هر کجای کیهان که بروید، گرانش وجود دارد. گرانش یا جاذبه به شکل جدایی‌ناپذیری در تار و پود جهان هستی تنیده شده، ستاره‌ها و سیارات را تشکیل می‌دهد و رقص کهکشان‌ها را طراحی می‌کند.

گرانش چیزی است که جهان ما را کنار هم و خود ما را روی آن نگه می‌دارد. با این حال، حتی پس از بیش از یک قرن مطالعه گرانش از طریق نظریه نسبیت عام اینشتین، دانشمندان هنوز در حال کشف روش‌های جدید و شگفت‌انگیزی هستند که این نیروی شگفت‌انگیز می‌تواند رفتار کند.

کشف جدیدی که توسط فیزیکدانان «لوکا کومیسو»( Luca Comisso) از دانشگاه کلمبیا و فیلیپه آسنیو(Felipe Asenjo) از دانشگاه آدولفو ایبانیز در شیلی صورت گرفته، می‌تواند به نسبیت لطمه بزند.

محاسبات جدید آنها نشان می‌دهد که میدان‌های گرانشی ممکن است درست مانند میدان‌های مغناطیسی روی خورشید بتوانند در پیکربندی‌های جدید بشکنند و دوباره وصل شوند.

کومیسو می‌گوید: ما در حال اصلاح نسبیت عام یا معرفی فیزیک جدیدی فراتر از آن نیستیم. در عوض، ما در حال شناسایی اصول فیزیکی هستیم که بیش از یک قرن ناشناخته مانده‌اند.

تجربه روزمره ما از گرانش، نیرویی است که ما را روی زمین نگه می‌دارد، اما چیزی بیش از جاذبه وجود دارد. طبق نظریه نسبیت، گرانش توسط یک میدان توصیف می‌شود و انحنای فضا-زمان ناشی از جرم و انرژی است که بر نحوه حرکت ماده و نور در جهان تأثیر می‌گذارد.

معادلاتی که این انحنا را توصیف می‌کنند، شاهکار فیزیک هستند و به فیزیکدانان اجازه می‌دهند همه چیز را از خم شدن نور ستارگان گرفته تا امواج گرانشی تولید شده توسط برخورد سیاهچاله‌ها پیش‌بینی کنند. آنها از آزمون‌های پی در پی در جهان کلاسیک جان سالم به در برده‌اند، اما جهان انواع دیگری از میدان‌ها را نیز دارد.

ما فقط باید به خورشید نگاه کنیم تا برخی از آنها را پیدا کنیم. میدان‌های مغناطیسی وسیعی که از پلاسمای خورشیدی باردار عبور می‌کنند، رشته‌های درهم تنیده آنها می‌توانند در فرآیندی به نام اتصال مجدد مغناطیسی شکسته و دوباره به هم متصل شوند و انرژی لازم برای شراره‌های خورشیدی را آزاد کنند.

همانطور که کومیسو و آسنیو اکنون به صورت زبان ریاضی نشان داده‌اند، گرانش ممکن است ترفند مشابهی در مجموعه خود داشته باشد.

کومیسو توضیح داد: ما گمان می‌کردیم که گرانش ممکن است برخی از خواص را با میدان‌های مغناطیسی به اشتراک بگذارد، زیرا مدت‌ها است می‌دانیم که معادلات اینشتین را می‌توان به شکلی بازنویسی کرد که شبیه به معادلات الکترومغناطیس باشد.

وی افزود: با این حال، ما نمی‌دانستیم که این قیاس تا چه حد می‌تواند گسترش یابد. تنها پس از انجام محاسبات تحلیلی، گام به گام روی تخته سیاه متوجه شدیم که میدان‌های گرانشی چقدر می‌توانند از همان اصولی که میدان‌های مغناطیسی را در پلاسماها کنترل می‌کنند، پیروی کنند.

