重力波を捉える新しい方法

 (nature.com)
1 ポイント 投稿者 GN⁺ 2024-06-30 | 1件のコメント | WhatsAppで共有
  • 重力波観測は、2015年の最初の直接検出を契機に、現代物理学の重要な実験分野として定着した
  • 当時2015年9月に観測された信号は、5分の1秒にわたって続いた振動であり、物理学の歴史的な転換点となった
  • この信号は重力波の最初の直接検出につながり、時空のゆらぎを直接観測したという点で大きな意味を持つ
  • 重力波は時空の幾何のゆらぎであり、宇宙を光の速度で伝わる
  • 入力に含まれる抜粋には、タイトルが予告する5つの新しい検出方法の名称や動作原理は含まれていない

2015年の最初の直接検出

  • 2015年9月、5分の1秒にわたって続いた振動が、物理学の歴史を変えた出来事として扱われる
  • この振動は重力波の最初の直接検出だった
  • 重力波は時空の幾何学的構造に生じるゆらぎである
  • このゆらぎは宇宙を光の速度で伝わる

確認可能な本文範囲

  • タイトルは、重力波を捉える5つの新しい方法と、それが明らかにする秘密を予告している
  • 提供された抜粋には、各手法の名称、動作原理、観測対象、科学的成果は含まれていない
  • 残りの確認可能なテキストの大半は、アクセスオプション、購読案内、参考文献など本文外の項目である

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1件のコメント

 
GN⁺ 2024-06-30
Hacker Newsの意見

  • 現在の干渉計とはまったく異なる設計だった第1世代の重力波検出器は、歴史の中でほとんど忘れられたように見える
    当時の装置は機能せず、Weberが1987年にSN1987Aから重力波を検出したと主張した件も広く信頼を失った
    https://en.wikipedia.org/wiki/Weber_bar

    • LIGOがあり装置もさらに高精度になった今、このアプローチを再検証した人がいるのか気になる
      Weber barに関する文章では、実験の基礎理論そのものへの反対はあまり見かけなかったが、現在の理解でも検出可能な効果が期待できるのか知りたい
      LIGOをもう1基建てるより、Weber barを数百〜数千個作って信号処理するほうが安くならないのかと思うし、宇宙にWeber barを置くことも想像できる
    • この分野で今第1世代と言う場合、通常はWeber barではなく最初のLIGO、つまりAdvanced LIGO以前のバージョンを指す
      Weber barは単に動作しなかっただけでなく、ほとんどの物理学者の基準ではそもそも動作しえないと考えられており、Weber本人は当然それに同意していなかった

  • 非常に狭い周波数帯、最大1000Hzからずっと広い範囲へ行けば、理論的には周波数変調のような形で情報を載せられるかもしれない
    十分に発達した文明なら重力通信を検討することもあるのではないかと思うし、電磁波でそうするように何らかの「自然周波数」でHello, worldを探すべきなのではないかと気になる

    • この方法で通信する利点がよく見えない
      送信する1ビットあたりに必要なエネルギーが莫大になりそうで、理論的に可能だとしても通信目的では欠点ばかりで利点はほとんどなさそうだ
      ただし、巨大な宇宙船が光速に近い速度まで加速するときに生じる重力波で地球外文明を見つけられるかを扱ったPBS Space Timeのエピソードを思い出した
      https://www.pbs.org/video/could-ligo-find-massive-alien-spac...
    • 重力波もやはり光速の制限を受けるなら、どんな利点があるのか分からない
      障害物を回避できるのだろうか。見通し線の代わりにブラックホールや恒星のような大きな重力歪みが干渉源になるだけで、干渉そのものは起こりうる気がする
      謙遜条項: 自分でも何を言っているのかよく分かっていない
    • 否定的な反応が多いが、十分ありうる理由を1つ思いつく
      人類と地球上の多くの種は、放射スペクトルのごく狭い帯域しか見ることができない
      ある高度な文明はそうした感覚を発達させず、代わりに重力エネルギーとより密接に結びつく形で進化したのかもしれない。結局のところ宇宙の話なのだから
    • そのような送信機がどう動作するのか本当に想像がつかない
      重力波を作るために惑星サイズの物体を動かすのだろうか？
      もちろん、「私たちの知らない高度な技術を使う」という形の回避的な答えが実際には正しいのかもしれない
    • このアイデアはThe Three Body Problem三部作に出てきた
      問題は信号を変調することで、唯一の方法は大きな質量を高速で動かすことだ

  • LIGO施設は無料で見学できる
    数年前にHanford施設を訪れたが、事前講演も含まれていて、施設全体を見て回り、管制室にまで入ることができた。本当にすばらしい人たちだった
    https://www.ligo.caltech.edu/WA/page/lho-public-tours

    • LIGO Hanfordに行くなら、近くのB Reactorツアーも見逃せない
      最初の実物大原子炉だ
    • 参加可能な日程がDEFCONの期間しかないが、いつかぜひ行ってみたい

  • LISAが言及されていないのは驚きだ
    250万km間隔で編隊飛行する衛星3機を使う宇宙ベースの重力波検出器で、2035年の打ち上げを予定している本当にすごい工学プロジェクトだ
    https://en.m.wikipedia.org/wiki/Laser_Interferometer_Space_A...

