Nagroda Balzana 2021: Wywiad z fizykiem Thibaut Damour

Z trzema prestiżowymi nagrodami zdobytymi w ciągu zaledwie kilku miesięcy, rok 2021 jest trochę jak Annus mirabilis dla niego. Thibault Damour, profesor fizyki teoretycznej w Instytucie Zaawansowanych Studiów Naukowych (IHES), jest jednym z największych specjalistów w dziedzinie Ogólna teoria względności opracowana przez Einsteina w latach 1907-1915. W ostatnich miesiącach został uhonorowany, wraz z badaczką Alessandrą Bonanno, Medalem Galileo Galilei*, Medalem Diraca**, a ostatnio hojnym Brix BalzanPołowa z darowizny w wysokości 700 000 euro zostanie wykorzystana na sfinansowanie nowego projektu badawczego.

Zwieńczeniem wszystkich tych nagród są te same prace: te, które poświęca słodkości od początku 2000 roku i 14 września 2015 roku, Dzięki niemu po raz pierwszy udało się zarejestrować falę grawitacyjną Wynik połączenia dwóch czarnych dziur. Od tego czasu fale grawitacyjne były wykrywane kilka razy w miesiącu przez interferometry LIGO i Virgo, co pogłębiało naszą wiedzę na temat wszechświata i jego praw. Nauka i przyszłość Rozmawiał z 70-letnim fizykiem, profesorem fizyki teoretycznej w Instytucie Zaawansowanych Studiów Naukowych (IHES).

„Einstein zachęca nas do rozważenia, że ​​przestrzeń nie jest sztywną strukturą, ale elastyczną strukturą”.

Twoja praca odegrała kluczową rolę w odkrywaniu fal grawitacyjnych, ale czy możesz nam przypomnieć, czym one są?

Nie da się opisać tego zjawiska bez uprzedniego powrotu do jednego z wielkich odkryć Einsteina. Jako pierwszy zrozumiał, że prawa geometrii kosmicznej, ogłoszone przez Greków dwa tysiące lat temu, obowiązują tylko w absolutnej próżni, z dala od wszelkiej materii. Na przykład suma kątów trójkąta nie będzie równa 180 stopniom, jeśli ten trójkąt zostanie narysowany w pobliżu ogniska materii. Innymi słowy, obecność materii zniekształca geometrię przestrzeni w sąsiedztwie materii. Rozważmy teraz rozkład mas, który zmienia się w czasie, na przykład dwie gwiazdy krążące wokół siebie. System ten zniekształci geometrię przestrzeni w swoim sąsiedztwie. Teoria Einsteina mówi nam, że to zniekształcenie będzie się rozchodzić jako fala z prędkością światła we wszystkich kierunkach. To właśnie oznacza fala grawitacyjna: geometryczna fala osnowa rozchodząca się ze źródła z prędkością światła we wszystkich kierunkach. Obrazowo możemy powiedzieć, że Einstein zachęca nas do rozważenia, że ​​przestrzeń nie jest stałą, ale elastyczną strukturą, jak galaretka, która może się odkształcać i przez którą mogą przechodzić fale deformacji.

Jakie zdarzenia mogą wytworzyć falę grawitacyjną?

Gwałtowne zdarzenia, takie jak połączenie dwóch czarnych dziur, dwóch gwiazd neutronowych, a nawet gwiazdy neutronowej z czarną dziurą. Detektory LIGO i Virgo zidentyfikowały już fale emitowane podczas tych trzech scenariuszy. Mamy jednak nadzieję, że pewnego dnia będziemy w stanie wykryć fale generowane przez supernową lub rotację pulsara, które są znacznie słabsze niż fale powstałe w wyniku łączenia czarnych dziur czy gwiazd neutronowych. I dlaczego pewnego dnia nie złapać fal samego Wielkiego Wybuchu. Byłoby wspaniale, gdybyśmy mogli uzyskać odpowiednik kosmicznego tła rozchodzącego się w falach grawitacyjnych.

Kredyty: IHES/MCV

Jak przyczyniłeś się do wykrycia tych fal na Ziemi?

Tutaj znowu, aby w pełni zrozumieć rzeczy, musimy cofnąć się w czasie. W latach pięćdziesiątych fizyk Joseph Weber zdał sobie sprawę, że te oscylacje czasoprzestrzeni można wykryć, ponieważ odległość między dwoma obiektami zmieniała się, gdy nadeszła fala. Tylko tutaj to zniekształcenie, które początkowo było już bardzo słabe (rzędu tysiąca) – a dzieje się tak nawet wtedy, gdy jest to zdarzenie ekstremalne, takie jak połączenie dwóch czarnych dziur – zmniejsza się wraz z odwróceniem odległości w miarę propagacji . Nagle fala grawitacyjna wyemitowana przez połączenie dwóch czarnych dziur znajdujących się ponad miliard lat świetlnych od naszego Układu Słonecznego powoduje, że odległość między lustrami LIGO i detektorem interferometrii Virgo zmienia się tylko o jedną miliardową czasu. kukurydza. Tak niewielka fluktuacja jest tracona w szumie tła, który wpływa na chwilowe pomiary tych interferometrów. Możesz też szukać maleńkiej igły w ogromnym stogu siana! Jeśli jednak znamy już wygląd tej igły, nieważne jak małej – w skrócie, jeśli wiemy, kim jesteśmy
Szukam – będziemy już mieli większe szanse na jego odnalezienie. Taką rolę odegraliśmy z Alessandrą Bonanno na początku XXI wieku: dzięki teorii
W nowym (który poprawił się dzięki połączeniu wcześniejszych prac teoretycznych) po raz pierwszy przewidzieliśmy kształt, jaki przybierze sygnał fali grawitacyjnej emitowany przez połączenie dwóch czarnych dziur.

