ايتنا - نظریه گرانش «زنبور عسل»

دانشمندان بر این باورند که «گرانش زنبور عسل» می‌تواند دلیل انبساط سریع جهان را توضیح دهد و برای اثبات آن، به سایهٔ سیاهچاله‌ها رجوع می‌کنند.

به گزارش ایتنا و به نقل از Space، اگر سایهٔ مورد بررسی اندکی کوچکتر از پیش‌بینی‌های تئوری باشد، در اینصورت این امر می‌تواند به اثبات مفهومی به نام «گرانش زنبور عسل» کمک کند. این نظریه توضیح می‌دهد که اگر تقارن ظاهراً بی‌عیب و نقص جهان چندان هم دقیق نباشد، چه اتفاقی خواهد افتاد.

اگر دانشمندان بتوانند سیاهچاله‌ای با چنین سایهٔ کوچکی پیدا کنند، دریچه‌ای برای درک جدیدی از گرانش باز خواهد شد و شاید متوجه شویم که چرا جهان با سرعت هر چه بیشتری در حال گسترش است.

اما برای درک اینکه چگونه این ایده می‌تواند مؤثر واقع شود، ابتدا باید به بررسی بنیان‌های فیزیکی آن بپردازیم. فیزیکدانان عاشق تقارن هستند و البته تقارن به ما کمک می‌کند تا از عمیق‌ترین اسرار جهان پرده برداریم. به‌عنوان مثال، فیزیکدانان دریافته‌اند که اگر در زمینهٔ فیزیک بنیادی آزمایشی انجام دهید، می‌توانید تجهیزات آزمایش خود را به جای دیگری منتقل کنید و باز هم همان نتیجه را بگیرید (یعنی اگر همه عوامل دیگری مانند دما و قدرت جاذبه ثابت باقی بمانند). به عبارت دیگر، مهم نیست که در کجای فضا آزمایش خود را انجام دهید؛ هر بار همان نتیجه را خواهید گرفت. با منطق ریاضی، این امر مستقیماً به قانون حفظ حرکت منجر می‌شود.

مثالی دیگر: اگر آزمایش خود را انجام کنید و پس از مدتی دوباره آن را اجرا کنید، باز هم همان نتیجه را می‌گیرید (باز هم اگر همه شرایط ثابت بمانند). این تقارن زمانی مستقیماً به قانون بقای انرژی منجر می‌شود – اینکه انرژی هرگز نمی‌تواند ایجاد یا تخریب شود.

یک تقارن مهم دیگر هم وجود دارد که بستر فیزیک مدرن را تشکیل می‌دهد. این تقارن به افتخار هندریک لورنتس، فیزیکدانی که همه اینها را در اوایل دهه ۱۹۰۰ میلادی کشف کرد، «تقارن لورنتس» نامیده می‌شود. به‌نظر می‌رسد که می‌توانید آزمایش خود را انجام دهید و بارها آن را تکرار کنید (و در صورتی که همه موارد ثابت باشند) نتیجه مشابهی خواهید گرفت. همچنین می‌توانید آزمایش خود در سرعت بیشتر ولی ثابتی انجام دهید و همچنان به همان نتیجه برسید.

به عبارت دیگر، همه موارد دیگر ثابت هستند؛ این نکته تکراری ولی بسیار مهم است؛ اگر شما یک آزمایش را در حالت بدون حرکت انجام دهید و سپس همان آزمایش را در حال حرکت با نیمی از سرعت نور انجام هم دهید، دوباره همان نتیجه را بدست خواهید آورد.

این همان تقارنی است که لورنتس کشف کرد: قوانین فیزیک بدون در نظر گرفتن موقعیت، زمان، جهت و سرعت، همیشه یکسان هستند. اما از این تقارن بنیادین چه نتیجه‌ای می‌گیریم؟ در ابتدا کل نظریه نسبیت خاص انیشتین را نتیجه می‌گیریم که سرعت ثابتی برای نور درنظر می‌گیرد و نحوه اتصال فضا و زمان را برای اجسامی که با سرعت‌های مختلف حرکت می‌کنند، توضیح می‌دهد.

نسبیت خاص به قدری برای فیزیک ضروری است که یک فرضیه مهم در فیزیک است: مثلاً اگر می‌خواهید دربارهٔ نحوهٔ کار کیهان ایده‌پردازی کنید، ایدهٔ شما باید با قوانین نسبیت خاص سازگار باشد.

