امواج گرانشی ساختار فضازمان را برای همیشه تغییر می‌دهند

امواج گرانشی اولین‌بار در سال ۲۰۱۶ شناسایی شدند و در‌نتیجه‌ صحت نظریه‌ی نسبیت عام انیشتین قاطعانه تأیید شد. بااین‌حال، هنوز پیش‌بینی حیرت‌انگیز دیگر این نظریه تأیید نشده است. براساس نظریه‌ نسبیت عام، هر موج گرانشی باید اثری از خود روی ساختار فضازمان باقی بگذارد که به‌هیچ‌عنوان محو‌شدنی نباشد. این موج باید تا ابد فضا را زیر فشار قرار دهد و از این طریق به جابه‌جایی آینه‌های آشکارساز موج گرانشیمنجر شود.

پاول لاسکی، اخترفیزیک‌دان دانشگاه موناش استرالیا، در‌این‌باره می‌گوید: «اثر حافظه (Memory Effect) پدیده‌ای فوق‌العاده عجیب و عمیق است.» اهداف محققان فراتر از نگاه اجمالی به زخم‌های به‌جامانده بر فضازمان است که بر‌اثر عبور امواج گرانشی ایجاد شده‌اند. فیزیک‌دانان با بررسی روابط بین ماده و انرژی و فضازمان، امیدوار‌‌‌ند به فهم بهتری از تناقض اطلاعات سیاه‌چاله برسند. حجم زیادی از تمرکز پژوهش‌های نظری در پنج دهه‌ی گذشته معطوف به حل این معما بوده است.

کیپ ثورن، فیزیک‌دان مؤسسه‌ی فناوری کالیفرنیا (Caltech) و برنده‌ی جایزه‌ی نوبل فیزیک ۲۰۱۷ برای تحقیق روی امواج گرانشی، درباره‌ی این موضوع بیان می‌کند:

رابطه‌ی محکمی بین اثر حافظه و تقارن‌های فضازمان وجود دارد. این موضوع درنهایت به مسئله‌ی گم‌شدن اطلاعات در سیاه‌چاله‌ها مربوط است؛ موضوعی بسیار عمیق در ساختار فضازمان.

چرا موج گرانشی ساختار فضازمان را برای همیشه تغییر می‌دهد؟ پاسخ این پرسش به پیوند قوی بین فضازمان و انرژی در نظریه‌ی نسبیت عام مربوط می‌شود. ابتدا ببینیم زمانی که موجی گرانشی از آشکارساز امواج گرانشی عبور می‌کند، چه اتفاقی رخ می‌دهد. آشکارساز موج گرانشی با تداخل‌سنج لیزری (LIGO) دو بازوی Lشکل دارد. تصور کنید دایره‌ای این بازوها را احاطه کرده و مرکز دایره منطبق بر محل تلاقی بازوها است.

موج گرانشی به‌طور متناوب در دایره اعوجاج ایجاد و آن را در راستای عمودی و سپس افقی فشرده می‌کند و این کار را تا وقتی ادامه می‌دهد که از دایره عبور کند‌. در نتیجه مقدار عددی اختلاف طول بازوها نوسان می‌کند. در‌واقع، این نوسان نشان‌دهنده‌ی اعوجاج در دایره و عبور موج گرانشی است. براساس اثر حافظه، پس از عبور موج شکل دایره درمقایسه‌با حالت اولیه باید کمی تغییر کرده باشد. دلیل این رخداد به ویژگی‌های جاذبه مربوط می‌شود؛ ویژگی‌هایی که نسبیت عام توصیف می‌کند.

