هل يمكن للجاذبية أن تشكل موجات؟

بالعربي / نعم ، يمكن للجاذبية أن تشكل موجات. موجات الجاذبية هي تموجات في الزمكان تنتقل عبر الكون. إذا كنت تعتقد أن الجاذبية قوة تعمل عن بعد ، فمن الصعب أن تتخيل كيف يمكن أن تتشكل موجات الجاذبية. ومع ذلك ، إذا استخدمت الوصف الأكثر دقة للجاذبية الذي طوره أينشتاين في نظريته العامة للنسبية ، فإن هذه المفاهيم تصبح أكثر منطقية.

تصف النسبية العامة الجاذبية بأنها انحناء أو انحناء في المكان والزمان. جميع الكائنات تشوه الزمكان. عندما تنتقل كائنات أخرى عبر هذا الزمكان الملتوي ، ينتهي بها الأمر بالسير على طول مسارات منحنية. تبدو هذه المسارات المنحنية وكأنها ناتجة عن قوة تمارس على الأشياء ، في حين أنها في الواقع ناتجة عن تشوه الزمكان نفسه. على سبيل المثال ، عندما ترمي كرة بيسبول لصديقك ، فإنها تتبع مسارًا مكافئًا سلسًا تحت تأثير الجاذبية. ستقول قوانين إسحاق نيوتن أن كتلة الأرض تخلق قوة جاذبية تعمل على كرة البيسبول ، تسحب البيسبول تدريجيًا من حركة الخط المستقيم. ومع ذلك ، فإن الوصف الأكثر دقة يذهب على النحو التالي: الأرض تشوه الزمان والمكان. تتحرك لعبة البيسبول في الواقع في خط مستقيم بالنسبة إلى الزمكان ، ولكن بما أن الزمكان نفسه منحنٍ ، فإن هذا الخط المستقيم يصبح منحنى عندما يراه مراقب خارجي. بهذه الطريقة ، لا توجد أي قوة مباشرة تؤثر على لعبة البيسبول. يبدو فقط بهذه الطريقة بسبب انفتال الزمكان. إذا كان كل هذا يبدو غريبًا جدًا بحيث لا يمكن تصديقه ، فيجب أن تعلم أن النسبية العامة لأينشتاين كانت علمًا سائدًا لأكثر من مائة عام وتم التحقق منها من خلال تجارب لا حصر لها.

من حيث المبدأ ، كل الأشياء تشوه الزمكان. ومع ذلك ، فإن الأجسام ذات الكتلة المنخفضة مثل المنازل والأشجار تشوه الزمكان إلى درجة صغيرة بحيث يصعب ملاحظة آثارها. يتطلب الأمر أجسامًا عالية الكتلة مثل الكواكب أو الأقمار أو النجوم حتى تكون آثار الجاذبية ملحوظة. كلما زادت كتلة الجسم ، زاد التواء الزمكان ، وزاد تأثير الجاذبية على الأجسام الأخرى. على سبيل المثال ، يحتوي الثقب الأسود على كمية كبيرة من الكتلة في مثل هذا الحجم الصغير الذي لا يستطيع حتى الضوء الهروب منه. داخل أفق الحدث للثقب الأسود ، يكون الزمكان مشوهًا بشدة لدرجة أن جميع المسارات الممكنة للضوء يمكن أن تؤدي في النهاية إلى عمق أكبر في الثقب الأسود.

نظرًا لأن انحناء الزمكان ناتجًا عن الكتلة ، فإن صفحة الاعوجاج تنتقل جنبًا إلى جنب مع الكتلة. على سبيل المثال ، تقوم الأرض بتشويه الزمكان المحيط إلى شكل مقروص إلى الداخل (تقريبًا). بينما تدور الأرض حول الشمس في مدارها الذي يستمر لمدة عام ، ينتقل هذا النمط من انحناء الزمكان مع الأرض. إن الراصد الذي يكون ثابتًا بالنسبة للشمس ويكون عند نقطة قريبة من مسار الأرض سيرى الأرض تقترب ثم تبتعد ، أقرب ثم بعيدًا ، في دورات مدتها عام واحد. لذلك ، سيرى هذا المراقب نمط الزمكان المقروص للأرض يقترب ثم يبتعد ، أقرب ثم بعيدًا ، في دورات مدتها عام واحد. لأن المراقب نفسه يجلس في الزمكان ويختبره ، لذلك يرى المراقب الزمكان المحلي الخاص به على أنه مقروص ، ثم غير مقروص أو مقروص ثم غير مقروص ، في دورات مدتها عام واحد. لذلك فإن الراصد يعاني من تذبذب في انحناء الزمكان الذي ينتقل إلى الخارج من الأرض ، أي موجة ثقالية. هذا يحدث بالفعل في العالم الحقيقي. ومع ذلك ، من الناحية العملية ، فإن موجات الجاذبية ضعيفة للغاية بحيث لا يكون لها تأثير كبير على الحياة اليومية. إن صفحة انفتال الزمكان المتذبذب لموجة جاذبية عابرة أضعف بكثير من أن يلاحظها الإنسان أو يشعر بها. المعدات الحديثة والحساسة للغاية والمكلفة فقط هي القادرة على اكتشاف موجات الجاذبية. في الواقع ، استغرق الأمر مائة عام بعد أن تنبأ أينشتاين بوجود موجات الجاذبية حتى تتحسن التكنولوجيا بما يكفي لتكون قادرة على اكتشافها. هذا يحدث بالفعل في العالم الحقيقي. ومع ذلك ، من الناحية العملية ، فإن موجات الجاذبية ضعيفة للغاية بحيث لا يكون لها تأثير كبير على الحياة اليومية. إن صفحة انفتال الزمكان المتذبذب لموجة جاذبية عابرة أضعف بكثير من أن يلاحظها الإنسان أو يشعر بها. المعدات الحديثة والحساسة للغاية والمكلفة فقط هي القادرة على اكتشاف موجات الجاذبية. في الواقع ، استغرق الأمر مائة عام بعد أن تنبأ أينشتاين بوجود موجات الجاذبية حتى تتحسن التكنولوجيا بما يكفي لتكون قادرة على اكتشافها. هذا يحدث بالفعل في العالم الحقيقي. ومع ذلك ، من الناحية العملية ، فإن موجات الجاذبية ضعيفة للغاية بحيث لا يكون لها تأثير كبير على الحياة اليومية. إن صفحة انفتال الزمكان المتذبذب لموجة جاذبية عابرة أضعف بكثير من أن يلاحظها الإنسان أو يشعر بها. المعدات الحديثة والحساسة للغاية والمكلفة فقط هي القادرة على اكتشاف موجات الجاذبية. في الواقع ، استغرق الأمر مائة عام بعد أن تنبأ أينشتاين بوجود موجات الجاذبية حتى تتحسن التكنولوجيا بما يكفي لتكون قادرة على اكتشافها.

