معادلات اینشتین نشان می‌دهند گرانش نیز مانند میدان‌های مغناطیسی می‌تواند گسسته و دوباره متصل شود

گرانش به شکلی جدایی‌ناپذیر با ساختار جهان پیوند خورده و در شکل‌گیری ستارگان و سیارات و همچنین تنظیم حرکت کهکشان‌ها نقش دارد.

این نیرو باعث پایداری جهان پیرامون ما و حفظ جایگاه ما روی زمین می‌شود. با وجود بیش از یک قرن مطالعه این پدیده بر اساس نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین، دانشمندان همچنان رفتارهای شگفت‌انگیز تازه‌ای از آن کشف می‌کنند.

با این حال، یافته جدید لوکا کومیسو، فیزیک‌دان دانشگاه کلمبیا، و فیلیپه آ. آسنخو از دانشگاه آدولفو ایبانیز در شیلی، می‌تواند درک ما از نسبیت را وارد مرحله تازه‌ای کند.

محاسبات جدید این دو پژوهشگر نشان می‌دهد میدان‌های گرانشی ممکن است توانایی گسسته شدن و اتصال دوباره در آرایش‌های جدید را داشته باشند؛ پدیده‌ای مشابه آنچه در میدان‌های مغناطیسی خورشید رخ می‌دهد.

کومیسو در گفت‌وگو با ساینس‌الرِت گفت

ما در حال تغییر نظریه نسبیت عام یا معرفی فیزیک جدیدی فراتر از آن نیستیم. در عوض، اصول فیزیکی‌ای را شناسایی کرده‌ایم که بیش از یک قرن ناشناخته باقی مانده بودند.

تجربه روزمره ما از گرانش، نیرویی است که باعث می‌شود روی زمین باقی بمانیم. اما ماهیت این پدیده بسیار پیچیده‌تر از یک نیروی جاذبه ساده به نظر می‌رسد. بر اساس نظریه نسبیت، گرانش با یک میدان توصیف می‌شود؛ انحنای فضا-زمان که در اثر وجود جرم و انرژی شکل می‌گیرد و بر حرکت ماده و نور در سراسر جهان تأثیر می‌گذارد.

معادلات توصیف‌کننده این انحنا از شاهکارهای فیزیک به شمار می‌روند. دانشمندان با استفاده از آن‌ها می‌توانند پدیده‌هایی مانند خم شدن نور ستارگان و امواج گرانشی حاصل از برخورد سیاه‌چاله‌ها را پیش‌بینی کنند. این معادلات تاکنون در آزمایش‌های متعدد مربوط به جهان کلاسیک سربلند بیرون آمده‌اند.

شباهت میدان‌های گرانشی و مغناطیسی

با این حال، جهان تنها به میدان‌های گرانشی محدود نمی‌شود و انواع دیگری از میدان‌ها نیز در آن وجود دارند.

برای مشاهده یکی از نمونه‌های مهم، کافی است به خورشید نگاه کنیم. میدان‌های مغناطیسی عظیمی در پلاسمای باردار خورشیدی گسترده شده‌اند. خطوط این میدان‌ها درهم‌تنیده می‌شوند و گاهی در فرایندی به نام بازپیوند مغناطیسی، اتصال میان آن‌ها قطع و دوباره برقرار می‌شود. این اتفاق انرژی عظیمی آزاد می‌کند که نیروی محرک شراره‌های خورشیدی به شمار می‌رود.

کومیسو و آسنخو اکنون با استفاده از محاسبات ریاضی نشان داده‌اند که گرانش نیز ممکن است چنین قابلیتی داشته باشد.

کومیسو درباره شکل‌گیری این فرضیه توضیح داد

ما از مدت‌ها قبل احتمال می‌دادیم گرانش برخی ویژگی‌های میدان‌های مغناطیسی را داشته باشد؛ زیرا مشخص شده بود که معادلات اینشتین را می‌توان به شکل‌هایی بازنویسی کرد که شباهت زیادی به معادلات الکترومغناطیس دارند.