„Wykrycie fal grawitacyjnych pokazuje, że teoria Einsteina poprawnie przewiduje strukturę czarnych dziur”

Jak się czułeś, gdy dowiedziałeś się, że fala grawitacyjna została ostatecznie wykryta 14 września 2015 roku?

Nie należałem do zespołu LIGO i Virgo, więc nie zostałem od razu powiadomiony. Znajomi powiedzieli mi o tym dopiero kilka miesięcy później
przed oficjalnym ogłoszeniem. NSByło to cudowne zaskoczenie pod wieloma względami: po pierwsze dlatego, że to odkrycie ostatecznie potwierdziło, w bezpośredni sposób, starożytną przepowiednię
Century – przepowiednia pośrednio potwierdzona przez uważną obserwację, w latach 1974-1979, ruchu orbitalnego układu podwójnego składającego się z pulsara i gwiazdy neutronowej (obserwacja ta wykazała, że ​​te dwie gwiazdy stopniowo się zbliżały, w doskonałej zgodzie z obecnością fale grawitacyjne). Następnie, ponieważ wynikało to z połączenia dwóch czarnych dziur o masie równej 30-krotności masy Słońca, rząd wielkości uważany nawet wtedy za niemożliwy! Wreszcie, ponieważ z przyjemnością zauważyłam, że moja praca była szeroko cytowana w poście podlinkowanym do ogłoszenia. To była wielka nagroda, ponieważ dziesięć lat wysiłku, jaki Alessandra, ja i nasi bliscy współpracownicy włożyliśmy w rozwój naszej metody, nie zawsze były doceniane. W szczególności przez naszych amerykańskich kolegów, którzy od dawna uważali, że nasze obliczenia teoretyczne nie pasują do ich superkomputerów.

L’image a fait le tour du monde à l’annonce de la premiere détection d’une onde gravitationnelle en février 2016. Il s’agit d’une vue d’artiste de la rencontre de deux trous noirs prowokujące wibracje de l’ czas, przestrzeń. Kredyty: S. Ossokine, A. Buonanno / Max Planck Institute for Gravitational Physics – W. Benger / Airborne Hydro Mapping GmbH

„Istnieje globalny wysiłek, aby lepiej zrozumieć grawitację i jej subtelne związki kwantowe z teoriami pomiarowymi”.

Czego możemy się nauczyć z tych fal?

Najpierw pokazali nam coś bardzo ważnego: teoria Einsteina poprawnie przewiduje strukturę czarnych dziur. Dzieje się tak, ponieważ ostatnia część kształtu fali jest doskonale zgodna z obliczonymi częstotliwościami drgań pojedynczej czarnej dziury powstałej w wyniku połączenia. Na większą skalę fale grawitacyjne są doskonałym narzędziem do lepszego zrozumienia, w jaki sposób te ekstremalne obiekty powstają podczas ewolucji gwiazd. Ponadto udało im się już ograniczyć ewentualne odstępstwa od teorii Einsteina: 17 sierpnia 2017 r. po raz pierwszy zaobserwowano sygnał fali grawitacyjnej odpowiadający połączeniu dwóch gwiazd neutronowych. Tymczasem niezależnie satelita Fermi NASA rejestruje rozbłysk gamma, czyli błysk promieniowania wysokoenergetycznego. W ten sposób zaobserwowaliśmy falę grawitacyjną i falę elektromagnetyczną… dla tego samego zdarzenia! Doprowadziło to do obserwacji, że fale grawitacyjne rozchodzą się z dokładnie taką samą prędkością jak światło. Odrzucił dużą klasę teorii grawitacji.

Co nam pozostało do odkrycia, zrozumienia w ogromnym polu, jakim jest grawitacja?

Grawitacja to w dużej mierze tajemnicza siła. To właśnie motywuje mnie do dalszej pracy w tej specjalności: nasza koncepcja atrakcyjności nieustannie ewoluuje. Na przykład pojawił się bardzo stary pomysł zapoczątkowany przez Einsteina: czy istnieje większa teoria, która obejmuje ogólną teorię względności i interakcje elektromagnetyczne, a także interakcje typu elektromagnetycznego, które działają między cząstkami elementarnymi?

wymusić. Na razie ogólna teoria względności pozostaje oddzielona od teorii, które łączyły trzy inne znane siły natury: elektromagnetyzm oraz silne i słabe oddziaływania jądrowe. Odkrycie teorii łączącej te cztery elementy pozostaje do dziś jednym z największych wyzwań w fizyce.

Einstein marzył o zjednoczeniu grawitacji z innymi siłami i opisaniu materii. Próbie odpowiedzi na to pytanie poświęcił koniec swojego życia. Dopiero dzisiaj widzimy drogę w tym kierunku. W szczególności teoria strun wykazała, że Z kwantowego punktu widzenia istnieje głęboki związek między elektromagnetyzmem (i jego nieliniowymi uogólnieniami, zwanymi „teoriami cechowania”) a powaga. Obecnie uczestniczę w globalnych wysiłkach zmierzających do lepszego zrozumienia grawitacji i jej połączeń kwantowych ukrytych przez teorie cechowania. Mamy również nadzieję, że lepsze zrozumienie grawitacji (w tym poziomu kwantowego) pomoże ulepszyć teoretyczny opis fal grawitacyjnych emitowanych w wyniku połączenia dwóch czarnych dziur. Taka poprawa stanie się wkrótce ważna, ponieważ obserwacje LIGO i Virgo staną się dokładniejsze. Teoria musi podążać!