امواج گرانشی

آلبرت انیشتن در تئوری نسبیت عام خود که در سال 1915 منتشر شد، به وجود امواج گرانشی اشاره کرد. مطابق با این تئوری، فضا و زمان با هم مرتبط هستند و یک مفهوم جدید به نام فضا-زمان را به وجود می آورند. بنابر نسبیت عام هر جسمی که جرم داشته باشد موجب می گردد که فضای اطراف آن خمیده شود. هر زمان که این جسم حرکت کند، این انحنا با صورت بندی جدید ماده متناسب می شود. این تنظیم فضا-زمان با وضعیت متغیر مکانی ماده موجب می شود که امواج گرانشی با سرعت نور در فضا منتشر شود. اگر این امواج را بتوان برای اهداف مخابراتی بکار برد، طیف کاملا جدیدی برای بهره برداری مخابراتی مستقل از امواج الکترومغناطیس بدست خواهند داد. چرا ما اکنون که سه چهارم قرن از مطرح شدن امواج گرانشی گذشته است ایستگاههای ارسال و دریافت امواج گرانشی نداریم؟

مطابق با نسبیت خاص ، اطلاعات نمی توانند سریعتر از سرعت نور در فضا منتقل شوند. این مستلزم آن است که هر میدان باید یک پدیده موجی در ارتباط با خود داشته باشد. اگر یک بار الکتریکی که یک میدان الکتریکی ایستا را ایجاد کرده است به طور ناگهانی حرکت کند، میدان آن را در یک نقطه دور نمی تواند به طور آنی تغییر کند. میدان مجاور به بار می تواند بلافاصله تغییر کند و میدان در فاصله کوتاه از بار می تواند بعد از یک زمان کوتاه تغییر کند، و به همین ترتیب.

 تغییرات  میدان در نقطه ای دور در یک زمان مشخص متناسب است با فاصله آن تا بار تقسیم بر سرعت نور. تغییر موجی در میدان عبورکننده از فضا، موج مربوط به این بار خواهد بود. مشابهاً برای یک جرم، میدان گرانش نیوتنی اعمال می شود. یک موج گرانشی باید وجود داشته باشد تا گرانش با نسبیت خاص سازگار باشد.

نیوتن (در ادامه کارهای گالیله) نشان داد که یک جرم که با یک سرعت به فضا پرتاب می شود مسیری را طی می کند که مستقل از ماهیت شیء است. انیشتین اصل تعادل نیوتن را برای اشیاء بدون جرم ، مانند پرتوهای نور ، تعمیم داد و آن را به عنوان یک پدیده هندسی توصیف کرد. نظریه نسبیت عام، گرانش را به عنوان اعوجاج در بافت فضا توصیف می کند، که این با نسبیت خاص هم تطابق دارد، و پدیده موجی مربوط به آن به نام موج گرانشی نامیده می شود.

انحنای فضا را می توان با اندازه گیری های ساده ای آشکار کرد. به عنوان مثال مجموع زوایای داخلی هر مثلث بر روی یک صفحه تخت دو بعدی 180 درجه است. همین مجموع برای یک مثلث ترسیم شده بر روی سطح یک کره همیشه بیشتر از 180 درجه می شود. اصطلاحا گفته می شود که سطح کره دارای انحنای مثبت است.

بنابر تئوری، جرمهایی که تحت شتاب متغیر هستند امواج گرانشی از خود منتشر خواهند کرد. در نتیجه ستاره های درحال فروپاشی پالسهای امواج گرانشی ایجاد می کنند. امواج گرانشی باقی مانده از بیگ بنگ باید در پیرامون ما هنوز وجود داشته باشند.

تلاشهای زیادی برای مشاهده امواج گرانشی چنین رویدادهای فضایی انجام شده است، اما هنوز هیچ آشکار سازی تایید نشده است. این تلاشها ادامه دارد و طرح هایی برای ساخت دستگاههای حساستر و بزرگتر برای آشکار سازی این امواج در جریان است.

