يقترح الفيزيائيون أول تجربة على الإطلاق للتعامل مع موجات الجاذبية

مفهوم جديد لنقل الطاقة بين موجات الجاذبية والضوء.

عندما تندمج الأجسام الكونية الضخمة مثل الثقوب السوداء أو تصطدم النجوم النيوترونية ببعضها البعض، فإنها يمكن أن تنتج موجات الجاذبية. تتحرك هذه التموجات عبر الكون بسرعة الضوء وتحدث تغييرات صغيرة للغاية في بنية الزمكان. وقد تنبأ ألبرت أينشتاين بوجودها لأول مرة، وأكد العلماء وجودها تجريبيًا لأول مرة في عام 2015.

وبناءً على هذا الاكتشاف، قام البروفيسور رالف شوتزهولد، عالم الفيزياء النظرية في جامعة هارفارد مركز هيلمهولتز دريسدن روسيندورف (HZDR)، تقترح خطوة جديدة وجريئة.

لقد طور شوتزهولد مفهومًا للتجربة التي من شأنها أن تتجاوز مجرد اكتشاف موجات الجاذبية وتسمح للباحثين بالتأثير عليها. الاقتراح المنشور في المجلة رسائل المراجعة البدنيةيمكن أن يساعد أيضًا في توضيح ما إذا كانت الجاذبية تتبع القواعد الكمومية، وهو سؤال لا يزال دون حل في الفيزياء الحديثة.

التلاعب بموجات الجاذبية بالضوء

يقول شوتزهولد: “تؤثر الجاذبية على كل شيء، بما في ذلك الضوء”. ويحدث هذا التفاعل أيضًا عندما تلتقي موجات الجاذبية وموجات الضوء. تتمثل فكرة شوتزهولد في نقل حزم صغيرة من الطاقة من موجة الضوء إلى موجة الجاذبية. ومن خلال القيام بذلك، تنخفض طاقة موجة الضوء قليلاً، وتزداد طاقة موجة الجاذبية بنفس المقدار.

تتوافق الطاقة المنقولة مع واحد أو أكثر من الجرافيتونات، وهي الجسيمات الافتراضية التي يُعتقد أنها تحمل قوة الجاذبية في نظريات الكم، ولكن لم يتم ملاحظتها بشكل مباشر بعد.

يوضح الفيزيائي: “سيجعل ذلك موجة الجاذبية أكثر كثافة قليلاً”. ومن ناحية أخرى، تفقد موجة الضوء نفس الكمية من الطاقة مما يؤدي إلى تغيير دقيق في تردد موجة الضوء.

ويتابع شوتزهولد: “يمكن أن تسير العملية في الاتجاه المعاكس أيضًا”. في هذه الحالة، تقوم موجة الجاذبية بتوزيع حزمة طاقة على موجة الضوء. ينبغي أن يكون من الممكن قياس كلا التأثيرين، أي الانبعاث المحفز وامتصاص الجرافيتونات، وإن كان ذلك بجهد تجريبي كبير.

تجربة على نطاق متطرف

قام شوتزهولد بحساب الأبعاد الضخمة لمثل هذه التجربة: فمن المحتمل أن تنعكس نبضات الليزر في النطاق الطيفي المرئي أو القريب من الأشعة تحت الحمراء ذهابًا وإيابًا بين مرآتين حتى مليون مرة. وفي تركيب يبلغ طوله حوالي كيلومتر واحد، سينتج عن ذلك مسارًا بصريًا يبلغ طوله حوالي مليون كيلومتر. مثل هذا الترتيب من حيث الحجم يكفي لإجراء القياس المطلوب لتبادل الطاقة الناتج عن امتصاص وانبعاث الغرافيتونات عندما يلتقي الضوء وموجة الجاذبية.

ومع ذلك، فإن التغير في تردد موجة الضوء الناتج عن امتصاص أو إطلاق طاقة واحد أو أكثر من الجرافيتونات في التفاعل مع موجة الجاذبية يكون صغيرًا للغاية. ومع ذلك، باستخدام مقياس تداخل تم تصميمه بذكاء، سيكون من الممكن إثبات هذه التغييرات في التردد.

في هذه العملية، تواجه موجتان ضوئيتان تغيرات مختلفة في التردد، اعتمادًا على ما إذا كانت تمتص أو تنبعث منها الجرافيتونات. وبعد هذا التفاعل والمرور على طول المسار البصري، فإنها تتداخل مرة أخرى وتولد نمط التداخل. ومن هذا يمكن استنتاج تغير التردد الذي حدث وبالتالي انتقال الجرافيتونات.

استكشاف الطبيعة الكمومية للجاذبية

يقول شوتزهولد: “قد يستغرق الأمر عدة عقود من الفكرة الأولية إلى التجربة”. ولكن ربما قد يحدث ذلك عاجلاً في هذه الحالة، حيث أن ليغو يُظهر المرصد – وهو اختصار لمرصد موجات الجاذبية بالليزر للتداخل – المخصص لاكتشاف موجات الجاذبية، أوجه تشابه قوية. يتكون مرصد LIGO من أنبوبين مفرغين على شكل حرف L يبلغ طولهما حوالي أربعة كيلومترات.

يقوم مقسم الشعاع بتقسيم شعاع الليزر على ذراعي الكاشف. أثناء مرورها، تشوه موجات الجاذبية الواردة الزمكان إلى الحد الأدنى، مما يسبب تغيرات في بضعة أتومترات (10-18 مترًا) في الطول المتساوي في الأصل للذراعين. يؤدي هذا التغيير الطفيف في الطول إلى تغيير نمط تداخل ضوء الليزر، مما يولد إشارة يمكن اكتشافها.

في مقياس التداخل المصمم وفقًا لفكرة شوتزهولد، قد يكون من الممكن ليس فقط مراقبة موجات الجاذبية، ولكن أيضًا التعامل معها لأول مرة عن طريق الانبعاث المحفز وامتصاص الغرافيتونات. وفقًا لشوتزهولد، فإن نبضات الضوء التي تتشابك فوتوناتها، أي المقترنة ميكانيكيًا الكم، يمكن أن تزيد بشكل كبير من حساسية مقياس التداخل.

يقول شوتزهولد: “بعد ذلك يمكننا استخلاص استنتاجات حول الحالة الكمومية لمجال الجاذبية نفسه”. في حين أن هذا لن يكون دليلا مباشرا على الجرافيتون الافتراضي، الذي هو موضوع نقاش حاد بين الفيزيائيين، فإنه سيكون على الأقل مؤشرا قويا على وجوده.

ففي نهاية المطاف، إذا لم تظهر موجات الضوء تأثيرات التداخل المتوقعة عند التفاعل مع موجات الجاذبية، فسيتم دحض النظرية الحالية المبنية على الغرافيتونات. ومن ثم ليس من المستغرب أن يحظى مفهوم شوتزهولد للتحكم في موجات الجاذبية باهتمام كبير بين زملائه.

المرجع: “الانبعاث المحفز أو امتصاص الغرافيتونات بالضوء” بقلم رالف شوتزهولد، 22 أكتوبر 2025، رسائل المراجعة البدنية.
دوى: 10.1103/xd97-c6d7

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.