن المتوقع أن تكتشف عمليات اندماج أكثر بحوالي 60 بالمائة من ذي قبل. . وهذا يعزز بشكل كبير قدرة مرصد LIGO على دراسة الأحداث الغريبة التي تهز المكان والزمان. تقول ليزا بارسوتي، عالمة أبحاث بارزة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والتي أشرفت على تطوير تقنية LIGO الجديدة، وهو مشروع كان يتضمن في الأصل تجارب بحثية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بقيادة مات إيفانز: "لا يمكننا التحكم في الطبيعة، لكن يمكننا التحكم في أجهزة الكشف لدينا". أستاذ الفيزياء، ونرجس مافالفالا، أستاذ الفيزياء الفلكية في كورتيس وكاثلين ماربل وعميد كلية العلوم. ويشمل الجهد الآن عشرات العلماء والمهندسين المقيمين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، ومرصدي LIGO التوأم في هانفورد، واشنطن، وليفينغستون، لويزيانا. "يتطلب مشروع بهذا الحجم عدة أشخاص، بدءًا من المرافق ووصولاً إلى الهندسة والبصريات - وهو في الأساس النطاق الكامل لمختبر LIGO مع مساهمات مهمة من التعاون العلمي لـ LIGO. يقول بارسوتي: "لقد كان جهدًا كبيرًا أصبح أكثر صعوبة بسبب الوباء". يوضح لي ماكولر، أستاذ الفيزياء المساعد في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا وأحد قادة الدراسة الجديدة: "الآن بعد أن تجاوزنا هذا الحد الكمي، يمكننا القيام بالمزيد من علم الفلك". "يستخدم LIGO أشعة الليزر والمرايا الكبيرة لإجراء ملاحظاته، لكننا نعمل على مستوى من الحساسية يعني أن الجهاز يتأثر بعالم الكم." النتائج لها أيضًا تداعيات على التقنيات الكمومية المستقبلية مثل أجهزة الكمبيوتر الكمومية وغيرها من الإلكترونيات الدقيقة بالإضافة إلى تجارب الفيزياء الأساسية. يقول مكولر: "يمكننا أن نأخذ ما تعلمناه من مرصد ليغو ونطبقه على المسائل التي تتطلب قياس المسافات دون الذرية بدقة مذهلة". يقول سيثورامان بانشاناثان، مدير NSF: "عندما استثمرت NSF لأول مرة في بناء كاشفات LIGO المزدوجة في أواخر التسعينيات، كنا متحمسين لإمكانية مراقبة موجات الجاذبية". "لم تكن هذه الكاشفات قادرة على تحقيق اكتشافات رائدة فحسب، بل أطلقت العنان أيضًا لتصميم وتطوير تقنيات جديدة. يعد هذا نموذجًا حقًا للحمض النووي لـ NSF - الاستكشافات المدفوعة بالفضول والمقترنة بالابتكارات المستوحاة من الاستخدام. ومن خلال عقود من الاستثمارات المستمرة وتوسيع الشراكات الدولية، يستعد LIGO بشكل أكبر لتعزيز الاكتشافات الغنية والتقدم التكنولوجي. تملي قوانين فيزياء الكم أن الجسيمات، بما في ذلك الفوتونات، سوف تدخل وتخرج بشكل عشوائي من الفضاء الفارغ، مما يخلق هسهسة خلفية من الضوضاء الكمومية التي تجلب مستوى من عدم اليقين إلى قياسات LIGO المعتمدة على الليزر. يعد الضغط الكمي، الذي تعود جذوره إلى أواخر السبعينيات، طريقة لإسكات الضوضاء الكمومية، أو بشكل أكثر تحديدًا، لدفع الضوضاء من مكان إلى آخر بهدف إجراء قياسات أكثر دقة. يشير مصطلح الضغط إلى حقيقة أنه يمكن التلاعب بالضوء مثل حيوان البالون. لتكوين كلب أو زرافة، يمكن للمرء أن يضغط جزءًا من بالون طويل إلى مفصل صغير محدد بدقة. ولكن بعد ذلك سوف ينتفخ الجانب الآخر من البالون إلى حجم أكبر وأقل دقة. وبالمثل، يمكن ضغط الضوء ليكون أكثر دقة في سمة واحدة، مثل تردده، ولكن النتيجة هي أنه يصبح غير مؤكد في سمة أخرى، مثل قوته.
