کشف پدیده «اتصال مجدد گرانشی» در معادلات اینشتین
پژوهش جدید دو فیزیکدان نشان می‌دهد میدان‌های گرانشی نیز ممکن است، مشابه میدان‌های مغناطیسی، تحت شرایط خاص ساختار اتصالات خود را تغییر دهند و در آرایشی تازه به یکدیگر متصل شوند؛ پدیده‌ای که پژوهشگران آن را «اتصال مجدد گرانشی» نامیده‌اند.
به گزارش شبکه اطلاع رسانی تدبیر و امید؛ در سراسر کیهان، گرانش حضوری فراگیر دارد. این نیرو در شکل‌گیری ستاره‌ها و سیارات نقش دارد و حرکت و تعامل کهکشان‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهد. گرانش همچنین عاملی است که اجرام را در کنار یکدیگر نگه می‌دارد و ما را روی سطح زمین حفظ می‌کند.
با وجود بیش از یک قرن مطالعه گرانش بر پایه نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین، دانشمندان همچنان در حال شناسایی جنبه‌های تازه‌ای از رفتار این پدیده هستند.
یافته جدید لوکا کومیسو (Luca Comisso) از دانشگاه کلمبیا و فیلیپه آسنیو (Felipe Asenjo) از دانشگاه آدولفو ایبانز در شیلی، نشان می‌دهد میدان‌های گرانشی ممکن است همانند میدان‌های مغناطیسی خورشید، در شرایطی مشخص ساختار اتصالات خود را تغییر دهند و دوباره به یکدیگر پیوند بخورند.
کومیسو در توضیح این پژوهش تأکید کرده است که این یافته به معنای اصلاح نسبیت عام یا معرفی فیزیکی فراتر از آن نیست؛ بلکه پژوهشگران در حال شناسایی اصولی هستند که با وجود گذشت بیش از یک قرن از ارائه نظریه اینشتین، تاکنون ناشناخته باقی مانده بودند.
گرانش در چارچوب نسبیت عام
آنچه انسان در زندگی روزمره از گرانش تجربه می‌کند، نیرویی است که او را روی زمین نگه می‌دارد؛ اما مفهوم گرانش فراتر از این تجربه است. بر اساس نظریه نسبیت عام، گرانش با یک میدان توصیف می‌شود و جرم و انرژی با ایجاد انحنای فضا-زمان، بر حرکت ماده و نور در جهان اثر می‌گذارند.
معادلات اینشتین که این انحنا را توصیف می‌کنند، از دستاوردهای برجسته فیزیک به شمار می‌روند. این معادلات امکان پیش‌بینی پدیده‌هایی از جمله خم‌شدن نور ستارگان و امواج گرانشی ناشی از برخورد سیاه‌چاله‌ها را فراهم کرده‌اند.
این معادلات در آزمون‌های متعدد مربوط به جهان کلاسیک موفق بوده‌اند، اما جهان تنها از میدان‌های گرانشی تشکیل نشده است و انواع دیگری از میدان‌ها نیز در آن وجود دارند.
شباهت میدان‌های گرانشی و مغناطیسی
یکی از نمونه‌های شناخته‌شده این میدان‌ها را می‌توان در خورشید مشاهده کرد. میدان‌های مغناطیسی گسترده‌ای در پلاسمای باردار خورشید جریان دارند. رشته‌های درهم‌تنیده این میدان‌ها گاهی در فرآیندی موسوم به «اتصال مجدد مغناطیسی» از هم گسسته می‌شوند و دوباره به یکدیگر می‌پیوندند. این فرآیند انرژی لازم برای شکل‌گیری شراره‌های خورشیدی را آزاد می‌کند.
کومیسو و آسنیو اکنون با محاسبات ریاضی نشان داده‌اند که میدان‌های گرانشی نیز ممکن است از سازوکاری مشابه برخوردار باشند.
کومیسو می‌گوید از مدت‌ها پیش این احتمال مطرح بود که گرانش برخی ویژگی‌های میدان‌های مغناطیسی را داشته باشد؛ زیرا معادلات اینشتین را می‌توان به شکلی بازنویسی کرد که شباهت‌هایی با معادلات الکترومغناطیس داشته باشند.
