「重力波はありません…」…「正のXに沿って移動する平面重力波 -軸、したがって見つけることができます … " … " … 重力波は存在しません … " … "重力波は存在しますか?" …「厳密な解決策が存在することが判明しました…」
アルバート・アインシュタインの言葉です。 20 年間、彼は重力波についてあいまいでしたが、空間と時間の構造におけるこれらのうねりが、1915 年の彼の革新的な一般相対性理論によって予測されたのか、それとも除外されたのか確信が持てませんでした。理論の概念的な優雅さ (重力が「時空」の曲線の効果であることを明らかにした) にもかかわらず、その数学は非常に複雑でした。
この問題は先週、高度レーザー干渉計重力波天文台 (Advanced LIGO) の科学者が、10 億光年以上離れた 2 つのブラック ホールの激しい合体から発生する重力波を検出したと報告したときに解決されました。 .この信号を拾うには、「チャープ」と呼ばれる時空での収縮と拡張の小さな突風であり、並外れた技術的手腕が必要でした。しかし、アインシュタインの理論が何を正確に予測しているのかを科学者が決定するのにも100年かかりました.アインシュタインは飲み込むのがさらに難しいことに気づきました
アーカンソー大学の理論物理学者 Daniel Kennefick は、大学院生として LIGO の共同創設者 Kip Thorne と共に一般相対性理論の予測を解明するためにキャリアをスタートさせました。重力波研究の議論の多い歴史に魅了されたケネフィックは、歴史家として副業を始めました。彼は 2007 年の書籍 Traveling at the Speed of Thought の著者です。 :アインシュタインと重力波の探求 、そして昨年彼はAn Einstein Encyclopediaを共著しました .木曜日の大きな発表の前後の議論で、ケネフィックはそれに至るまでの道のりを語り、理論家がここからどこへ向かわなければならないかを説明した。会話の編集および要約版が続きます。
QUANTA MAGAZINE:先週の木曜日の発表はいかがでしたか?
DANIEL KENNEFICK:信じられないほどエキサイティングでした。この分野の非常に物議を醸す歴史を考えると、それがそのような議論の余地のない検出であることは素晴らしいことです.私たちの多くが期待していたように、ノイズから信号を掘り出す必要はありませんでした。実際に自分の目でデータを確認することができました。そして、理論家の観点からは、理論的な予測が現実に非常に近いことに興奮しています.信号があり、その上に 2 つのブラック ホールの合体による波形がどのように見えるかについての予測がありました。
この瞬間に至るまでの重力波研究の歴史をどのように特徴付けますか?
大きな特徴が論争、つまり一連の論争であることは間違いありません。重力波が存在するかどうかについての論争。彼らは本当に存在しますか？彼らはエネルギーを運んでいますか？それらは、私たちが検出できると期待できる方法で存在しますか?存在論的にも:現実とは何か?ここで何かを測定していますか、それとも冗談ですか?
そして、それは最初から真実でした。アインシュタインが重力波について最初に言及したのは、重力波は存在しないと彼が言ったことです。重力波は、100 年前に人々の頭に浮かび始めた非常に大胆で大胆なアイデアでしたが、常にその不確実性がありました。 1 つの質問に答えますが、新しい質問が出てきます。
あなたの本のタイトルにある「思考の速度で旅行する」というフレーズは、この不確実性をどのように捉えていますか?
アインシュタインが 1916 年に [重力波を予測する] 論文を書いたとき、彼は 3 種類の重力波を発見したと考えていました。その年の初め、波が存在しないと思ったとき、彼は間違った座標系を使用していました。彼は同僚の提案で別の座標系に変更し、それによって波があることをよりはっきりと見ることができました。しかし、この座標系自体が一種の波状であるため、彼が見ていると思っていた 2 つの波は、実際には波状の座標系で見られる平らな空間であることが判明しました。本当の波ではありません。
[英国の天文学者で物理学者] アーサー・スタンリー・エディントンは 1922 年にアインシュタインの論文に答え、次の質問に興味を持っていました:重力波は光の速度で移動しますか?答えは、確かにわかっているように、そうです。エディントンはそれを示すために計算を行い、他の 2 つのタイプの波、偽の波は、使用する座標系に応じて任意の速度で移動できることに気付き、これらの偽の波は「思考の速度で移動する」と述べました。 」それは魅力的なフレーズです。なぜなら、一方では懐疑論を示しているからです。「思考の速度で移動する」ことは現実的ではありません。一方で、これは懐疑論の重要性を示しています。結局のところ、3 種類の重力波は存在しないからです。種類は 1 つだけです。
そして、アインシュタインは 1936 年に再び考えを変え、重力波は存在しないと言いました。何が起こったのですか?
