مقدمه ای بر امواج گرانشی

در مقاله قصد داریم تا در این زمینه بحث و گفتو کنیم در سال ۱۶۶۵ سر ایزاک نیوتن قانون جاذبه ی عمومی را وضع کرد و درست ۲۵۰سال بعد دانشمند همه ی دوران فیزیک آلبرت
اینشتین قوانین گرانش را توسعه داد و اصلاح کرد . در سال های نیوتون فضا و زمان مطلق فرض می شد و دانشمندان آن زمان فکر می کردند که با این قوانین نیوتنی می توان تمام
پدیده های فیزیک را شرح داد . ولی پس مدتی مشخص شد که واقعا” این چنین نیست . در سال ۱۹۰۵ آلبرت اینشتین فضا و زمان را پیوسته فرض کرد به طوری که یک بافت را به وجود می آورند درست همانند تار و بود قالی که در هم جفت می شوند . این بافت دارای خواصی است که جالب به نظر می رسد ؛ مثال در  حضور ماده و انرژی خمیده می شود و مسیر هر چیز را که در حرکت باشد و از کنار آن بگذرد تغییر می دهد . برای درک بهتر یک سطح ارتجاعی را در نظر بگیرید که اگر جسم جرم داری بروی آن قرار گیرد خمیده می شود و به داخل می رود . برای مثال اگر پرتوی نوری از کنار ستاره ی نوترونی به جرم ۲۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰ و شعاع ۱۰۰ متر بگذرد در مسیر آن ۴۶ درجه انحنا ایجاد می شود . 

با تکیه بر این نکته ی ساده از نسبیت عام می توانیم امواج گرانشی را شرح دهیم . اینشتین که خود خالص نسبیت خاص و عام بود پیش بینی کرده است که اجرام بزرگ سماوی چون ستاره ها و یا ستاره های نوترونی در بافت فضا – زمان انحنا ایجاد می کنند و با حرکت خود موجب می شوند تا اختلالاتی در این بافت ایجاد شود . این اختلالات که عمدتا” بر اثر حرکت اجرام سماوی پدید می آیند امواجی را در فضا – زمان ایجاد می کنند که اصطلاحا” به آنها امواج گرانشی می گویند .

از این جهت به این امواج گرانشی می گویند که تعریف گرانش در نسبیت به شرح زیر است اثر هندسی جرم بر فضا – زمان اطراف خود را گرانش می گویند در نسبیت عام گفته می شود که این امواج قادر هستند با سرعت نور منتشر شوند . اگر قصد دارید این امواج را تصور کنید سنگی را در نظر بگیرید که به درون استخری رها می شود مسلما” این سنگ امواجی را ایجاد می کند که می توانند تا مسافتی زیاد حرکت کنند .

براساس نسبیت عام حرکت هرجسم جرم داری این امواج را تولید می کند ؛ ولی مولد های عمده ی این امواج را می توان در سیستم های دوتایی اجرام سنگین همانند سیستم های دوتایی ستاره ی نوترونی و یا سیاهچاله و ستاره ی نوترونی هستند . البته دو اخترفیزیک دان به نام های ژوزف تیلور و راسل هالس برای کار بروی سیستم های دوتایی ستاره های نوترونی و تأثیر آنها بر امواج گرانشی در سال ۱۹۹۳ جایزه نوبل را دریافت کردند . در واقع سیستم های دوتایی شاهدی قوی بر وجود این امواج هستند . البته سیستم های دوتایی مشتمل بر سیاهچاله و ستاره ی نوترونی می توانند امواج قوی تولید کنند

دوره ی مداری این اجرام بین هزاران ثانیه تا چند سال متغییر است . این اجرام می توانند به دو سرانجام با یکدیگر برخورد کنند . در این صورت امواجی قوی و عظیم منتشر خواهد شد که
ممکن است تعدادی از آن ها به زمین ما برسد و ما آنها را دریافت کنیم هر چند که تا کنون این امواج به طور مستقیم دریافت نشده اند اولین تلاش ها برای دریافت امواج گرانشی  در سال ۱۹۶۰ توسط ژوزف وبر انجام شد . او برای آشکار کردن این امواج استوانه به قطر ۶۰ سانتی متر و طول ۵/۱ متر ساخت که بالغ بر ۱۰۰۰ کیلوگرم جرم  داشت . در وسط این استوانه سیمی به حالت پیچ خورده در محفظه ای خلاء به صورت معلق قرار داشت و در سطح آن کریستال هایی پیزوالکتریک به چشم  می خود اگر امواج گرانشی به این استوانه برخورد می کرد ارتعاشات و فشارهایی ایجاد می کرد که باعث می شد این کریستال ها جریان کمی را ایجاد کنند .

همانطور که می دانیم پیزو الکتریک ها در اثر فشار و ارتعاش برق تولید می کننداین استوانه به صورتی طراحی شده بود که بر اثر بزرگ ترین ارتعاش پاسخ می داد زیرا این استوانه در هر حال بر اثر گرما در نوسان خواهد بود . سرانجام در سال ۱۹۶۹ وبراعلام کرد که این امواج را با موفقیت به ثبت رسانده است و این حاکی از آن بود که موجی گرانشی به زمین برخورد کرده است . با این وجود بیشتردانشمندان حرف او را نپذیرفتند . ولی دلیلی هم نداشتند تا نظر او را رد کنند .

اکنون امواج گرانشی توسط آنتن تداخل سنج لیزری ، فضایی ایالات متحده ی آمریکا در صورت وجود دریافت خواهند شد . این آنتن به اختصار لیزا نامیده می شود ما سعی می کنیم تا امواج گرانشی حاصل از بیگ بنگ را دریافت کنیم . اگر این امواج به طور مستقیم دریافت شوند تحولی عظیم در اختر فیزیک رخ خواهد داد . همانطور که گفته شد این امواج در نسبیت عام آمده اند . با این وجود هم چنان اشکالاتی نظری دارند این مشکل همان اشکال همیشگی است که ناسازگاری نسبیت با مکانیک کوانتوم است همانطور که می دانید با حرکت یک جسم جرم دار در فضا زمان میزان انحنای فضا زمان تغییر می کند و در نتیجه گرانش متحول می شود . در نتیجه امواج  گرانشی نیز تغییر می کنند و همچون فضا – زمان پیوسته فرض می شوند در این صورت سه تا از چها تا نیروی بنیادی کوانتومی خواهند بود ولی گرانش اینگونه نخواهد بود . اگر امواج گرانشی را کوانتومی فرض کنیم باز هم با پیوستگی فضا – زمان ناسازگاری دارد تنهای راه ممکن برای حل این مشکل این است  که فضا – زمان را نیز کوانتومی فرض کنیم این مقدمه ی کوتاه از امواج گرانشی بود

موفق و سربلند باشید

منبع:پارس اسکای