LIGO اشیای بسیار دور را شناسایی می‌کند؛ به‌همین‌دلیل، نیروی جاذبه‌ی آن‌ها بسیار ضعیف است. بااین‌حال، موج گرانشی از نیروی گرانش بُرد بیشتری دارد؛ دقیقا مانند پتانسیل گرانشی که منشأ اثر حافظه است. در مکانیک نیوتنی، پتانسیل گرانشی به زبان ساده برابر است با مقدار انرژی‌ای که جسم در‌صورت سقوط از ارتفاعی مشخص به‌دست می‌آورد. به‌عنوان مثال، سنگی را از بالای ساختمان رها و سرعت آن را در لحظه‌‌ی رسیدن به زمین اندازه‌گیری کنید. با این عدد می‌توانید پتانسیل گرانشی ذخیره‌شده در سنگ را در لحظه‌‌ی سقوط محاسبه کنید.

در نظریه‌ی نسبیت عام که فضازمان بسته به حرکت اجسام کشیده و فشرده می‌شود، پتانسیل بیانگر چیزی بیشتر از انرژی پتانسیل در مکانی خاص است. درحقیقت، پتانسیل شکل فضازمان را بیان می‌کند. ثورن در‌باره‌ی اثر حافظه می‌گوید: «اثر حافظه چیزی جز تغییر در پتانسیل گرانشی، پتانسیل گرانشی نسبیتی نیست.» انرژی موج گرانشی عبوری تغییری در پتانسیل گرانشی به‌وجود می‌آورد که این تغییر حتی پس از عبور موج در فضازمان اعوجاج ایجاد می‌کند.

چهار فیزیک‌دان در دهه‌ی ۱۹۶۰ در تلاش برای فهم بهتر نسبیت عام این سؤال را مطرح کردند: در ناحیه‌ای بی‌نهایت دور از همه‌ی اجرام و انرژی‌های جهان که کشش جاذبه برخلاف امواج گرانشی چشم‌پوشیدنی باشد، چه اتفاقی می‌افتد؟ آنان برای پاسخ به این پرسش تقارن‌های حاکم بر این ناحیه را مطالعه کردند.

پیش‌از‌این، آنان تقارن‌های جهان را براساس نسبیت خاص می‌شناختند؛ بدین‌شکل که فضازمان مسطح و بدون ویژگی خاصی است. در چنین دنیای ساده‌ای، همه‌چیز یکسان به‌نظر می‌رسد، مستقل از اینکه شما کجا قرار دارید و در چه جهت و با چه سرعتی در حرکت هستید. این ویژگی ها به‌ترتیب به تقارن‌های انتقالی و چرخشی و تقویت‌کننده مربوط هستند.

فیزیک‌دانان انتظار داشتند که در جایی بی‌نهایت دور از تمام ماده‌های موجود در جهان، این تقارن‌های ساده دوباره ظاهر شوند. در کمال تعجب، آنان علاوه‌بر تقارن‌های مورد‌انتظار مجموعه‌ای نامتناهی از تقارن‌ها را پیدا کردند. این اَبَرتقارن‌ها بیان می‌کردند که بخش‌های جداگانه‌ی فضازمان می‌توانند کشیده و فشرده و حتی بریده شوند.

ابهی اشتکار، فیزیک‌دان دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، در دهه‌ی ۱۹۸۰ دریافت که اثر حافظه نمایش فیزیکی این اَبَرتقارن‌ها است. لارا دانی، فیزیک‌دان دانشگاه صنعتی وین، در‌این‌باره می‌گوید:

نکته‌ی شگفت‌انگیز یافته‌های اشتکار این است که اَبَرتقارن‌ها واقعا فیزیکی هستند. بسیاری از فیزیک‌دانان هنوز کامل درک نمی‌کنند که چطور اَبَرتقارن‌ها با عملکردی پیچیده،‌ اثری فیزیکی مانند اثر حافظه به ما می‌دهند.