این کشف با مقاله‌ای که این دو نفر به همراه همکار سومشان، فیزیکدان ماریکارمن وینکلر(Maricarmen Winkler) از دانشگاه آدولفو ایبانز منتشر کردند، آغاز شد.

محاسبات آنها نشان داد که میدان‌های گرانشی تحت شرایط خاص می‌توانند طوری رفتار کنند که گویی اتصالاتشان در جای خود منجمد شده است و حتی با تکامل فضا-زمان، پیوندهای بین مناطق مختلف را حفظ می‌کنند.

آنها متوجه شدند که این رفتار، مشابه قابل توجهی در میدان‌های مغناطیسی پلاسمای باردار الکتریکی دارد؛ جایی که خطوط میدان می‌توانند حتی با جریان پلاسما و تغییر شکل آن متصل باقی بمانند.

همانطور که قبلاً مشخص کرده‌ایم، میدان‌های مغناطیسی همیشه اینگونه رفتار نمی‌کنند. وقتی شرایطی که خطوط میدان آنها را متصل نگه می‌دارد، از بین می‌رود، آن اتصالات می‌توانند خود را از طریق اتصال مجدد مغناطیسی بازآرایی کنند و مناطقی را که توسط میدان مغناطیسی به هم متصل هستند، تغییر دهند.

بنابراین طبیعی به نظر می‌رسید که بپرسیم آیا همین امر می‌تواند در مورد گرانش نیز صادق باشد؟

کومیسو و آسنیو برای فهمیدن این موضوع با استفاده از یک فرمول ریاضی که شباهت‌های بین گرانش و الکترومغناطیس را نشان می‌دهد، به معادلات اینشتین بازگشتند.

آنها بررسی کردند که وقتی شرایطی که اتصالات میدان گرانشی را حفظ می‌کند، از بین می‌رود، چه اتفاقی می‌افتد و دریافتند که تحت شرایط خاص، میدان‌ها در فرآیندی که آنها «اتصال مجدد گرانشی» می‌نامند، می‌توانند در پیکربندی‌های جدید دوباره به هم متصل شوند.

کومیسو توضیح داد: میدان گرانشی به جای خطوطی که در فضای سه‌بعدی امتداد می‌یابند، صفحاتی را تشکیل می‌دهد که در فضا-زمان چهاربعدی (سه بعد فضا و یک بعد زمان) امتداد می‌یابند. این صفحات مانند خطوط میدان مغناطیسی، اشیاء فیزیکی نیستند، بلکه ساختارهای ریاضی هستند که به ما در تجسم میدان گرانشی کمک می‌کنند.

وی افزود: این صفحات با تکامل فضا-زمان می‌توانند کشیده شوند، خم شوند و تحت شرایط خاص شکسته شوند و در یک آرایش جدید دوباره به هم متصل شوند. این به معنای آن نیست که خود فضا-زمان از هم می‌پاشد، بلکه به این معنی است که میدان گرانشی نحوه اتصال مناطق مختلف فضا-زمان را تغییر می‌دهد.

اگر این فرآیند در جهان رخ دهد، اثرات آن لزوماً چیزی نخواهد بود که بتوانیم ببینیم یا حتی حس کنیم. حتی امواج گرانشیِ ناشی از برخورد سیاه‌چاله‌ها که شاید بتوان گفت عظیم‌ترین رویدادهایی هستند که در کیهان رخ می‌دهند، طول بازوهای ۴ کیلومتریِ «رصدخانه موج گرانشی با تداخل‌سنجی لیزری» یا «لیگو-LIGO) را به اندازه‌ای کمتر از پهنای یک پروتون تغییر می‌دهند.

