ما هي موجات الجاذبية؟

في يوم الاثنين (16 أكتوبر 2017) ، أعلنت LIGO و Virgo عن أول اكتشاف لموجات الجاذبية الناتجة عن تصادم النجوم النيوترونية. ولكن ما هي موجات الجاذبية؟ إليكم شرح لجرين إريسون ، جامعة نوتنجهام ترينت

لفهم هذه الظاهرة على أفضل وجه ، دعنا نعود في الوقت المناسب لبضع مئات من السنين. في عام 1687 عندما نشر إسحاق نيوتن كتابه Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ، فكر في قوة الجاذبية كقوة جذابة بين كتلتين - سواء كانت الأرض والقمر أو بازلتين على سطح الطاولة. ومع ذلك ، فإن طبيعة كيفية انتقال هذه القوة لم تكن مفهومة جيدًا في ذلك الوقت. في الواقع ، لم يتم اختبار قانون الجاذبية بحد ذاته حتى قام العالم البريطاني هنري كافنديش بذلك في عام 1798 ، أثناء قياس كثافة الأرض.

بسرعة إلى الأمام حتى عام 1916 ، عندما قدم أينشتاين للفيزيائيين طريقة جديدة للتفكير في المكان والزمان والجاذبية. بناءً على الأعمال المنشورة في عام 1905 ، ربطت نظرية النسبية العامة مع بعضها البعض بأن ما نعتبره عادةً كيانين منفصلين - الزمان والمكان - فيما يسمى الآن "الزمكان".

يمكن اعتبار الزمان والمكان بمثابة نسيج الكون. هذا يعني أن كل شيء يتحرك ، يتحرك فيه. في هذا النموذج ، أي شيء مع كتلة يشوه النسيج الزمكان. أكبر كتلة ، أكبر تشويه. ونظرًا لأن كل جسم متحرك يتحرك عبر الزمان والمكان ، فسيتبع أيضًا التشوهات التي تسببها الكائنات ذات الكتلة الكبيرة.

تتمثل إحدى طرق التفكير في ذلك في النظر في طفلين ، أحدهما أثقل من الآخر ، يلعب على الترامبولين. إذا تعاملنا مع سطح الترامبولين كقماش ، فإن الطفل الأكثر ضخامة يشوه النسيج أكثر من الآخر. إذا وضع أحد الأطفال كرة بالقرب من أقدام الآخر ، فستتدحرج الكرة باتجاه ، أو تتبع التشويه ، نحو أقدامهم. وبالمثل ، عندما تدور الأرض حول الشمس ، فإن كتلة الشمس الضخمة تشوه الفضاء من حولها ، تاركة كوكبنا الصغير نسبياً يتبع "مستقيمًا" قدر استطاعته ، ولكن في الفضاء المنحني. هذا هو السبب في أن ينتهي به المطاف يدور حول الشمس.

الترامبولين: متعة والتعليمية. الصورة عبر cotrim / pixabay.

إذا قبلنا هذا التشبيه البسيط ، عندها لدينا أساسيات الجاذبية. يعد الانتقال إلى موجات الجاذبية خطوة صغيرة ولكنها مهمة للغاية. اسمح لأحد الأطفال على الترامبولين بسحب جسم ثقيل عبر السطح. هذا يخلق تموج على السطح يمكن ملاحظته. هناك طريقة أخرى لتصور ذلك وهي التفكير في تحريك يدك عبر الماء. تموجات أو موجات تنتشر من أصلها ولكن تتحلل بسرعة.

أي كائن يتحرك عبر نسيج الزمكان يسبب موجات أو تموجات في ذلك النسيج. لسوء الحظ ، تختفي هذه التموجات أيضًا بسرعة إلى حد ما وتنتج الأحداث الأكثر عنفًا عن تشوهات كبيرة بما يكفي لاكتشافها على الأرض. لوضع هذا في المنظور الصحيح ، قد يؤدي وجود فتحتين أسودتين تصطدمت كل منهما كتلة عشرة أضعاف شمسنا إلى موجة تسبب تشويها بنسبة 1 ٪ من قطر الذرة عندما تصل إلى الأرض. على هذا المقياس ، يكون التشوه في حدود قطر الأرض الذي يبلغ 0.0000000000001 متر مقارنةً بالتغير البالغ مليون متر بسبب انتفاخ المد والجزر.

ما الذي يمكن أن تستخدمه موجات الجاذبية؟

بالنظر إلى أن هذه التموجات صغيرة للغاية ويصعب اكتشافها ، فلماذا بذلنا هذا الجهد للعثور عليها - ولماذا ينبغي أن نهتم باكتشافها؟ يتبادر إلى الذهن سببان فوريان (سأترك جانبي اهتمامي ببساطة في الرغبة في المعرفة). أحدهما هو أن آينشتاين تنبأ بها قبل 100 عام. تأكيد وجود موجات الجاذبية وبالتالي يوفر المزيد من الدعم الملاحظة قوية لنظرية النسبية العامة.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للتأكيد فتح مجالات جديدة من الفيزياء مثل علم الفلك الموجي الثقالي. من خلال دراسة الموجات التثاقلية من العمليات التي تسببت فيها - في هذه الحالة اثنين من الثقوب السوداء دمج - يمكننا أن نرى تفاصيل حميمة للأحداث العنيفة في الكون.

يمكن لـ LISA ، وهو مقياس تداخل ليزر مخطط له في الفضاء ، دراسة المصادر الفيزيائية الفلكية لموجات الجاذبية بالتفصيل. الصورة عبر ناسا.

ومع ذلك ، لتحقيق أقصى استفادة من علم الفلك ، من الأفضل وضع المكشاف في الفضاء. تمكنت LIGO الأرضية من التقاط موجات الجاذبية باستخدام التداخل بالليزر. تعمل هذه التقنية عن طريق تقسيم شعاع الليزر في اتجاهين عموديين وإرسال كل نفق فراغ طويل. ثم يتم عكس المسارين مرة أخرى بواسطة المرايا إلى النقطة التي بدأوا عندها ، حيث يتم وضع كاشف. إذا انزعجت الأمواج بسبب موجات الجاذبية في طريقها ، فإن الحزم المعاد تجميعها ستكون مختلفة عن الأصل. ومع ذلك ، فإن مقاييس التداخل الفضائية التي تم التخطيط لها في العقد المقبل ستستخدم أسلحة الليزر التي تمتد حتى مليون كيلومتر.

والآن بعد أن علمنا بوجودها ، فإن الأمل هو أن الأمواج الجاذبية يمكن أن تفتح الباب للإجابة على بعض أكبر الألغاز في العلوم ، مثل ما يتكون عليه غالبية الكون. 5٪ فقط من الكون هي مادة عادية ، 27٪ منها مظلمة والباقي 68٪ عبارة عن طاقة مظلمة ، بينما يطلق على الاثنين الأخيرين "علامة" لأننا لا نفهم ما هي عليهما. قد توفر موجات الجاذبية الآن أداة يمكن من خلالها استكشاف هذه الألغاز بطريقة مماثلة سمحت لنا الأشعة السينية والرنين المغناطيسي بالتحقيق في جسم الإنسان.

غرين ايريسون ، أستاذ العلوم التربوية ، منسق البحوث في كلية التربية ، جامعة نوتنجهام ترينت

نشرت هذه المقالة في الأصل على The Conversation. قراءة المقال الأصلي.

المحاكاة الحاسوبية لاثنين من الثقوب السوداء دمج إنتاج موجات الجاذبية. الصورة عبر فيرنر بنجر.

خلاصة القول: شرح موجات الجاذبية.