نظریه‌ی گرانش نیاز به اصلاح دارد: اثبات نوسان امواج گرانشی مانند نوترینوها!

فیزیکدانان با استفاده از اطلاعات بدست آمده از اولین مشاهدات امواج گرانشی در سال گذشته نشان دادند امواج گرانشی می‌توانند بین دو شکل متفاوت نوع g و f نوسان کنند. آنها می‌گویند پدیده نوسان امواج گرانشی مشابه با نوسان نوترینوها بین سه طعم (نوع) مختلف است! فیزیکدانان معتقدند این کشف می‌تواند به یافتن پاسخی برای این سوال که ۹۵ درصد عالم از چه چیزی ساخته شده، کمک کند. این نوسان می‌تواند در آزمایش‌های آینده مشاهده شود. با دیپ لوک همراه باشید…

فیزیکدانان معتقدند این کشف می‌تواند به یافتن پاسخی برای این سوال که ۹۵ درصد عالم (ماده تاریک و انرژی تاریک) از چه چیزی ساخته شده، کمک کند. البته حالا این پاسخ می‌تواند به جای جستجوی ذرات جدید، با اصلاح نظریه گرانش بدست آید. فقط پنج درصد ماده‌ی تشکیل دهنده عالم از نوعی است که ما فکر می‌کنیم به درستی آن را می‌شناسیم (ماده معمولی). اغلب برای پاسخ به این سوال که قسمت عمده‌ی عالم از چه چیزی ساخته شده، فیزیکدانان مدلهای فیزیکی با ذرات جدید را مطرح و بررسی می‌کنند. این در حالی است که آزمایش‌هایی مانند آنچه در LHC انجام می‌شود، هنوز چنین ذرات عجیبی را آشکار نکرده‌اند. بنابراین شاید نظریه گرانش است که باید اصلاح شود. به گفته یکی از این فیزیکدانان:

در این کار ما از خود پرسیدیم که از اصلاح گرانش چه نشانه‌هایی را می‌توان انتظار داشت؟ ویژگی‌های بیگراویتی شامل این چنین نشانه‌هایی بوده و در نتیجه از دیگر نظریه‌ها متمایز است. آشکارسازی اخیر امواج گرانشی توسط LIGO (رصدخانه موج گرانشی تداخل لیزری) پنجره جدیدی رو به بخش تاریک عالم برای ما باز کرده است. اینکه طبیعت در نهایت، نسبیت عام، بایگراویتی یا هر نظریه دیگری را برگزیند مسئله دیگری است، ما فقط می‌توانیم نشانه‌های ممکن را برای جستجوی آزمایشگران مطالعه کنیم.

پای دو گراویتون، در میان است!

در حال حاضر بهترین نظریه گرانش، نظریه نسبیت عام اینشتین است که از یک سنجه برای توصیف فضازمان بهره می‌برد. در نتیجه، برهمکنش‌های گرانشی توسط یک ذره فرضی به نام گراویتون مبادله می‌شوند. این ذره، بدون جرم پیش بینی شده و بنابراین با سرعت نور حرکت می‌کند. اختلاف اساسی بین نسبیت عام و بایگراویتی این است که بایگراویتی از دو سنجه استفاده می‌کند (g و f). در حالی که g یک سنجه‌ی فیزیکی است و با ماده جفت می‌شود، f سنجه‌ای است که با ماده جفت نمی‌شود. برهمکنش‌های گرانشی در بایگراویتی توسط دو گراویتون انجام می‌شود که یکی جرم‌دار و دیگری بدون جرم است. دو گراویتون از ترکیبات (یا برهم‌نهی) متفاوتی از سنجه‌های g و f تشکیل شده و بنابراین با مواد مجاور خود به روش‌های متفاوتی جفت می‌شوند. وجود دو سنجه و دو گراویتون در چارچوب بایگراویتی به پدیده نوسان امواج گرانشی منجر می‌شود. به گفته فیزیکدانان، ایده وجود یک گراویتون جرم‌دار تقریبا از زمان خود نسبیت عام مطرح بوده است.