او در ادامه گفت

با این حال، نمی‌دانستیم این شباهت تا چه اندازه ادامه پیدا می‌کند. تنها پس از انجام محاسبات تحلیلی و بررسی مرحله‌به‌مرحله آن‌ها روی تخته، متوجه شدیم میدان‌های گرانشی تا چه اندازه می‌توانند از همان اصول حاکم بر میدان‌های مغناطیسی در پلاسما پیروی کنند.

این کشف از پژوهش قبلی این دو دانشمند به همراه نویسنده سوم مقاله، ماریکارمن آ. وینکلر، فیزیک‌دان دانشگاه آدولفو ایبانیز، آغاز شد.

محاسبات آن‌ها نشان داده بود که میدان‌های گرانشی تحت شرایط مشخصی می‌توانند به شکلی رفتار کنند که ارتباط میان بخش‌های مختلف آن‌ها در طول تکامل فضا-زمان حفظ شود؛ گویی این پیوندها در جای خود ثابت مانده‌اند.

پژوهشگران متوجه شدند این رفتار شباهت قابل‌توجهی به میدان‌های مغناطیسی در پلاسمای باردار الکتریکی دارد. در چنین محیطی، خطوط میدان مغناطیسی می‌توانند حتی با جریان یافتن پلاسما و تغییر شکل آن، همچنان به یکدیگر متصل باقی بمانند.

اما همان‌طور که میدان‌های مغناطیسی همیشه چنین رفتاری ندارند، این پیوندها نیز ممکن است تحت شرایط خاصی از بین بروند. هنگامی که شرایط حفظ اتصال خطوط میدان مغناطیسی مختل شود، این خطوط از طریق بازپیوند مغناطیسی آرایش تازه‌ای پیدا می‌کنند و ارتباط میان نواحی مختلف میدان تغییر می‌یابد.

همین شباهت باعث شد پژوهشگران این پرسش را مطرح کنند که آیا گرانش نیز می‌تواند فرایندی مشابه داشته باشد؟

بازپیوند گرانشی چگونه اتفاق می‌افتد؟

برای یافتن پاسخ، کومیسو و آسنخو بار دیگر به معادلات اینشتین بازگشتند و از یک صورت‌بندی ریاضی استفاده کردند که شباهت‌های میان گرانش و الکترومغناطیس را آشکار می‌کند.

آن‌ها شرایطی را بررسی کردند که در آن عوامل حفظ‌کننده پیوندهای میدان گرانشی از بین می‌روند. نتایج نشان داد که میدان‌های گرانشی در وضعیت‌های مشخصی می‌توانند دوباره به شکل‌های جدیدی متصل شوند. پژوهشگران این فرایند را بازپیوند گرانشی نام‌گذاری کرده‌اند.

کومیسو درباره ساختار این پدیده توضیح داد

میدان گرانشی به‌جای خطوطی که در فضای سه‌بعدی امتداد دارند، از ورقه‌هایی تشکیل می‌شود که در فضا-زمان چهاربعدی گسترده شده‌اند؛ یعنی سه بُعد مکانی و یک بُعد زمانی.

او در ادامه گفت

این ورقه‌ها مانند خطوط میدان مغناطیسی، اجسام فیزیکی واقعی نیستند، بلکه ساختارهای ریاضی به شمار می‌روند که به ما در تجسم میدان گرانشی کمک می‌کنند. با تکامل فضا-زمان، این ورقه‌ها می‌توانند کشیده شوند، خم شوند و تحت شرایط مشخصی از هم گسسته شده و با آرایشی تازه دوباره به یکدیگر متصل شوند.

کومیسو همچنین تأکید کرد

این موضوع به معنای پاره شدن خود فضا-زمان نیست، بلکه نشان می‌دهد میدان گرانشی می‌تواند نحوه ارتباط میان بخش‌های مختلف فضا-زمان را تغییر دهد.

اگر این فرایند واقعاً در جهان رخ دهد، لزوماً اثرات آن برای انسان قابل مشاهده یا حتی قابل احساس نخواهد بود. حتی امواج گرانشی ناشی از برخورد سیاه‌چاله‌ها، که از عظیم‌ترین رویدادهای کیهانی به شمار می‌روند، طول بازوهای ۴ کیلومتری رصدخانه لیگو را کمتر از عرض یک پروتون تغییر می‌دهند.