اگرچه تاکنون هیچ موج گرانشی به طور مستقیم آشکار نشده است، اما امروزه شواهد زیادی بر وجود این امواج به خاطر کم شدن سرعت مداری تپ اخترهای دوتایی وجود دارد. مقادیر اندازه گیری شده به طور بسیار نزدیکی با مقادیر محاسبه شده تئوریکی برای کاهش سرعت مداری انها به خاطر انتشار امواج گرانشی تطابق دارد. بنابر همین شواهد غیر مستقیم ما نتیجه می گیریم که نظر انیشتن در پیش بینی وجود این امواج درست است.

ما از وجود گرانش به عنوان نیرویی که ما را به سمت زمین می کشد بسیار آگاه هستیم، اما باید متوجه باشیم که این یک نیروی بسیار ضعیف است. ما این نیرو را حس می کنیم زیرا  ما بر روی یک جرم بسیار بزرگ (10²² تن) زندگی می کنیم.

انتشار امواج گرانشی بسیار ضعیف است زیرا اصطلاحا چهارقطبی است (جرمها همه از یک نوع هستند). از طرف دیگر انتشار الکترومغناطیسی قویتر است زیرا آنها دوقطبی هستند (بارها دو نوع هستند، مثبت و منفی).

از نظر تئوری، انتشار امواج گرانشی و الکترومغناطیسی هر دو با سرعت نور انجام می شود. اما امواج الکترومغناطیسی و گرانشی کاملا متفاوت هستند : ما هر روز امواج الکترومغناطیسی را می بینیم و از آنها استفاده می کنیم ، در حالی که هنوز به طور مستقیم امواج گرانشی را نتوانسته ایم آشکار کنیم (و به همین دلیل هنوز اسرارآمیز است باقی مانده اند).

برخی تفاوتهای اساسی بین امواج یا  میدانهای گرانشی و امواج یا میدانهای الکترومغناطیس به صورت زیر هستند:

1.   گرانش یک نیروی ضعیف است ، و اصطلاحا تک قطبی است .اما نیروی الکترومغناطیس بسیار قویتر است و به صورت دو قطب با بارهای مخالف می باشد. به طور تقریبی نیروهای الکترومغناطیسی بیش از 10³⁵ بار قوی تر از نیروهای گرانشی هستند. به همین دلیل درک ما از این دو پدیده متفاوت است.

2.   میدان های گرانشی از انباشته شدن ماده تولید می شوند، اما میدانهای الکترومغناطیسی به وسیله بارهای الکتریکی تولید می شوند.

3.   امواج گرانشی به وسیله حرکت توده های بزرگ ماده تولید می شوند، و طول موج آنها بسیار طولانی تر از خود اشیا است. امواج الکترومغناطیس ، به طور معمول به وسیله حرکت کوچک جفت بارهای الکتریکی در درون اشیاء تولید می شوند، و طول موج آنها بسیار کوچک تر از خود اشیا است.

4.   امواج گرانشی تعامل ضعیفی با مواد دارند و این باعث می شود که آشکارسازی آنها فوق العاده دشوار شود. آنها می توانند از هر ماده با هر تراکم یا ترکیب عبور کنند. امواج الکترومغناطیس به شدت با ماده های معمولی تعامل دارند، و این باعث آسان شدن تشخیص آنها می شود. اما آنها به آسانی به وسیله مواد جذب شده یا پراکنده می شوند.

5.   امواج گرانشی اطلاعات کلی درباره حرکت ها و ارتعاشات اشیا بدست می دهند. امواج الکترومغناطیس تصاویری از خصوصیات بارهای میکروسکوپی روی سطح اشیا بدست می دهند.

6.   میدان گرانشی عبارت است از یک میدان گرادیان نیروی گرانشی، و تشخیص آن نیازمند دستگاههایی طویل می باشد. میدان الکترومغناطیسی عبارت است از یک میدان نیروی الکتریکی که می توان به وسیله بارهای الکتریکی به راحتی وجود آن را تشخیص داد.

 منبع: ترجمه از چندین مقاله خارجی