آيا امواج گرانشي آشکارسازي شده‌اند؟ يکي از مهمترين و آخرين نتايج محاسبات نظري آينشتاين در بوته‌ي آزمايش جدي.
همراه با به روز رساني بعد از اعلام نتايج تحليل داده‌هاي BICEP2
مشاهدهٔ شماره ۱۰۳
چندي پيش تولد آينشتاين بود و همينطور روز عدد پي. چند ماهي‌ست که دنياي فيزيک اخباري تقريباً انقلابي را به رسانه‌ها اعلام مي‌کند. پژوهشگران آزمايش BICEP2 در قطب جنوب اولين گواه را بر آشکارسازي امواج گرانشي اعلام کردند. اين آخرين موردي است که خود آينشتاين در محاسبات و ايده‌ي آن دخيل بوده (سياه چاله به عنوان يکي از مهمرين ايده‌هاي نسبيت عام همچنان به صورت رازي سر به مُهر باقي مانده‌اند).
حدود ۱۰۰ سال قبل آينشتاين نسبيت عام را تببين کرد. اين نظريه آخرين و مهمترين سهم آينشتاين در علم بود. در مقالات متعددي مي‌توانيد با اين نظريه آشنا شويد. براي اينکه خلاصه‌اي بسيار کوتاه در مورد نسبيت عام نوشته باشيم: نسبيت عام عالم را در ابعاد بزرگ، سيارات، ستارگان، کهکشان‌ها، خوشه‌هاي کهکشاني، و فراتر توصيف مي‌کند. مکانيک کوانتم دنياي مقياس ريز مثل اتم‌ها، ذرات زيراتمي را توصيف مي‌کند. سال‌ها نظريه‌پردازان، سعي داشتند اين دو نظريه را يکي کنند و نظريه‌ي وحدت را فرمول بندي کنند.
 |
نسبيت عام عالم را در سه بُعد فضايي و يک بُعد زماني در نظر مي‌گيرد. يعني تمام رويدادها و خود عالم در اين ۴ بُعد غوطه ور هستند. اين تصوير چهار بُعدي از عالم براي شبيه سازي و حتي تصور پيچيده است. اخيراً نظريه‌هايي ارائه شده که بر چندکانه بودن زمان تأکيد دارند. و البته فضا هم وارد ابعاد بالاتري مي‌شود. ولي فعلاً لازم نيست خيلي نگران اين مسئله باشيم.
تصوير اين قضيه را ساده مي‌کنيم: فرض کنيد فضا-زمان يک بوم نقاشي تخت است.
|
اجسامي با جرم مشخصي چون خورشيد، اين بوم را دچار اعوجاج مي‌کنند، به طوريکه ديگر اجسام که در مسير نزديک اين‌ها سفر مي‌کنند، مسيري منحني خواهند پيمود. پس گرانش از انحناي فضا-زمان به وجود مي‌آيد. اين مسئله از قوانين نيوتن فراتر مي‌رود. چون در قوانين نيوتن گرانش نيروي نامرئي است که در آن واحد بين دو جسم رد و بدل مي‌شود. اين همزماني، کُنش نامرئي در فاصله‌اي معين است که حتي در زمان نيوتن هم قانع کننده نبود.
اخيراً نسبيت عام تصوير قانع کننده‌تري از گرانش به نمايش گذاشته، و ثابت کرده که قابليت پيش بيني مواردي را دارد که قوانين نيوتن فاقد آن هستند. مانند حرکت‌هاي پيچيده‌ي عطارد در زمان نزديک شدن به خورشيد. وقتي جسمي جرم دار شتابدار مي‌شود، نسبيت عام پيش بيني مي‌کند که امواج گرانشي به وجود مي‌آيند که در فضا-زمان موج ايجاد مي‌کنند. معمولاً اين امواج بسيار کوچک هستند، ولي بزرگتر از نمونه‌هايي چون برخورد سياه‌چاله‌ها هستند. اين امواج با گذر از زمين باعث مي‌شوند که سياره‌ي ما به آرامي منبسط و منقبض شود! ولي مسئله اين است که بسيار کوچک هستند.