تم التقاط هذه الصورة لمصدر الضوء المضغوط من أحد منافذ العرض في الغرفة في الوقت الذي كانت فيه العصارة تعمل ويتم ضخها بالضوء الأخضر. (الصورة: Georgia Mansell/LIGO Hanford Observatory) منذ عام 2019، تعمل كاشفات LIGO المزدوجة على ضغط الضوء بطريقة تؤدي إلى تحسين حساسيتها لنطاق التردد العلوي لموجات الجاذبية التي تكتشفها. ولكن، بنفس الطريقة التي يؤدي بها الضغط على أحد جانبي البالون إلى تمدد الجانب الآخر، فإن الضغط على الضوء له ثمن. ومن خلال جعل قياسات مرصد ليجو أكثر دقة عند الترددات العالية، أصبحت القياسات أقل دقة عند الترددات المنخفضة. "في مرحلة ما، إذا قمت بمزيد من الضغط، فلن تكسب الكثير. يشرح بارسوتي: "كنا بحاجة إلى الاستعداد لما سيأتي بعد ذلك في قدرتنا على اكتشاف موجات الجاذبية". الآن، تسمح تجاويف LIGO الضوئية الجديدة المعتمدة على التردد - وهي أنابيب طويلة يبلغ طولها حوالي ثلاثة ملاعب كرة قدم - للفريق بضغط الضوء بطرق مختلفة اعتمادًا على تردد موجات الجاذبية محل الاهتمام، وبالتالي تقليل الضوضاء عبر نطاق تردد LIGO بأكمله. تقول رانا أديكاري، عضو فريق ليجو، وأستاذة الفيزياء في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: "في السابق، كان علينا أن نختار المكان الذي أردنا أن يكون فيه مرصد LIGO أكثر دقة". "الآن يمكننا أن نأكل كعكتنا ونحصل عليها أيضًا. لقد عرفنا منذ فترة كيف نكتب المعادلات لإنجاح هذا الأمر، لكن لم يكن من الواضح أننا قادرون على إنجاحه حتى الآن. إنه مثل الخيال العلمي."
عدم اليقين في عالم الكم
تتكون كل منشأة من منشآت LIGO من ذراعين يبلغ طولهما 4 كيلومترات متصلتين لتشكلان شكل "L". تنتقل أشعة الليزر إلى أسفل كل ذراع، وتضرب المرايا المعلقة العملاقة، ثم تعود إلى حيث بدأت. عندما تجتاح موجات الجاذبية الأرض، فإنها تتسبب في تمدد أذرع مرصد LIGO والضغط عليها، مما يؤدي إلى خروج أشعة الليزر عن التزامن. وهذا يتسبب في تداخل الضوء الموجود في الشعاعين مع بعضهما البعض بطريقة محددة، مما يكشف عن وجود موجات الجاذبية. ومع ذلك، فإن الضجيج الكمومي الكامن داخل الأنابيب المفرغة التي تغلف أشعة الليزر في مرصد LIGO يمكن أن يغير توقيت الفوتونات في الحزم بكميات صغيرة جدًا. يشبه ماكولر حالة عدم اليقين هذه في ضوء الليزر بعلبة BBs. "تخيل التخلص من علبة مليئة بـ BBs. لقد اصطدموا جميعًا بالأرض وقاموا بالنقر والطقطقة بشكل مستقل. تضرب BBs الأرض بشكل عشوائي، وهذا يخلق ضجيجًا. وقال في مقابلة مع معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: "فوتونات الضوء تشبه BBs وتضرب مرايا LIGO في أوقات غير منتظمة". وقال مكولر إن تقنيات الضغط التي تم وضعها منذ عام 2019 تجعل "الفوتونات تصل بشكل أكثر انتظاما، كما لو كانت الفوتونات متشابكة بدلا من السفر بشكل مستقل". تتمثل الفكرة في جعل تردد أو توقيت الضوء أكثر يقينًا والسعة أو الطاقة أقل يقينًا كوسيلة لتقليل تأثيرات الفوتونات المشابهة لـ BB. يتم تحقيق ذلك بمساعدة بلورات متخصصة تعمل بشكل أساسي على تحويل فوتون واحد إلى زوج من فوتونين متشابكين أو متصلين بطاقة أقل. لا تقوم البلورات بضغط الضوء بشكل مباشر في أشعة الليزر الخاصة بمرصد LIGO؛ بل تقوم بضغط الضوء الشارد في فراغ أنابيب LIGO، ويتفاعل هذا الضوء مع أشعة الليزر ليضغط ضوء الليزر بشكل غير مباشر. يقول بارسوتي: "إن الطبيعة الكمومية للضوء هي التي تخلق المشكلة، لكن فيزياء الكم تعطينا الحل أيضًا".فكرة بدأت منذ عقود