با این حال، میزان گسترش این شباهت مشخص نبود. به گفته او، پژوهشگران پس از انجام محاسبات تحلیلی و بررسی مرحله‌به‌مرحله معادلات دریافتند که میدان‌های گرانشی تا چه اندازه می‌توانند از اصول مشابه میدان‌های مغناطیسی در پلاسما پیروی کنند.
این پژوهش با انتشار مقاله‌ای از سوی کومیسو، آسنیو و همکار سوم آنها، ماریکارمن وینکلر (Maricarmen Winkler) از دانشگاه آدولفو ایبانز آغاز شد.
احتمال بازآرایی اتصالات میدان گرانشی
محاسبات این گروه نشان داد که میدان‌های گرانشی در شرایطی خاص ممکن است رفتاری داشته باشند که گویی اتصالات میان بخش‌های مختلف آنها در جای خود تثبیت شده است. این پیوندها حتی با تغییر و تحول فضا-زمان نیز می‌توانند حفظ شوند.
پژوهشگران این رفتار را با ویژگی مشابهی در میدان‌های مغناطیسی پلاسمای باردار مقایسه کردند؛ جایی که خطوط میدان، حتی با حرکت پلاسما و تغییر شکل آن، می‌توانند همچنان به یکدیگر متصل باقی بمانند.
البته میدان‌های مغناطیسی همواره چنین وضعیتی ندارند. هنگامی که شرایط حفظ اتصال خطوط میدان از بین برود، این خطوط می‌توانند از طریق فرآیند اتصال مجدد مغناطیسی آرایش خود را تغییر دهند و پیوند میان نواحی مختلف میدان را بازسازی کنند.
بر همین اساس، پژوهشگران این پرسش را مطرح کردند که آیا چنین فرآیندی می‌تواند برای میدان‌های گرانشی نیز رخ دهد؟
کومیسو و آسنیو برای بررسی این احتمال، بار دیگر به معادلات اینشتین رجوع کردند و از یک فرمول‌بندی ریاضی بهره گرفتند که شباهت‌های میان گرانش و الکترومغناطیس را نشان می‌دهد.
آنها شرایطی را بررسی کردند که در آن عوامل حفظ‌کننده اتصالات میدان گرانشی از میان می‌روند. نتایج محاسبات نشان داد که در برخی وضعیت‌ها، میدان‌های گرانشی می‌توانند طی فرآیندی موسوم به «اتصال مجدد گرانشی»، آرایش تازه‌ای پیدا کنند.
کومیسو توضیح می‌دهد که میدان گرانشی به جای خطوطی که در فضای سه‌بعدی امتداد دارند، از صفحاتی تشکیل می‌شود که در فضا-زمان چهاربعدی، شامل سه بعد مکانی و یک بعد زمانی، گسترده شده‌اند.
این صفحات برخلاف خطوط میدان مغناطیسی، اجسام فیزیکی نیستند؛ بلکه ساختارهایی ریاضی به شمار می‌روند که برای نمایش و درک میدان گرانشی به کار می‌روند.
به گفته او، این صفحات همزمان با تحول فضا-زمان می‌توانند کشیده یا خم شوند و در شرایط مشخصی از هم گسسته شده و در آرایشی جدید دوباره به یکدیگر متصل شوند. این اتفاق به معنای فروپاشی خود فضا-زمان نیست، بلکه نشان‌دهنده تغییر در نحوه اتصال بخش‌های مختلف آن از طریق میدان گرانشی است.
نقش احتمالی اتصال مجدد گرانشی در رویدادهای کیهانی
در صورت وقوع چنین فرآیندی در جهان، آثار آن لزوماً قابل مشاهده یا احساس نخواهند بود. حتی امواج گرانشی حاصل از برخورد سیاه‌چاله‌ها، که از عظیم‌ترین رویدادهای کیهانی محسوب می‌شوند، می‌توانند طول بازوهای چهار کیلومتری رصدخانه موج گرانشی با تداخل‌سنج لیزری یا «لیگو» (LIGO) را به اندازه‌ای کمتر از پهنای یک پروتون تغییر دهند.