چند آزمايش تاکنون سعي بر آشکارسازي آن‌ها کرده‌اند. چالش آشکارسازي آن‌ها اثرات متعددي چون لرزش ارتعاشي روي زمين دارند! بسياري از اين آزمايش‌ها به دنبال امواجي قابل رويت هستند؛ يعني تصويرسازي از عالم اوليه. عالم اوليه ظاهراً دوره‌ي انبساطي سريعي به نام تورم داشته. در طول اين دوره، تورم امواج گرانشي عالم اوليه بسيار ضعيف تقويت مي‌کند. اين امواج بايد بر الگوي پراکندگي نور اوليه که از مرزهاي عالم قابل مشاهده آمده تأثير داشته باشند. اين نور يا موج رسيده را تابش ميکروموج مي‌ناميم.
آزمايش‌هاي بسياري از جمله BICEP2 به دنبال ردگيري امواج بوده‌اند. در فيزيک بايد هر آزمايشي با آزمايش‌هاي بعدي تاييد شود در غير اين صورت احتمال اينکه فرضيه اشتباه باشد بسيار زياد است. آشکار سازي امواج گرانشي براي فيزيکدانان هيجان انگيز است. روش‌هاي غيرمستقيمي از جمله حرکت تپ‌اخترها هم وجود دارد. چيزي که براي فيزيکدانان فوق العاده جالب بوده، اطلاعات ارزشمندي است که از عالم اوليه مي‌توان کسب کرد؛ مانند انبساط سريع عالم، به نام تورم، و حتي جالب‌تر از آن ويژگي‌هاي بنيادي گرانش. اطلاعاتي که از سيگنال‌هاي گرانشي مي‌توان به دست آورد، در مدل‌هاي مطرح عالم اوليه نقش خواهند داشت و شايد ما را وارد طبيعت و بنيان گرانش کنند. اينجاست که فيزيکدانان مي‌توانند به وحدت گرانش و کوانتم فکر کنند.
به روز رساني بعد از اعلام نتايج تيم BICEP2
در اين بخش چند اصطلاح فني مورد استفاده قرار گرفته که با استفاده از کلمات کليدي اين بخش مي‌توانيد به زبان ساده مطالب مورد نياز و مفهومي مربوطه را بخوانيد.
تيم BICEP2 دسامبر ۲۰۱۳ نتايج مهمي را اعلام مي‌کند. اين نتايج برآن بودند که اختلالاتي را در سينگال‌هاي B امواج زمينه کيهاني (CMB) مشاهده کرده‌اند. از جاييکه اثرات اين اختلال دو روايت مي‌تواندداشته باشد، تأييد نهايي به آزمايش BICEP3 موکول مي‌شود ولي به احتمال قوي اين رويداد فيزيکي مانند کشف ذر‌ي هيگز بوزون گونه تأييد خواهد شد و شايد گواه آن قوي‌تر از هيگز هم باشد. سينگال‌هاي دريافتي اگر مربوط به اثرات نه چندان محسوس امواج زمينه کيهاني باشند، معنايي بسيار عميق در آن نهفته است! انتظار براي کشف ذره‌ي حامل گرانش به نام گرويتون! اين ذره طبق مدل استاندارد ذرات بايد اسپين ۲ داشته باشد و سيگنال نيروي گرانش را حمل کند. درست مانند فوتون و گلئون، و ذرات حامل ديگر که نيروهاي مختلف از جمله، ضعيف، قوي را منتقل مي‌کنند. ولي نتيجه‌ي بعدي جالب‌تر است. چگونه دنبال گرويتون بگرديم؟ و در نهايت، اگر اين ذره‌ي اسپين ۲ وارد مدل استاندارد ذرات شود، همه چيز در ذرات يکبار بايد مرور شده و درآيندهاي نه چندان دور گرانش و مکانيک کوانتمي يعني ابعاد بزرگ و کوچک بنا به شواهد آزمايشگاهي و رصدي باهم متحد خواهند شد. اندازه‌گيري‌هاي اخير با درستي موج گرانشي توافق خبوي دارد. منتهي هنوز معلوم نيست خطايي در کار بوده يا پديده‌ي ديگري آشکار سازي شده و يا موج گرانشي ناشي از ميدان‌هاي گرانشي و موج ضربه‌هاي اوليه را رصد کرده‌ايم.
شايد عجيب‌تر و جالب‌تر هم اين باشد که آينشتاين همچنان با نسبيت عام خودش پيشتاز است و به تنهايي در مقابل دنياي ذرات بنيادي قد علم کرده. البته بارها اشاره کرديم در مطالب مختلف که او در اين کار تنها نبود ولي ايده هاي نسبيت عام از خودش بود و ديگران با حل معادلات مختلف از معادله‌ي آينشتاين در شرايط مرزي مختلف به نتايج مختلف رسيدند. از سياه چاله ها تا گرويتون.