با این حال، اهمیت اصلی این کشف در پیامدهای فیزیکی آن نهفته است.

فیزیک‌دانان امروزه با استفاده از ابررایانه‌ها می‌توانند تغییرات گسترده فضا-زمان را در رویدادهای عظیمی مانند برخورد سیاه‌چاله‌ها یا ابرنواخترهای ناشی از فروپاشی هسته ستارگان شبیه‌سازی کنند.

اما محاسبه چگونگی تکامل فضا-زمان لزوماً سازوکارهای فیزیکی زیربنایی مسئول انتقال انرژی را آشکار نمی‌کند.

اینجاست که مفهوم بازپیوند گرانشی اهمیت پیدا می‌کند. بازپیوند مغناطیسی در خورشید نمونه‌ای واقعی برای درک بهتر این سازوکار فراهم می‌آورد. فیزیک‌دانان می‌توانند رفتار پلاسمای خورشیدی را شبیه‌سازی کنند، اما شناسایی بازپیوند مغناطیسی به‌عنوان عامل آزادسازی انرژی، درک عمیق‌تری از چگونگی و چرایی این فرایند در اختیار آن‌ها قرار می‌دهد.

کومیسو درباره اهمیت این اصول جدید گفت

چیزی که برای من به‌ویژه شگفت‌انگیز به نظر می‌رسد، این است که این اصول راه تازه‌ای برای درک پویایی پیچیده فضا-زمان با استفاده از مفاهیم فیزیکی نسبتاً ساده در اختیار ما قرار می‌دهند.

او در ادامه افزود

همان‌طور که بازپیوند مغناطیسی درک ما از نحوه آزاد شدن انرژی مغناطیسی در پلاسما را متحول کرده است، بازپیوند گرانشی نیز می‌تواند چارچوب قدرتمندی برای فهم چگونگی تکامل میدان‌های گرانشی و تبادل انرژی و تکانه میان آن‌ها و ماده فراهم کند.

با وجود این یافته‌ها، هنوز نکات زیادی درباره این پدیده ناشناخته باقی مانده‌اند. در حال حاضر، بازپیوند گرانشی صرفاً یک احتمال نظری محسوب می‌شود و دانشمندان هنوز وقوع آن را در طبیعت مشاهده نکرده‌اند.

احتمال مشاهده بازپیوند گرانشی در برخورد سیاه‌چاله‌ها

پژوهشگران معتقدند بازپیوند گرانشی ممکن است در محیط‌های اخترفیزیکی مختلفی رخ دهد؛ از جمله هنگام ادغام سیاه‌چاله‌ها یا فروپاشی ستارگان.

به گفته کومیسو، شبیه‌سازی‌های عددی می‌توانند به شناسایی شرایط لازم برای وقوع این پدیده و بررسی چگونگی پیشرفت آن کمک کنند.

یکی از احتمال‌های هیجان‌انگیز این است که بازپیوند گرانشی بتواند نشانه‌ای مشخص در امواج گرانشی منتشرشده از برخورد سیاه‌چاله‌ها بر جای بگذارد. اگر چنین اثری وجود داشته باشد، شبیه‌سازی‌ها می‌توانند به دانشمندان نشان دهند که هنگام بررسی داده‌های رصدخانه‌های لیگو، ویرگو و کاگرا باید به دنبال چه نشانه‌هایی باشند.

کومیسو درباره مسیر تحقیقات آینده گفت

پژوهش ما مبانی نظری بازپیوند گرانشی را فراهم کرده است، اما همچنان باید شرایط دقیق وقوع آن در طبیعت را مشخص کنیم و نقش این فرایند را در پدیده‌های اخترفیزیکی بشناسیم.

او در پایان افزود

این موضوع یکی از هیجان‌انگیزترین پرسش‌هایی است که پژوهش ما پیش روی دانشمندان قرار داده و مشتاق هستیم بررسی‌های بیشتری درباره آن انجام دهیم.

نتایج این پژوهش در نشریه علمی Physical Review D منتشر شده است.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.