فیزیکدانان دائماً در تلاشند در فیزیک، نظریه‌های جدید و پیشرفته بپرورند؛ زیرا نظریه‌های قدیمی مانند نسبیت عام (که توضیح می‌دهد چگونه ماده باعث اعوجاج فضا-زمان می‌شود)، نمی‌توانند همه چیز در جهان را توصیف کنند؛ مانند آنچه که در قلب یک سیاهچاله اتفاق می‌افتد. و حالت بسیار جذاب برای راستی‌آزمایی فیزیک جدید این است که ببینیم آیا ممکن است در شرایط شدید برخی از مفاهیم چندان هم دقیق عمل نکنند؛ مفاهیمی همچون تقارن لورنتس.

برخی از مدل‌های گرانش استدلال می‌کنند که جهان دقیقاً متقارن نیست. این مدل‌ها پیش‌بینی می‌کنند که موادی اضافی در جهان وجود دارند که آن را مجبور می‌کنند به‌طور دقیق از تقارن لورنتس پیروی نکند. به عبارت دیگر، جهت خاص یا ممتازی در کیهان وجود دارد.

این مدل‌های جدید فرضیه‌ای را توصیف می‌کنند که «گرانش زنبور عسل» نامیده می‌شود. این نام از این ایدهٔ فرضی گرفته شده که مردم ادعا می‌کردند که زنبورها نمی‌توانند پرواز کنند؛ زیرا ما نمی‌فهمیدیم که بال‌های آنها چگونه باعث پرواز می‌شوند (البته دانشمندان هرگز چنین اعتقادی نداشتند). ما کاملاً نمی‌دانیم که این مدل‌های جاذبه چگونه عمل می‌کنند و چگونه می‌توانند با کیهان سازگار باشند؛ ولی با این وجود، می‌توانیم آنها را به‌عنوان گزینه‌هایی بالقوه برای فیزیک جدید درنظر بگیریم.

یکی از قدرتمندترین کاربردهای مدل گرانش زنبور عسل، توضیح انرژی تاریک است؛ یعنی پدیده‌ای که مسئول انبساط جهان قابل‌مشاهده است. از قرار معلوم، هرقدر که جهان ما تقارن لورنتس را نقض کند، می‌تواند با میزان انبساط جهان ارتباط داشته باشد. از سوی دیگر، از آنجا که ما نمی‌دانیم چه چیزی باعث ایجاد انرژی تاریک می‌شود، این فرضیه بسیار جذاب به نظر می‌رسد.

بنابراین یک فرضیهٔ جدید در زمینهٔ گرانش داریم که بر اساس نقض تقارن توسعه داده شده است. حال برای آزمودن این ایده باید به کجا برویم؟ باید به جایی برویم که جاذبه تا حد بسیار زیادی دچار اتساع یا کشیدگی شده باشد؛ یعنی یک سیاهچاله. محققان در مطالعه جدید خود با نگاه به سایهٔ یک سیاهچاله که در یک جهان فرضی مدل شده و تا حد امکان واقع‌بینانه است، چنین کاری انجام دادند.

[توضیح تصویر]

آیا اولین تصویری از سیاهچاله M87 که یک سال پیش توسط تلسکوپ Event Horizon گرفته شد را به‌یاد دارید؟ آن مرکز تاریک و تهی با حلقه‌ای روشن در اطراف آن که «سایه» آن را تشکیل می‌داد، می‌بینید؟ یعنی منطقه‌ای که تمام نور پشت و اطراف خود را جذب کرده است. شایان ذکر است که بیش از ۲۰۰ ستاره‌شناس توانستند با استفاده از هشت تلسکوپ تصویری حیرت‌انگیز و دیده‌نشده از این سیاهچالهٔ دوردست تهیه کنند.

این گروه پژوهشی برای هرچه واقع‌گرایانه‌تر کردن این مدل، یک سیاهچاله را در پس‌زمینهٔ جهانی قرار دادند که بطور فزاینده‌ای در حال انبساط است (دقیقاً مانند آنچه که ما مشاهده می‌کنیم) و سطح نقض تقارن آن را نیز مطابق با رفتار انرژی تاریک تنظیم کردند.

پژوهشگران دریافتند که در این حالت، سایهٔ سیاهچاله می‌تواند تا ۱۰ درصد کوچکتر از آنچه که در جهان «گرانش معمول و طبیعی» شاهد هستیم، به‌نظر برسد که البته روش واضحی برای آزمودن گرانش زنبور عسل است. با اینکه تصویر فعلی از سیاهچالهٔ M87 برای تشخیص تفاوت بسیار مبهم است، اما تلاش برای گرفتن عکس‌های بهتری از سیاهچاله‌ها همچنان در جریان است تا به بررسی عمیق‌ترین اسرار جهان هستی بپردازند.