إن فكرة الزمكان المضيق بشكل دوري هذه مبسطة أكثر من اللازم. إذا قمت بتطبيق الرياضيات كامل النسبية العامة، تجد أن مراقب تشهد موجة الجاذبية يمر لا لاتجربة نمط ركوب الدراجات من معسر الزمكان وعدم وجود قرص. بدلاً من ذلك ، يختبر المراقب نمط ركوب الدراجات المتمثل في التمدد في الاتجاهات الجانبية مع القرص في الاتجاهات الجانبية الأخرى ، ثم الضغط في الاتجاهات الجانبية الأولى مع التمدد في الاتجاهات الجانبية الأخرى. على سبيل المثال ، افترض أن موجة جاذبية من نجم بعيد انتقلت مباشرة إلى أسفل نحو سطح الأرض حيث تجلس. إذا كانت الموجة الثقالية أقوى ألف تريليون مرة مما يمكن أن تحصل عليه بالفعل في العالم الحقيقي ، فسترى أن المسطرة التي تتماشى مع اتجاهات الشرق والغرب تصبح أقصر لحظيًا بينما تصبح المسطرة التي تتماشى مع اتجاهات الشمال والجنوب لحظيا تصبح أطول. وبعد ذلك ببرهة ، سيصبح الحاكم بين الشرق والغرب أطول في حين يصبح الحاكم بين الشمال والجنوب أقصر. سيستمر كل مسطرة في الحصول على وقت أطول وأقصر بشكل دوري حتى تمر موجة الجاذبية. لا بأس في الحكام. الزمكان نفسه يتشوه وكل شيء في الزمكان يختبر الالتواء.

على الرغم من أن هذا التأثير ضعيف جدًا ، إلا أنه يحدث بالفعل. كاشف الموجات الثقالية هو مجرد مسطرة طويلة جدًا مع القدرة على قياس طول المسطرة بدقة شديدة. على سبيل المثال ، يبلغ طول كل ذراع في كاشف LIGO 2.5 ميل ويستخدم الليزر لقياس الأطوال بدقة. حتى مع وجود أجهزة الكشف الكبيرة والحديثة والمكلفة ، فإن موجات الجاذبية ضعيفة جدًا بحيث لا يمكن حاليًا اكتشاف سوى أكبر الموجات. لا تستطيع أجهزة الكشف الحالية التقاط موجات الجاذبية الناتجة عن الكواكب التي تدور حول النجوم أو الأقمار التي تدور حول الكواكب. تتولد أكبر موجات الجاذبية عندما يدور ثقبان أسودان حول بعضهما البعض بسرعة مباشرة قبل أن يتساقط أحدهما ويندمج. تتولد الموجات الكبيرة أيضًا عندما يدور نجمان نيوترونيان حول بعضهما البعض ، أو عندما يدور ثقب أسود ونجم نيوتروني حول بعضهما البعض ، مباشرة قبل الاندماج.

بشكل عام ، يتم إنشاء موجة الجاذبية في أي وقت تتسارع فيه الكتلة. السفر على طول مسار دائري هو نوع واحد فقط من التسارع. إذا تسارع جسم كتلته على طول مسار مستقيم ، فهذا أيضًا نوع من التسارع ، وبالتالي يجب أن ينتج موجات ثقالية. وبالمثل ، فإن الجسم الذي تتباطأ كتلته على طول مسار مستقيم يجب أن يخلق موجات ثقالية. ومع ذلك ، على المقياس الفلكي ، فإن الجسم الذي يتحرك بثبات على مدار مدار دائري هو أكثر شيوعًا بكثير من الجسم الذي يتباطأ أو يتسارع بعنف.

هناك نقطة أخرى يجب مراعاتها وهي أن موجات الجاذبية التي أحدثتها الأرض في مدارها السنوي ليست ضعيفة للغاية فحسب ، بل لها أيضًا فترة مدتها عام واحد. هذا يعني أن كاشف الموجات الثقالية على كوكب آخر يجب أن يراقب لعدة سنوات من أجل التقاط الشكل التذبذب لموجات الجاذبية الناتجة عن الحركة المدارية للأرض. في المقابل ، قبل اندماج ثقبين أسودين مباشرة ، يدور كل منهما حول الآخر بسرعة كبيرة بحيث لا يستغرق كل منهما سوى جزء من الثانية لإكمال مداره. هذا عامل آخر يجعل اكتشاف هذه الأنواع من موجات الجاذبية أسهل.

المصدر / wtamu.edu