アインシュタインと彼のアシスタントであるネイサン・ローゼンは、重力波の正確な [おおよそではなく] 解を見つけようと試み、問題を発見しました。どのように座標系を設定しようとしても、彼らは常に時空のどこかに「特異点」を見つけました。特異点とは、波の大きさに数字を割り当てることができない場所を意味します。実は、この特異点は座標特異点にすぎません。重力波の問題ではありません。
北極について考えてみてください。北極の経度を尋ねたら、「すべての経度線は北極を通っています」と答えるでしょう。私たちの測定システムはそこで壊れますが、それは北極が存在しない、またはそこに行くことができないという意味ではありません.物理的に、それは存在します。だからアインシュタインとローゼンは混乱した。彼らは、そこに特異点があるので、これが重力波が存在しないという証拠になると考えました。彼らはこの論文を書き、Physical Review に送りました。 .そしてレフリーは、ミスの可能性を指摘する10ページのレポートを書き、それはアインシュタインに送り返されました。彼は非常に怒って反応し、論文を撤回しました.
そして、たとえ重力波が存在したとしても、それを感じることはできないだろうと主張し始めました.
1955 年、ネイサン ローゼンは、重力波はエネルギーを運ばないため、実際の物理的意味を持たない形式的な数学的構造にすぎないと主張しようとしました。それについて考える良い方法は、私が海に出ていて、巨大な海のうねりがある場合、それがそこにあることにさえ気付かないかもしれないということです。 、そして私の周りのすべてもそうです。重力波が深海のうねりのようなものである場合、それらは本当に私たちと相互作用しますか、それとも私たち全員がうねりの中で一緒に上下に移動するだけですか?それは 1950 年代に大きな議論になりました。
その質問はどのように解決されましたか?
ローゼンの主張は、1957 年にノースカロライナ州チャペル ヒルで開催された会議で取り上げられました。幸運なことに、フェリックス ピラニという男性が会議に出席しました。彼は、一般相対性理論がどのように機能するかを調べることを決定し、座標系のこの問題全体を回避する非常に実用的なアプローチを使用して、粒子が通過するときに波が粒子を前後に移動させることを示しました.
リチャード・ファインマンはピラニの話を聞いて、本質的にこう言いました。波が通過すると、ビーズは前後に移動しますが、スティック内の電磁力が原子と電子を以前と同じ位置に保持しようとするため、スティックは固定されたままです。そのため、ビーズはスティックに対して引きずられ、摩擦によってエネルギーが生成されます。そして、そのエネルギーは重力波から来ているに違いありません。したがって、波にはエネルギーがあると結論付けます。」したがって、この有名な「スティッキー ビーズ」思考実験は、多くの人々に、ローゼン氏が提唱した懐疑論には何の理由もないと確信させました。その後すぐに、ジョー ウェーバーのような人々が重力波の検出を試み始めました。
しかし、人々はまだ、検出できるほど強力な重力波の天体物理学的発生源があるかどうかを知りませんでしたよね?
右。アインシュタイン は、重力波によって測定可能な影響を受けるようなシステムを誰も見つけることはありそうにないと書いています。彼は、典型的な連星系からの波が持ち去るエネルギーが非常に少ないため、システムが変化したことにさえ気付かないだろうと指摘していましたが、それは真実です. 2 つのブラック ホールからそれを見ることができる理由は、それらが 2 つの星よりも接近しているからです。ブラックホールは非常に小さいのに非常に大きいため、非常に急速に互いの周りを移動するのに十分なほど接近することができます.アインシュタインはブラック ホールの存在を信じていなかったので、重力波を見ることができるように動作するシステムを思いつくことができませんでした。
カール・シュヴァルツシルトは、アインシュタインが重力波を予言したのと同じ 1916 年に、アインシュタインの方程式に対するブラックホールの解を発見しました。その後、アインシュタインがブラックホールを信じなかったのはなぜですか?
ブラック ホール自体には非常に物議を醸す複雑な歴史があり、LIGO の検出は、ブラック ホールの存在を本当に完全に証明した最初のものでした。 1916 年、アインシュタインは、シュヴァルツシルトが物理的な単純化を発見したと考えました。単純化するために地球を点質量 [その質量が点に集中している] として扱うのと同じように、彼らは「シュヴァルツシルト解」、つまり現在私たちがブラック ホールと呼んでいるものを考えました。 — 便宜上、太陽を点質量として扱いました。彼らは、質量をある点に集中させることが現実のものになるとは考えていませんでした。彼らはそれは不可能で、とんでもないことだと思っていました。 1930 年代までに、人々は「理論がそれを防いでいることは完全には明らかではありません」と気づき始めていました。マンハッタン プロジェクトのロス アラモス研究所の有名な所長であるロバート オッペンハイマーのような人々は、星が実際にシュヴァルツシルトの解のように見えるものを実際に作成するまで崩壊する可能性があることを徐々に示し始めました。そして、その研究は 1960 年代に、キップ ソーンが学生の 1 人であったジョン ウィーラーのグループによって取り上げられ、彼らと他の人々はブラック ホールの理論を発展させました。
では、ブラック ホールの合体によって生成される重力波が地球上でどのように見えるかを、人々はどのように解明したのでしょうか?