رصدخانه موج گرانشی با تداخل‌سنج لیزری که به اختصار LIGO نیز نامیده می‌شود، یک آزمایش بزرگ فیزیکی با هدف آشکارسازی مستقیم امواج گرانشی است. در سال ۱۹۹۲ به طور مشترک توسط «کیپ تورن» و «رونالد درور» از مؤسسه فناوری کالیفرنیا (کَلتِک) و «رینر وایس» از مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) بنا شد. لیگو پروژه مشترکی بین دانشمندان MIT، کَلتِک و بسیاری دانشگاه‌ها و دانشکده‌های دیگر است و پشتیبان مالی آن بنیاد ملی علوم آمریکا است که با هزینه ۳۶۵ میلیون دلار (سال ۲۰۰۲)، بزرگترین پروژه این سازمان بود.

فیزیکدانان در حال حاضر می‌توانند از ابررایانه‌ها برای شبیه‌سازی تغییرات چشمگیر در فضا-زمان که با رویدادهای عظیمی مانند برخورد سیاه‌چاله‌ها یا ابرنواخترهای فروپاشی هسته همراه است، استفاده کنند، اما توانایی محاسبه چگونگی تکامل فضا-زمان لزوماً مکانیسم‌های فیزیکی زیربنایی مسئول انتقال انرژی را آشکار نمی‌کند.

اینجا است که اتصال مجدد گرانشی می‌تواند مفید باشد و اتصال مجدد مغناطیسی روی خورشید یک مثال در دنیای واقعی ارائه می‌دهد.

فیزیکدانان می‌توانند رفتار پلاسمای خورشیدی را شبیه‌سازی کنند، اما شناسایی اتصال مجدد مغناطیسی به عنوان مکانیسمی که مسئول آزادسازی انرژی آن است، درک عمیق‌تری از آنچه اتفاق می‌افتد و چرایی آن به آنها می‌دهد.

کامیسو گفت: آنچه که من به طور خاص قابل توجه می‌دانم، این است که این اصول راهی جدید برای درک دینامیک پیچیده فضا-زمان به زبان فیزیکی نسبتاً ساده به ما می‌دهند.

وی افزود: همانطور که اتصال مجدد مغناطیسی درک ما از چگونگی آزادسازی انرژی مغناطیسی در پلاسما را متحول کرده است، اتصال مجدد گرانشی می‌تواند چارچوبی به همان اندازه قدرتمند برای درک چگونگی تکامل میدان‌های گرانشی و تبادل انرژی و تکانه با ماده فراهم کند.

با این حال، هنوز چیزهای زیادی برای یادگیری وجود دارد. در حال حاضر، اتصال مجدد گرانشی یک احتمال نظری است، نه پدیده‌ای که دانشمندان در طبیعت مشاهده کرده‌اند.

محققان معتقدند که اتصال مجدد گرانشی می‌تواند در طیف وسیعی از محیط‌های اخترفیزیکی، مانند ادغام سیاه‌چاله‌ها یا فروپاشی ستارگان رخ دهد.

کومیسو می‌گوید شبیه‌سازی‌های عددی می‌توانند به شناسایی شرایطی که تحت آن اتفاق می‌افتد و توصیف چگونگی پیشرفت این فرآیند کمک کنند.

یک احتمال وسوسه‌انگیز این است که اتصال مجدد گرانشی ممکن است ردپای متمایزی در امواج گرانشی ساطع شده از برخورد سیاه‌چاله‌ها به جا بگذارد. اگر چنین باشد، این شبیه‌سازی‌ها ممکن است نشان دهند که در داده‌های LIGO-Virgo-KAGRA به دنبال چه چیزی باشیم.

کومیسو می‌گوید: کار ما مبانی نظری اتصال مجدد گرانشی را فراهم می‌کند، اما ما هنوز باید شرایط دقیقی را که تحت آن در طبیعت رخ می‌دهد، تعیین کنیم و نقش آن را در پدیده‌های اخترفیزیکی درک کنیم.

وی در پایان گفت: برای ما، این یکی از هیجان‌انگیزترین سؤالاتی است که تحقیقات ما مطرح کرده است و ما مشتاق بررسی بیشتر آن هستیم.

این پژوهش در مجله Physical Review D منتشر شده است.

منبع: ایسنا