نظریه نسبیت عام انیشتین یک ذره واسطه (گراویتون) برای برهم‌کنش‌های گرانشی پیش بینی می‌کند که بدون جرم است و با سرعت نور حرکت می‌کند. سالها فیزیکدانان به دنبال نظریه‌ای بودند که در آن ذره واسطه برای برهمکنش‌های گرانشی، جرم‌دار باشد و با سرعتی کمتر از سرعت نور حرکت کند. این کار که بسیار سخت به نظر می‌رسید در سال ۲۰۱۰ انجام گرفت. بایگراویتی چارچوب تغییر یافته‌ای از این نظریه است که به جای یک سنجه، دو سنجه‌ی دینامیکی دارد که فقط یکی از آن‌ها با ماده جفت می‌شود. یک ترکیب خطی از آن‌ها، جرم‌دار است (کندتر از سرعت نور) در حالیکه دیگری بدون جرم است (سرعت نور).

نوسان امواج گرانشی

فیزیکدانان نشان دادند در چارچوب بایگراویتی، امواج گرانشی همان زمانی که تولید شده و در فضا منتشر می‌شوند، بین دو نوع g و f نوسان (تغییر) می‌کنند، هر چند که فقط نوع g می‌تواند آشکار شود. تحقیق اخیر، این نوسان را ثابت می‌کند و به نظر می‌آید به نتایج غیر فیزیکی مانند نقض پایستگی انرژی منجر می‌شود. این مطالعه جدید نشان می‌دهد که نوسانات زمانی می‌توانند پدید آیند که جرم گراویتون به قدری بزرگ در نظر گرفته شود که گراویتون با آزمون‌های اختر فیزیکی فعلی آشکار شود.

دانشمندان می‌گویند نوسان امواج گرانشی از برخی لحاظ شبیه نوسان نوترینوها است. با اینکه نوترینوها در سه طعم مختلف وجود دارند (الکترونی، میونی و تاو)، معمولا نوترینوی تولید شده در برهمکنش‌های هسته‌ای از نوع نوترینوی الکترونی (یا پاد نوترینوی الکترونی) است زیرا انواع دیگر برای تشکیل ماده پایدار، خیلی سنگین هستند. مشابه با نوترینوها در بایگراویتی فقط سنجه‌ی g با ماده جفت می‌شود، بنابراین امواج گرانشی تولید شده در پدیده‌های اخترفیزیکی مانند جفت شدن سیاه چاله‌ها، از نوع g هستند، زیرا امواج گرانشی نوع f با ماده جفت نمی‌شوند.

نکته کلیدی برای فهم پدیده نوسان این است که نوترینوهای الکترونی، جرم معینی ندارند؛ بلکه برهم‌نهی از سه ویژه حالت جرمی نوترینو هستند. به بیان ریاضی، ماتریس جرم در پایه طعم (الکترون-میون-تاو) قطری نیست. در نتیجه معادله موجی که حرکت آن‌ها در فضا را توصیف می‌کند، آن‌ها را ترکیب کرده و در نتیجه آن‌ها نوسان می‌کنند. در بایگراویتی نیز اینطور است: g ترکیبی از گراویتون‌های جرم‌دار و بدون جرم است و همین طور که موج گرانشی در عالم سفر می‌کند، بین امواج گرانشی نوع g و f نوسان می‌کند. ما فقط می‌توانیم نوع g‌ را با آشکارساز (که از ماده ساخته شده است) اندازه‌گیری کنیم، در حالی که نوع f می‌تواند بدون اینکه دیده شود از ما عبور کند! اگر بایگراویتی توصیف درستی از طبیعت باشد، این نتایج، تاثیر مهمی بر سیگنال موج گرانشی خواهد گذاشت.

فیزیکدانان نوسان نوترینوها و امواج گرانشی را مشابه می‌دانند، حتی با اینکه نوسان نوترینو، یک پدیده مکانیک کوانتومی است که با معادله موج شرودینگر توصیف می‌شود در حالیکه نوسان امواج گرانشی یک اثر کوانتومی نیست و با معادله موج کلاسیک توصیف می‌شود. اثر ویژه‌ای که فیزیکدانان پیش بینی می‌کنند این است که نوسان امواج گرانشی به مدولاسیون کشش بزرگتری نسبت به آنچه که توسط نسبیت عام پیش بینی شده منجر می‌شود. این نتایج مسیری به سمت آشکارسازی آزمایشگاهی نوسان امواج گرانشی و بدست آمدن تاییدی برای بایگراویتی باز می‌کند. از آنجایی بایگراویتی یک نظریه بسیار جوان است، هنوز باید بیشتر روی آن کار شود و توانایی آن برای رفع نقایص نظریه‌های موجوذ مورد بررسی قرار گیرد؛ در این راستا کارهایی انجام شده، اما مطمئنا کافی نیست!