امواج گرانشی می‌توانند تاثیر دایمی روی فضازمان داشته باشند

در فوریه‌ی همین سال بود که فیزیک‌دانان در نهایت پس از سال‌ها موفق به کشف امواج گرانشی شدند. امواج گرانشی به ناهمواری‌های کوچک در فضا-زمان گفته می‌شود که وجودشان تقریبا یک قرن پیش توسط آلبرت اینشتین پیش‌بینی شده بود.

ما تا به امروز شاهد دو رویداد مهم درباره‌ی شناسایی و آشکارسازی امواج گرانشی بوده‌ایم و هم اکنون نیز گروهی از فیزیک‌دانان باور دارند که شاید این حرکت‌های موج‌دار گرانشی صرفا به صورت رویدادهایی با عمر کوتاه نباشند. آنها فکر می‌کنند که این «رویدادها» به طور دائمی ساختار فضا را تغییر می‌دهند.

نکته‌ی جالب‌تری که در این میان به می‌آید این است که محققان فکر می‌کنند راهی پیدا کرده‌اند که با استفاده از آن بتوانند این تغییر مکان‌های دائمی در فضا-زمان را که حافظه‌ی موج گرانشی نامیده شده‌اند، کشف کنند. سرپرست تیم مطالعاتی، پائول لاسکی (Paul Lasky) از دانشگاه موناش (Monash) در استرالیا به شبکه‌ی پی‌بی‌اس(PBS) گفته است:

برای سال‌های طولانی، تمرکز همه روی پیدا کردن موج‌های گرانشی بوده ‌است. ولی بعد از کشف اولین امواج گرانشی بود که ذهن ما معطوف به پتانسیل وسیع این شاخه شده ‌است. 
شاید بهتر باشد برای چند لحظه‌ هم که شده به عقب بازگردیم و ببینیم که امواج گرانشی دقیقا به چه مفهومی هستند. امواج گرانشی به صورت نوسان‌های کوچکی در فضا-زمان هستند که بر اثر حرکت یک شیء دارای جرم به وجود می‌آیند؛ درست مانند هنگامی که بعد از پرتاب سنگ به دریاچه، امواج آب از نقطه‌ی فرود شروع به انتشار به سمت بیرون می‌کنند. وجود این امواج برای اولین بار در تئوری نسبیت عام اینشتینن پیش‌بینی شد، اما چون این امواج بسیار خفیف هستند، تاکنون نتوانسته بودیم وجود آن را ثابت کنیم.

اما امسال دانشمندان موفق به کشف این امواج شدند. امواجی که از یک رویداد شدید کیهانی سرچشمه گرفته بودند؛ یعنی برخورد و ترکیب دو سیاه‌چاله در یکدیگر. شما در تصویر متحرک بالا می‌توانید گردش آنها به دور یکدیگر قبل از برخورد با همدیگر را ببینید.

وقتی که ما در مورد کوچکی این امواج صحبت می‌کنیم، به این معنی است که آنها واقعا بسیار کوچک هستند. ناهمواری‌های ثبت شده توسط دستگاه لیزری رصد امواج گرانشی (LIGO) در فوریه‌ی امسال، در حدود یک میلیاردم قطر یک اتم بودند.

حال پرسشی که به ذهن می‌آیند این است که چطور این جابجایی‌های کوچک می‌تواند، اثر دائمی بر فضا زمان بگذارد؟ و این برای جهان هستی به چه مفهومی خواهد بود؟ ایده‌ی مربوط به حافظه‌ی امواج گرانشی اولین بار توسط یک دانشمند روس در سال ۱۹۷۴ مطرح شد. اما از آنجا که وجود خود امواج گرانشی در آن زمان مورد بحث بود و روی آن اجماع نظر وجود نداشت، این ایده نیز با بی‌توجهی کامل روبرو شد.

اما بعد از ردیابی این امواج توسط LGIO در فوریه‌ی سال جاری، لاسکی و تیمش دوباره سراغ این نظریه رفته‌اند. برای توضیح حافظه‌ی امواج گرانشی، لاسکی از یک مثال برای توضیح آن استفاده می‌کند. فرض کنید که دو سیاه‌چاله قبل از برخود و ترکیب با هم، به دور یکدیگر در حال چرخش هستند، و دو فضانورد نیز کنار هم به دور این سیستم دوتایی از سیاه‌چاله‌ها می‌گردند.

این فضانوردان در ابتدا در فاصله‌ی مثلا ۱۰ متری یکدیگر هستند. و همچنان که دو سیاه‌چاله به دور هم می‌گردند، امواج گرانشی از خود ساطع می‌کنند که باعث ایجاد نوعی «ناهمواری» یا حرکت موج‌دار در فضازمان می‌‌شود و فاصله‌ی بین این دو فضانورد به مقدار اندکی کم و زیاد می‌شود.

بعد از این که دو سیاه‌چاله در هم آمیخته شدند، انتشار امواج قطع می‌شود و دوباره فاصله‌ی دو فضانورد به مقدار ثابتی خواهد شد. اما این بار دیگر فاصله‌ی آنها همان ده متر ابتدایی نخواهد بود؛ و این همان حافظه‌ی امواج گرانشی است؛ یعنی کشیدگی یا انقباض فضازمان بر اثر امواج گرانشی.