重要な問題は、無限遠から連星ブラック ホール システムに波が入ってくるのではなく、無限に出て行く波のみという条件を課すことでした。しかし、それを実際に行うのは非常に困難です。通常、非常に遠い重力場 (「無限大」または地球の外) を記述するには、ブラック ホール自体を記述する必要があるのとはまったく異なる数学的形式が必要になるからです。人々は 1950 年代と 60 年代にこの計算を試み、間違った答えを出しました。場合によっては、ブラック ホールがエネルギーを失うのではなく、エネルギーを獲得しているという答えが得られることもありました。これは、彼らが間違いを犯し、無限に遠くからエネルギーをもたらす到来波があったためです。 1960 年代に起こったことは、イギリスの偉大な相対主義者であるロジャー ペンローズのような人々が時空の構造を研究したことです。そしてペンローズは、空間と時間の境界に複数の無限があることを発見しました。そして、条件を課す適切な無限を選択する必要があります。そして、他の人々が流体力学から技術を導入しました。これらは、実現しなければならなかったさまざまな概念的および定型的な突破口の例にすぎません。
次のステップは、LIGO の検出器が検出する可能性のある特定の信号を予測することでした。
若い学生としてキップのグループでの最初のグループミーティングの 1 つ (これは 1991 年かそこらのことでした) で、彼は大きな紙を持ってやって来て、LIGO を使用する場合に理論面で行う必要があるすべてのことをタイプアップしていました。仕事に行く。信号を検出できるのは、この特徴的なスイープがあり、それに対してデータをフィルタリングするためです。ただし、信号がどのように見えるかを知っている場合にのみフィルタリングできます。また、これまでに見たことがないため、理論家が教えてくれなければ、どのように見えるかを知ることはできません.そこでキップは、グループの全員にこれに取り組んでもらいたいと言いました。
LIGO が信号を認識できると考えられる最初の段階から、ブラック ホールが再び落ち着いて波を放出しなくなる最終段階までの波形を予測したいと考えています。しかし、すべてを提供できる単一の方法はありません。最初の段階では、当時すでに存在していた近似法を使用できますが、数桁多い近似レベルが必要になることがわかり、これは非常に困難でした。そして、ブラックホールが合体するとき、重力は非常に強いので、スーパーコンピューターで計算を行う数値的方法が必要になります。それをやろうとしているグループはたくさんありましたが、彼らは深刻な課題に直面していました.彼らは 2 つのブラック ホールをわずかな時間で進化させることができませんでした。そして数年前、彼らは基本的に次のように決定しました。クラッシュしない機能が見つかるまで、座標系を変更し続けます。」そして Frans Pretorius という男がそれを行う方法を見つけ、その方法がそこから始まりました。
これまで知られていなかった天体からの重力波を検出することで、LIGO が「宇宙に新しい窓を開く」という希望があります。ブラックホールの合体からの信号を認識するために費やされた努力を考えると、どのようにして予期しないものを見ることができるのでしょうか?
はい、本当の興奮は、私たちが予期していなかったものを見つけることです. 1 つの可能性は、予期せぬことが非常に大きなシグナルであることによって、私たちを助けてくれるかもしれないということです。元の LIGO はかなり長い間オンラインであり、信号が非常に大きかった場合はそれを認識していた可能性があるため、それに対する私たちの期待はやや弱められました。予想外のことは簡単ではないように見えますが、どうすればノイズの中から信号を掘り出すことができるでしょうか?
答えの 1 つは、信号がどのように見えるかを正確に知ることに専念するのではなく、特定の種類の規則性を探すだけである、人々が注目している特定の種類の手法があるということです。たとえば、この予期しない信号は少なくとも周期的な信号。そして、LIGO は確かにそれを行っています。彼らは「[email protected]」プロジェクトさえ持っており、これにサインアップすると、LIGO データの一部が自宅のコンピューターに送信され、コンピューターはそのような単純なものを探すのに役立ちます.もう 1 つのアプローチは、機械学習を使用して、機械に信号を探すように教えることです。知っていることから始めますが、時間が経つにつれて、これらの手法が成長し、予想外のものを検出するのに十分な柔軟性を持つようになる可能性があります。
この話から何を学べますか?
私は、努力の集合的な性質に感銘を受けました。それは共同作業でなければなりませんでした。各ステップは非常に難しく、次のステップにリンクする必要がありました。そして集団的努力には、辛辣さと論争が伴います。人々はお互いに叫びました。しかし、人間性の優れた性質が勝った。人々は怒りを乗り越えました。アインシュタインは怒りを克服した.人々は自分が間違っていたことを認めました。そして最終的に、私たちはコミュニティとしてそこにたどり着きました.
