Kuvittele kosminen vetoketju: aika-avaruuden saumat, jotka yhtäkkiä katkeavat ja uudelleenompeutuvat, vapauttaen samalla energiaa. Tämä kuva on tutkijoiden lähin arkipäiväinen metafora äskettäin ehdotetulle tavalle, jolla gravitaatio saattaisi siirtää energiaa aineelle, jota tekijät kutsuvat "gravitaation uudelleenliittymiseksi".
Ajatus syntyi uteliaasta matemaattisesta käänteestä. Luca Comisso Columbia-yliopistosta ja Felipe A. Asenjo Universidad Adolfo Ibáñezista muokkasivat Einsteinin kenttäyhtälöitä ja löysivät kuvioita, jotka muistuttavat plasmoja kuvaavia yhtälöitä, kuumia sähköisesti varautuneita kaasuja, jotka saavat tähdet loistamaan ja muovaavat aurinkokuntaa. Plasmafysiikassa magneettikentän viivat voivat venyä, katketa ja liittyä uudelleen väkivaltaisissa jaksoissa, joita kutsutaan magneettirekonstruktioksi. Nämä ilmiöt ravitsevat auringonpurkauksia ja kiihdyttävät hiukkasia huimiin nopeuksiin. Voisiko gravitaatio tehdä jotain vastaavaa?
"Magneettirekonstruktio on tilanne, jossa nämä kenttäviivat tietyssä kokoonpanossa katkeavat ja kiinnittyvät uudelleen toisenlaiseen kokoonpanoon", Comisso on selittänyt aiemmissa haastatteluissa. Kun tämä järjestyksen muutos tapahtuu, varastoitunut magneettienergia siirtyy hiukkasiin. Comisso ja Asenjo väittävät, että aika-avaruuden neljäulotteisessa geometriassa gravitaatiokentät eivät muodostu yhdenulotteisiksi viivoiksi vaan kahdenulotteisiksi levyiksi. Jos nämä levyt muuttavat tapaa, jolla ne ovat yhteydessä toisiinsa, matematiikka sanoo, että energia voi virrata gravitaatiokentästä aineeseen.
Vertauskuva on hyödyllinen mutta epätäydellinen. Aika-avaruus ei ole kangas, jota voisi koskettaa. He kuvailevat levyjä, jotka ovat matemaattisia rakenteita, tasoja, jotka syntyvät kun viivan ajatusta laajennetaan yhdellä ulottuvuudella. Silti yhtälöt paljastavat todellisia rajoitteita: piileviä suhteita, jotka määräävät, miten nämä levyt voivat liittyä ja kehittyä. Näitä ei ole ilmeisiä, kun Einsteinin yhtälöt kirjoitetaan tavallisilla muuttujilla, mutta ne nousevat esiin huolellisen matemaattisen näkökulman muutoksen jälkeen.
Asenjo korostaa, että nämä ovat rajoitteita sallitulle käyttäytymiselle, eivät luettelo ilmiöistä, joita aina näkee. "Einsteinin yhtälöt sisältävät rajoituksia sille, miten aika-avaruus voi kehittyä, eikä niitä ole heti nähtävissä", hän sanoo. Yhtälöiden uudelleenkirjoittaminen tuo nämä rajoitukset esiin ja avaa polun tutkia, mitä uudelleenliittyminen voisi tehdä ääriolosuhteissa.
Miksi tämä kaikki on tärkeää? Ajattele yhdistyviä mustia aukkoja. Kun kaksi mustaa aukkoa kieppuu yhteen, aika-avaruus itse vääristyy voimakkaasti. Numeerinen relativiteetti, eli laaja-alaiset tietokonesimulaatiot, on edelleen pääasiallinen tapa, jolla fyysikot ennustavat tällaisissa kataklysmeissa syntyviä gravitaatioaaltoja. Mutta jos gravitaatiorakenteille on sisäänrakennettuja sääntöjä siitä, miten niiden täytyy liittyä uudelleen tai muuttua, nuo säännöt voisivat kaventaa sitä, mitä simulaatioiden tarvitsee seurata, paljastaen kuvioita ilman, että jokaista mikroskooppista käännettä tarvitsee laskea.
Yhteenvetona: matematiikka vihjaa, että gravitaatio saattaa varastoida ja sitten äkillisesti vapauttaa energiaa järjestelemällä uudelleen aika-avaruuden geometriaa.
Tutkimus julkaistaan Physical Review D:ssä ja se rakentuu aiempaan työhön, jossa Maricarmen A. Winkler tunnisti samankaltaisia piileviä rajoituksia. Tekijät korostavat varovaisesti idean teoreettista asemaa. Gravitaation uudelleenliittyminen on tällä hetkellä matemaattinen mahdollisuus. Suuret kysymykset pysyvät: tapahtuuko se todella astrofysikaalisissa olosuhteissa, kuinka paljon energiaa se voi siirtää, ja voisiko se jättää tunnusomaisia jälkiä havaitsemiimme gravitaatioaaltoihin?
Havainnollisesti ovi on raollaan. Gravitaatioaaltojen observatoriot, kuten LIGO ja Virgo, kuuntelevat jo mustien aukkojen ja neutronitähtien törmäyksiä. Jos uudelleenliittymisellä on tunnistettavia merkkejä, kuten odottamaton purkaus aaltomuodossa tai kuvio siitä, miten energia jakautuu uudelleen yhdistyksen aikana, tulevat havainnot saattavat kantaa sen sormenjälkiä. Mutta tällaisten vaikutusten erottaminen vaatii älykkäitä malleja ja huolellisia ristintarkistuksia.
Teoreettiset jatkotutkimukset tutkivat, missä piilevät rajoitukset ovat voimakkaimpia ja milloin uudelleenliittyminen todennäköisesti aktivoituu. Onko se rajoittunut universumin äärimmäisimpiin kolkkiin, vai voisivatko hienovaraisemmat versiot esiintyä tiheiden tähtien ympärillä tai varhaisessa kosmoksessa? Toistaiseksi fyysikot ovat avanneet uuden ikkunan Einsteinin vuosisataisiin yhtälöihin, ikkunan, joka muotoilee gravitaation uudelleen ei vain kaareutena vaan potentiaalisena toimijana energiansiirroissa, joita aiemmin pidettiin sähkömagneettisten plasmien yksinoikeutena.
Itse idea on muistutus: jopa yhtälöt, joita luulemme ymmärtävämme, voivat yllättää uuden näkökulman myötä. Se, mitä seuraavaksi tapahtuu, testaa, onko luonto, kuten matematiikka, valmis avaamaan aika-avaruuden rakenteen.
"Olen tutkijatohtori fysiikan alalta ja haluan tuoda tieteen saavutukset kaikkien ulottuville. Genomissa kirjoitan selkeästi uusista keksinnöistä ja tutkimuksista."
Keskustelu
Jätä kommentti
Kommentit
Ei vielä kommentteja. Ole ensimmäinen.