يعود مفهوم الضغط نفسه إلى أواخر السبعينيات، بدءاً من الدراسات النظرية التي أجراها عالم الفيزياء الروسي الراحل فلاديمير براغنسكي؛ كيب ثورن، أستاذ ريتشارد بي. فاينمان للفيزياء النظرية، فخري في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا؛ وكارلتون كيفز، الأستاذ الفخري في جامعة نيو مكسيكو. كان الباحثون يفكرون في حدود القياسات والاتصالات القائمة على الكم، وقد ألهم هذا العمل واحدًا من أولى العروض التجريبية للضغط في عام 1970 على يد إتش. جيف كيمبل، أستاذ الفيزياء في ويليام إل. فالنتاين، الفخري في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. قارن Kimble الضوء المضغوط بالخيار. يتم دفع يقين قياسات الضوء إلى اتجاه أو ميزة واحدة فقط، مما يحول "الملفوف الكمومي إلى خيار كمي". كتب في مقال في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا علم الهندسة مجلة في عام 1993. في عام 2002، بدأ الباحثون بالتفكير في كيفية ضغط الضوء في كاشفات LIGO، وفي عام 2008، تم تحقيق أول عرض تجريبي لهذه التقنية في منشأة اختبار بطول 40 مترًا في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. في عام 2010، طور باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تصميمًا أوليًا لعصارة LIGO، واختبروه في موقع LIGO في هانفورد. كما أقنع العمل الموازي الذي تم إجراؤه في كاشف GEO600 في ألمانيا الباحثين بأن الضغط قد ينجح. وبعد تسع سنوات، في عام 2019، وبعد العديد من التجارب والعمل الجماعي الدقيق، بدأ مرصد LIGO في عصر الضوء لأول مرة. تقول شيلا دواير، التي تعمل في المشروع منذ عام 2008، في البداية كطالبة دراسات عليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ثم كعالمة في مرصد LIGO هانفورد بدءًا من عام 2013: "لقد مررنا بالكثير من عمليات استكشاف الأخطاء وإصلاحها". في أواخر السبعينيات، ولكن الأمر استغرق عقودًا من الزمن لتصحيح الأمر.الكثير من الشيء الجيد
ومع ذلك، كما ذكرنا سابقًا، هناك مقايضة تأتي مع الضغط. ومن خلال تحريك الضوضاء الكمومية خارج توقيت أو تردد ضوء الليزر، وضع الباحثون الضوضاء في سعة أو قوة ضوء الليزر. تقوم أشعة الليزر الأكثر قوة بعد ذلك بدفع مرايا مرصد LIGO الثقيلة مما يتسبب في حدوث ضوضاء غير مرغوب فيها تتوافق مع الترددات المنخفضة لموجات الجاذبية. تحجب هذه الأصوات قدرة أجهزة الكشف على استشعار موجات الجاذبية منخفضة التردد. يقول دروفا جاناباثي، وهو طالب دراسات عليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وأحد المؤلفين الأربعة المشاركين في الدراسة الجديدة: "على الرغم من أننا نستخدم الضغط لوضع النظام في نظامنا، والحد من الفوضى، إلا أن هذا لا يعني أننا نفوز في كل مكان". . "ما زلنا ملتزمين بقوانين الفيزياء." المؤلفون الثلاثة الآخرون للدراسة هم طالب الدراسات العليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وينكسوان جيا، وماسايوكي ناكانو، باحث ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وفيكتوريا شو. لسوء الحظ، يصبح هذا الهدير المزعج مشكلة أكبر عندما يقوم فريق LIGO بزيادة طاقة أشعة الليزر الخاصة به. يقول مكولر: "يؤدي الضغط وزيادة الطاقة إلى تحسين دقة الاستشعار الكمي لدينا إلى النقطة التي نتأثر فيها بعدم اليقين الكمي". "كلاهما يسبب المزيد من دفع الفوتونات، مما يؤدي إلى اهتزاز المرايا. تضيف طاقة الليزر ببساطة المزيد من الفوتونات، في حين أن الضغط عليها يجعلها أكثر تكتلًا وبالتالي خشخشة.الفوز
