اكتشف الفيزيائيون قواعد خفية محتملة لتطور الزمكان

في المجلة رسائل المراجعة البدنية لقد تم التوصل إلى عمل يمكن أن يغير فهمنا للجاذبية بشكل جدي. يشير فريق من الباحثين إلى أن الزمكان ليس فوضويًا تمامًا ولا يمكن التنبؤ به، كما بدا في كثير من الأحيان. لديها قواعد مخفية تحد بالضبط من كيفية انحناءها وتطورها.

وفقا للنظرية العامة لأينشتاين، فإن الزمكان هو هيكل ديناميكي مشروط: فهو ينحني تحت تأثير الكتلة، ويمتد ويستمر في التغيير. وبسبب هذا التعقيد، تساءل الفيزيائيون منذ فترة طويلة عما إذا كانت هناك خصائص مستقرة في هذا النظام تظل مستقرة.

جاءت الفكرة من فيزياء البلازما

البلازما هي الحالة الرابعة للمادةوهو غاز متأين ساخن تطفو فيه الإلكترونات والأيونات بحرية. يمكنك التفكير في الأمر كمادة داخل الشمس، أو في الإكليل، أو في منشآت الاندماج الاصطناعي.

لوحظ تأثير مميز في البلازما: ترتبط خطوط المجال المغناطيسي بتدفق المادة وتتحرك معها. إنها تتشوه معها وتنحني وتمتد، لكنها لا تنكسر أو تختفي.

واقترح العلماء أن شيئًا مشابهًا يمكن أن يحدث مع الجاذبية.

كيف تم إعادة كتابة معادلات أينشتاين

قرر فريق بقيادة لوكا كوميسو من جامعة كولومبيا إلقاء نظرة جديدة على معادلات النسبية العامة. وأعاد الباحثون كتابتها بشكل مشابه لمعادلات الديناميكا الكهربائية للبلازما. في هذا التفسير، يمكن اعتبار الزمكان بمثابة وسط سائل تمتد فيه هياكل الجاذبية.

في هذا الوصف، تم تحديد خطوط خاصة لمجال الجاذبية في الزمكان. في ظل ظروف معينة، تتصرف مثل الخطوط المغناطيسية في البلازما: فهي تتحرك مع المادة وتحافظ على اتصال معها، دون “الانفصال” عن التدفق.

ماذا تعني الهياكل “المجمدة”؟

الاستنتاج الرئيسي: بعض الهياكل الهندسية للزمكان يمكن أن تستمر مع مرور الوقت. إنهم لا ينهارون بشكل فوضوي، ولكن “يعيشون” وفقا لقواعد معينة.

يعمل هذا في ظل ظروف مشابهة لقانون أوم المثالي في الكهرباء – عندما يكون النظام خاليًا تقريبًا من أي خسائر أو انقطاعات. لقد وجد العلماء كميات تظل ثابتة. من بينها تدفق الجاذبية و هليكوبتر. والأخيرة هي خاصية طوبولوجية تصف مدى “التواء” وترابط عناصر الهيكل.

وللتوضيح، يستخدم المؤلفون تشبيهًا بسيطًا: تخيل عقدة عادية على حبل. يمكنك سحب الحبل بقدر ما تريد، ولفه، وتمديده وتغيير شكله – لكن العقدة نفسها لن تذهب إلى أي مكان حتى تقوم بفك ربطها على وجه التحديد. وبالمثل، يمكن لبعض التكوينات في الزمكان أن تستمر حتى عندما يكون كل شيء حولها منحنيًا إلى حد كبير.

لماذا هذا ضروري، وخاصة بالنسبة للثقوب السوداء

حتى الآن، اعتمد الفيزيائيون بشكل كبير على عمليات المحاكاة الحاسوبية القوية لنمذجة العمليات المعقدة، مثل اندماج ثقبين أسودين. وهي تحدد الشروط الأولية، وبعدها يتم حساب النظام خطوة بخطوة. يعمل هذا النهج، لكنه لا يوفر فهما عاما لما يحدث.

يقدم العمل الجديد نهجا مختلفا. إذا كانت هناك كميات يتم حفظها من تلقاء نفسها، فيمكن عندئذٍ تحديد سلوك النظام والتنبؤ به مسبقًا.

وأوضح لوكا كوميسو: “لقد حددنا القواعد الأساسية التي تحد من تطور الزمكان. تعمل هذه القواعد بمثابة قيود مدمجة على الجاذبية نفسها. وسوف تساعدنا على التنبؤ بكيفية تصرف الأنظمة المتطرفة، مثل أزواج الثقوب السوداء الدوارة، عندما تصبح الجاذبية قوية للغاية”.

ماذا يعني هذا في الممارسة العملية؟

إذا تم تأكيد النتائج، فإن نمذجة اندماج الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية وانتشار موجات الجاذبية ستصبح أسهل وأكثر دقة. وهذا مهم بشكل خاص لمراصد LIGO وVirgo، التي تكتشف بالفعل موجات الجاذبية، ولمهمة LISA الفضائية المستقبلية، والتي ستكون أكثر حساسية.

يعترف العلماء أنه ليس من الواضح بعد مدى قوة هذه الهياكل “المجمدة” في التعبير عن نفسها في ظروف حقيقية ومعقدة (على سبيل المثال، في الزمكان مع المادة، وليس في الفراغ النقي). ولكن الآن يعطي العمل نظرة جديدة: الزمكان ليس مجرد ساحة ديناميكية فوضوية، بل هو نظام ذو قواعد داخلية للحفظ.

ونتيجة لذلك، لا يمكن للفيزيائيين الحصول على أداة ملائمة لإجراء العمليات الحسابية فحسب، بل يمكنهم أيضًا الحصول على فهم أعمق لطبيعة الجاذبية ذاتها.