تاثیر فوق را می‌توان به طور فرضی به عنوان یکی از اثرات امواج گرانشی در نزدیکی پایان رویداد آغازین قلمداد کرد. شاید این عبارت واضح و سرراست باشد، اما همانند سایر تئوری‌های فیزیک نظری، تئوری اخیر نیز خالی از اشکال نیست. اگر تشخیص امواج گرانشی سخت باشد باید تشخیص حافظه‌ی امواج گرانشی سخت‌تر از آن باشد، چون جابجایی حاصل ازحافظه‌ی امواج گرانشی بسیار کوچک‌تر است. لاسکی به پی‌بی‌اس گفته‌است:

در حالت کلی، انتظار داریم که ابعاد اثر حافظه‌ی امواج بین ۰.۱ تا ۰.۰۱  ابعاد خود امواج باشد. تقریبا تشخیص و ردیابی این امواج در رویداد‌های کیهانی ناممکن است مگر اینکه یک رویداد شدید و در ابعاد بسیاز بزرگ باشد.
در واقع این‌طور فرض شده ‌بود که در حالت کلی دستگاه LIGO اصلا نتواند اثر حافظه‌ی امواج را کشف کند؛ صرف نظر از اینکه رویداد کیهانی که آنها از آن سرچشمه گرفته‌اند، تا چه میزان فاجعه‌بار و گسترده باشد. اما لاسکی و تیمش راهی برای انجام این کار پیدا کرده‌اند.

اساسا، اکنون که انتظار می‌رود LIGO امواج گرانشی بیشتری را کشف کند، محققان این‌طور پیشنهاد می‌کنند که شاید به مرور زمان، به یک نوع الگو از ظهور حافظه‌ی امواج گرانشی دست یابند. لاسکی در این باره می‌گوید:

کار ما نشان داده ‌است که ترکیب تمام این درآمیزش‌های کیهانی ما را قادر می‌سازد که حافظه‌ی امواج را به مرور زمان اندازه‌گیری کنیم. اما نکته‌ی کلیدی اینجاست که باید تا جایی که می‌توانیم سیگنال‌های تمامی رویدادها را جمع کنیم.
محققان تخمین می‌زنند که دستگاه LIGO  بعد از رصد ۳۵ تا ۹۰ درآمیزش کیهانی در حد آنچه که در فوریه اتفاق افتاد، بتواند حافظه‌ی امواج گرانشی را تشخیص دهد. البته اگر این رصدخانه حساس‌تر شود، شاید این اتفاق زودتر نیز بیفتد. در حال حاضر هیچکس نمی‌تواند درستی این روش را تایید کند مگر اینکه بعد از اتمام کار، جامعه‌ی فیزیکدانان کاملا تحت تاثیر نتایج آن قرار گیرند. یکی از بنیان‌گذاران LIGO، کیپ تورن (Kip Thorne) از موسسه‌ی فناوری کالیفرنیا، که البته در این مطالعه نقشی نداشته است، به چوئی (Choi) در این باره می‌گوید:

این یک روش هوشمندانه برای رصد و اندازه‌گیری حافظه‌ی امواج گرانشی است. فکر نمی‌کردم که انجام چنین کاری با LGIO ممکن باشد.
اگر ما بتوانیم حافظه‌ی امواج گرانشی را کشف کنیم، در آن صورت کشف ما یک کشف عادی نخواهد بود. در واقع چنین کشفی می‌تواند به حل مسئله‌ای کمک کند که برای سالهای سال، فیزیکدانان بزرگی از جمله استیون هاوکینگ (Stephen Hawking) را نیز سردرگم کرده است: مسئله‌ی پارادوکس اطلاعات سیاه‌چاله.

اساسا این پارادوکس از اینجا نشأت می‌گیرد که در فیزیک متعارف این گونه تعریف می‌شود که هیچ پدیده‌ای از جمله نور نمی‌تواند از افق رویداد سیاه‌چاله فرار کند. اما از طرف دیگر در فیزیک کوانتوم گفته می‌شود که اطلاعات هیچگاه نابود نمی‌شوند.

استیون هاوکینگ اخیرا در تلاش برای حل این پارادوکس پیشنهاد کرده ‌است که اطلاعاتی که وارد سیاه‌چاله می‌شوند، می‌توانند توسط پدیده‌های که با تعبیر سافت هیر (Soft Hair) از آنها یاد می‌شود، در سیاه‌چاله حمل شوند. هاوکینگ در تعریف سافت هیر می‌گوید که نوعی از تشعشع گرانشی و الکترومغناطیسی بدون انرژی است که هنگام محو شدن  سیاه‌چاله، اطلاعات توسط آن منتشر می‌شوند. حالا حافظه‌ی امواج گرانشی می‌تواند سافت هیر را اندازه‌گیری کند و مشخص کند که چنین پدیده‌ای به کل وجود دارد یا نه.

البته برای رسیدن به آن مرحله راه زیادی در پیش روی دانشمندان است، اما اکنون حداقل یک نقشه‌ی راه داریم و می‌دانیم که فعالیت بعدی ما چه خواهد بود. تا سال ۲۰۲۹ یک مرکز رصد امواج گرانشی در فضا ساخته خواهد شد، و در آن‌صورت شاید نیاز نباشد تا ۱۰۰ سال دیگر منتظر نتایج جدید بمانیم. گفتنی است که نتایج این مطالعه در ژورنال Physical Review Letters به انتشاره رسیده است.

عناصر گرانبهای زمین حاصل یک برخورد بزرگ فضایی هستند کشف جدیدی که شاید برداشت ما از نحوه تشکیل منظومه ها را دگرگون کند