فضازمان می‌تواند اطلاعاتی را ذخیره کند که ممکن است کلید حل معمای تناقض اطلاعاتی سیاه‌چاله باشد. توصیف این تناقض به‌طور خلاصه بدین‌شکل است: اطلاعات ایجاد یا از بین برده نمی‌شوند؛ بنابراین، اطلاعات مربوط به ذرات پس از سقوط در سیاه‌چاله و انتشار مجدد آن‌ها به‌عنوان تابش هاوکینگ به کجا می‌رود؟

در سال ۲۰۱۶، اندرو استرومینگر، فیزیک‌دان دانشگاه هاروارد، همراه با استفان هاوکینگ و مالکوم پری متوجه شد افق رویداد سیاه‌چاله اَبَرتقارن‌هایی مشابه انواع موجود در منطقه‌ای بسیار دور از هر مواد و انرژی جهان دارد. وی با همان منطق نتیجه گرفت که در افق رویداد نیز، باید اثر حافظه وجود داشته باشد. پس ذرات در حال سقوط ساختار فضازمان و در‌نتیجه اطلاعات موجود در آن را در نزدیکی سیاه‌چاله تغییر می‌دهند. این موضوع پاسخ محتملی برای حل این تناقض ارائه کرد. در‌واقع اطلاعات ذرات از بین نرفته و فقط در تار‌و‌پود فضازمان رمزگذاری شده است.

سابرینا پاسترسکی، فیزیک‌دان نظری دانشگاه پرینستون و همکارانش برنامه‌ی تحقیقاتی جدیدی راه‌اندازی کرده‌اند که مطالب مربوط به گرانش و سایر حوزه‌های فیزیک را به اَبَرتقارن‌ها مرتبط می‌کند. آنان در جست‌و‌جوی این ارتباط انواع جدید و عجیبی از اثر حافظه یافته‌اند. پاسترسکی موفق شد ارتباطی بین مجموعه‌ای متفاوت از تقارن‌ها و اثر حافظه‌ی چرخشی ایجاد کند.

متأسفانه محققان پروژه LIGO هنوز موفق نشده‌اند شواهد اثر حافظه را کشف کنند. مقدار تغییر حاصل از موج گرانشی در فاصله‌ی بین آینه‌‌های LIGO بسیار کوچک است (حدود یک‌هزارم عرض یک پروتون)؛ درحالی‌که پیش‌بینی می‌شود اثر حافظه ۲۰ برابر کوچک‌تر باشد. قرارگرفتن LIGO در سیاره‌ی پرسرو‌صدای ما اوضاع را بدتر می‌کند. نویز لرزه‌ای با فرکانس پایین تقریبا مشابه تغییرات اثر حافظه در موقعیت‌ آینه‌ها رفتار می‌کند؛ بنابراین، جدا‌کردن سیگنال از نویز در این مسئله کار دشواری است.

همچنین، کشش گرانشی زمین تمایل دارد آینه‌های LIGO را به موقعیت اولیه‌ی آن بازگرداند و حافظه‌ی آن را پاک کند. ازاین‌رو، اگرچه پیچ‌خوردگی‌ها در فضازمان دائمی هستند، تغییرات ایجاد‌شده در موقعیت آینه‌ها ماندگار نیست. محققان باید قبل از اینکه گرانش فرصتی برای عقب‌کشیدن آینه‌ها داشته باشد، مقدار جابه‌جایی آینه‌ها را اندازه‌گیری کنند.

درحالی‌که تشخیص اثر حافظه‌ی ناشی از تنها یک موج گرانشی با فناوری کنونی غیرممکن است، اخترفیزیک‌دانان راه‌حل‌های هوشمندانه‌ای برای این معضل ارائه کرده‌اند. به‌عنوان مثال، می‌توان سیگنال‌های متعدد را جمع‌آوری و شواهد را به روش آماری و در‌عین‌حال بسیار دقیق مطالعه کرد.

لاسکی مستقلا پیش‌بینی کرده‌ است که برای جمع‌آوری آمار کافی به‌منظور تأیید مشاهده‌ی اثر حافظه به ثبت بیش از ۱،۰۰۰ رویداد موج گرانشی نیاز دارد. با پیشرفت‌های مداوم در LIGO و کمک‌های آشکارساز VIRGO در ایتالیا و KAGRA در ژاپن، لاسکی فکر می‌کند تا رسیدن به ۱،۰۰۰ شناسایی راه زیادی نمانده است.