لیگو آزمایشی بزرگ در حوزه فیزیک است که با هدف آشکارسازی مستقیم امواج گرانشی طراحی شده است. این پروژه در سال ۱۹۹۲ با همکاری کیپ تورن و رونالد درور از مؤسسه فناوری کالیفرنیا (کلتک) و رینر وایس از مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) پایه‌گذاری شد.
این رصدخانه پروژه‌ای مشترک میان دانشمندان MIT، کلتک و شمار زیادی از دانشگاه‌ها و مراکز علمی دیگر است و بنیاد ملی علوم آمریکا تأمین مالی آن را بر عهده دارد. لیگو در سال ۲۰۰۲ با هزینه ۳۶۵ میلیون دلار، بزرگ‌ترین پروژه این بنیاد به شمار می‌رفت.
در حال حاضر، فیزیکدانان با استفاده از ابررایانه‌ها می‌توانند تغییرات گسترده فضا-زمان را در رویدادهایی مانند برخورد سیاه‌چاله‌ها یا فروپاشی هسته ستارگان و شکل‌گیری ابرنواخترها شبیه‌سازی کنند.
با این حال، محاسبه چگونگی تحول فضا-زمان الزاماً به معنای شناسایی سازوکارهای فیزیکی زیربنایی و عوامل مسئول انتقال انرژی نیست. اتصال مجدد گرانشی می‌تواند در این زمینه به دانشمندان کمک کند.
اتصال مجدد مغناطیسی در خورشید نمونه‌ای واقعی از اهمیت شناخت چنین سازوکارهایی است. دانشمندان می‌توانند رفتار پلاسمای خورشیدی را شبیه‌سازی کنند، اما شناسایی اتصال مجدد مغناطیسی به‌عنوان عامل آزادسازی انرژی، درک دقیق‌تری از چگونگی وقوع این پدیده و علت آن به دست می‌دهد.
کومیسو این موضوع را یکی از جنبه‌های قابل توجه پژوهش می‌داند و معتقد است اصول شناسایی‌شده می‌توانند راهی تازه برای بررسی پویایی پیچیده فضا-زمان با استفاده از مفاهیم فیزیکی نسبتاً ساده فراهم کنند.
او همچنین می‌گوید همان‌طور که شناخت اتصال مجدد مغناطیسی درک دانشمندان از آزادسازی انرژی مغناطیسی در پلاسما را متحول کرد، بررسی اتصال مجدد گرانشی نیز می‌تواند چارچوبی قدرتمند برای فهم تحول میدان‌های گرانشی و تبادل انرژی و تکانه میان آنها و ماده ایجاد کند.
یک احتمال نظری در انتظار بررسی‌های بیشتر
با وجود نتایج به‌دست‌آمده، هنوز پرسش‌های زیادی درباره این پدیده وجود دارد. اتصال مجدد گرانشی در شرایط فعلی صرفاً یک احتمال نظری است و دانشمندان تاکنون وقوع آن را در طبیعت مشاهده نکرده‌اند.
پژوهشگران احتمال می‌دهند این فرآیند در محیط‌های مختلف اخترفیزیکی، از جمله هنگام ادغام سیاه‌چاله‌ها یا فروپاشی ستارگان، رخ دهد.
کومیسو معتقد است شبیه‌سازی‌های عددی می‌توانند به شناسایی شرایط لازم برای وقوع اتصال مجدد گرانشی و بررسی چگونگی پیشرفت آن کمک کنند.
یکی از احتمال‌های مطرح‌شده این است که اتصال مجدد گرانشی بتواند نشانه‌های مشخصی در امواج گرانشی منتشرشده از برخورد سیاه‌چاله‌ها بر جای بگذارد. در صورت تأیید این فرضیه، شبیه‌سازی‌ها ممکن است مشخص کنند که دانشمندان باید به دنبال چه الگوهایی در داده‌های رصدخانه‌های LIGO، Virgo و KAGRA باشند.
کومیسو در پایان تأکید کرده است که پژوهش انجام‌شده مبانی نظری اتصال مجدد گرانشی را فراهم می‌کند، اما هنوز باید شرایط دقیق وقوع آن در طبیعت مشخص شود و نقش احتمالی آن در پدیده‌های اخترفیزیکی مورد بررسی قرار گیرد.
این پژوهش در مجله علمی Physical Review D منتشر شده است.