الحل هو ضغط الضوء بطريقة واحدة للترددات العالية لموجات الجاذبية وطريقة أخرى للترددات المنخفضة. إنه مثل التحرك ذهابًا وإيابًا بين الضغط على البالون من الأعلى والأسفل ومن الجوانب. يتم تحقيق ذلك عن طريق تجويف الضغط الجديد المعتمد على التردد الخاص بمرصد LIGO، والذي يتحكم في المراحل النسبية لموجات الضوء بطريقة تمكن الباحثين من نقل الضوضاء الكمومية بشكل انتقائي إلى سمات مختلفة للضوء (الطور أو السعة) اعتمادًا على نطاق تردد الضوء. موجات الجاذبية. يقول غاناباثي: "صحيح أننا نقوم بهذا الشيء الكمي الرائع حقًا، لكن السبب الحقيقي لذلك هو أنها أبسط طريقة لتحسين حساسية مرصد LIGO". "وإلا لكان علينا أن نرفع مستوى الليزر، الذي له مشاكله الخاصة، أو سنضطر إلى زيادة أحجام المرايا بشكل كبير، وهو ما سيكون مكلفا". ومن المرجح أيضًا أن يستخدم مرصد فيرجو، شريك ليجو، تقنية الضغط المعتمدة على التردد خلال الفترة الحالية، والتي ستستمر حتى نهاية عام 2024 تقريبًا. سوف تجني أيضًا أجهزة الكشف عن موجات الجاذبية الأكبر حجمًا من الجيل التالي، مثل المستكشف الكوني الأرضي المخطط له، فوائد الضوء المضغوط. بفضل تجويفه العصري الجديد المعتمد على التردد، يستطيع مرصد LIGO الآن اكتشاف المزيد من تصادمات الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية. يقول جاناباثي إنه متحمس للغاية لالتقاط المزيد من تصادمات النجوم النيوترونية. "مع المزيد من الاكتشافات، يمكننا مشاهدة النجوم النيوترونية تمزق بعضها البعض ومعرفة المزيد عما بداخلها." يقول بارسوتي: "لقد استفدنا أخيرًا من عالم الجاذبية الخاص بنا". "في المستقبل، يمكننا تحسين حساسيتنا بشكل أكبر. أود أن أرى إلى أي مدى يمكننا المضي قدمًا". تحمل دراسة Physical Review X عنوان "التعزيز الكمي واسع النطاق لكاشفات LIGO من خلال الضغط المعتمد على التردد". ساهم العديد من الباحثين الإضافيين في تطوير عمل الضغط والضغط المعتمد على التردد، بما في ذلك مايك زوكر من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وغاريلين بيلينجسلي من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، قادة ترقيات "LIGO Plus المتقدمة" التي تتضمن تجويف الضغط المعتمد على التردد؛ دانييل سيج من مرصد LIGO هانفورد؛ وآدم مولافي من مختبر ليغو ليفينغستون؛ ومجموعة ديفيد ماكليلاند من الجامعة الوطنية الأسترالية. يدير تعاون LIGO-Virgo-KAGRA شبكة من أجهزة كشف موجات الجاذبية في الولايات المتحدة وإيطاليا واليابان. يتم تشغيل مختبر LIGO من قبل معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، ويتم تمويله من قبل NSF مع مساهمات في أجهزة كشف LIGO المتقدمة من ألمانيا (جمعية ماكس بلانك) والمملكة المتحدة. (مجلس مرافق العلوم والتكنولوجيا)، وأستراليا (مجلس البحوث الأسترالي). تتم إدارة برج العذراء من قبل المرصد الأوروبي للجاذبية (EGO) ويتم تمويله من قبل المركز الوطني للبحث العلمي (CNRS) في فرنسا، والمعهد الوطني للفيزياء النووية (INFN) في إيطاليا، والمعهد الوطني للفيزياء دون الذرية (Nikhef). في هولندا.- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://www.nanowerk.com/news2/space/newsid=63920.php