    • 本文で言及されている
      「研究者たちは今や地上と宇宙の両方で複数の次世代LIGO型観測所を開発中で、宇宙側にはLaser Interferometer Space Antennaがある」というくだりだ
    • LISAは1990年代初頭にESAのミッションとして最初に提案された
      子どものころLISAについて読んだ記憶があるが、そのときは遠い未来である2015年に打ち上げ予定だった
      今では、実際に2035年に打ち上がるとしたらむしろ驚くだろう

  • すでに計画されている探査機を重力波検出器として使おうという新提案を知った
    見落としていない限り、本文では扱われていないようだ
    “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

  • 愚かな質問かもしれないが、だとすると重力は存在しないことが実質的に証明されたのだろうかと思う。
    重力の効果が実は時空の幾何から生じる結果なのだとすれば、重力波実験は時空が存在し、測定可能な幾何を持つことを示しているように見える。
    しかし量子力学の話になると、まだ重力の力を媒介する粒子は見つかっていないと言われるので、重力が存在せず時空幾何の結果なのだとしたら、その話が理解できない。

    • これらの実験は、電磁場に対する古典理論が Maxwell 方程式であるのと同じように、重力の古典理論であるアインシュタインの一般相対性理論を確認している。
      Maxwell 方程式が巨視的な強度の波動には十分であるように、一般相対性理論も天体物理学的な重力波には十分である。
      別の問いは、一般相対性理論を古典極限として持つ量子力学的理論は何か、ということである。
      電磁気学では、1940年代に理解された量子電気力学が Maxwell 理論の量子化版であり、電磁エネルギーの測定結果が光子という「塊」として現れると予測する。
      一方、量子重力については、重力子が質量を持たないスピン2粒子であるらしいという特徴は広く知られているが、正確な理論についてはまだ合意がない。
      力を媒介する粒子の図式と時空の図式を整合させる方法として、古典的にも地球全体が作る背景時空幾何を考え、その上の小さな揺らぎを見ることができる。
      重力子とは直感的に言えば、こうした小さな揺らぎが量子化された分だけ励起されたものだ。
      背景そのものが「膨大な重力子の山」として形成される仕方は正確な量子重力理論に依存しており、弦理論は部分的な答えを持っているので、ブラックホールのような対象を量子的にモデル化できる。
    • 専門家ではないが答えられる範囲で言うと、重力は存在し、空間の曲がりあるいは幾何として現れる。
      これは他の基本相互作用が量子場理論で説明されるのとは対照的である。
      現在の重力理解は他と同じやり方では機能せず、あらゆるスケールで両方の体系を同時に機能させる検証可能な理論はまだ見つかっていない。
      弦理論は重力の量子理論を作り、残りも説明する方法として提示されたが、観測に合わせて調整可能な数学的枠組みのようになってしまい、予測力が乏しいという理由で支持が弱まったものと理解している。
      そのため、あり得る重力の力媒介粒子、つまり重力子の予測は通常ここから出てくる。
      ループ量子重力のような理論では時空そのものが量子化され、他の量子理論で使われる波動関数的アプローチと噛み合うようになる。
      ただし、これだけで重力の量子場について多くを予測できるわけではないようだ。
      また相対性理論では方程式や結果に無限大が多く現れ、これを防ぐために繰り込みという数学が使われるが、量子理論と相対性理論の間を行き来するときにも問題が生じると理解している。
    • 空間そのものが重力の媒介体なのではないか。波が生じる水のようなものとして。
    • 私たちには二つの物理体系があり、どちらの側からでも予測はできる。
      しかしその二つを完全には統合できていない。

  • 関連して読む価値のある記事として「Kerr-enhanced optical spring for next-generation gravitational wave detectors」と「Physicists Have Figured Out a Way to Measure Gravity on a Quantum Scale」がある。
    後者は Tantalum 製の超伝導磁気トラップを用いた2024年の記事である。
    https://news.ycombinator.com/item?id=39957123
    https://news.ycombinator.com/item?id=39495482

  • まったくの素人として、量子波動関数の事象を検出できるのか気になった。
    https://physics.stackexchange.com/questions/275556/can-you-d...

  • LIGO の感度がどの程度かを補足したい。
    LIGO が検出する重力波は、地球からAlpha Centauriまでの距離の変化を人間の髪の毛の幅ほどの精度で測るのに相当する。
    ただし、この種の技術は単に感度を高めるだけでなく、異なる種類の重力波を検出することも目的としている。
    重力波の周波数を何が決めるのかはよく分からない。
    正直に言うと、空間膨張や重力波が本当は何なのかもまだ理解していないが、そもそも私は tractor calculus を理解できない間抜けなだけだ。
    https://www.math.auckland.ac.nz/mathwiki/images/c/cf/Staffor...

    • トラクターが引くプラウや播種機の幅を取り、畑の長さをその幅で割れば、畑を完全に耕したり種をまいたりするためにトラクターが前後に何回往復すべきか分かる。
      トラクターが一定速度 V_tractor m/s で動くなら、プラウや播種機の幅と作業時間（秒）を掛けることで畑の総面積を m^2 で求められる。
      これは速度が V(t) のトラクターにも拡張でき、無限小時間 dt ごとの面積を足し合わせればよい。
      これがトラクター微積分学の基本定理であり、Tractor Field Theory の基礎である ;)

  • 本文で取り上げてほしかった、よりニッチだが興味深い方法は磁場である。
    強い磁場では重力波が光子へ崩壊すると予想されると、以前物理の教授から聞いたことがある。
    当時は数式もある程度理解できたが、今は無理だ。
    それでもなお、この方向を探っている人たちはいるようだ。
    https://indico.cern.ch/event/1074510/contributions/4519384/a...