رمزگشایی فیزیکدانان از روشی جدید برای شناسایی نوسانات کوچک در فضا-زمان!

محققان به سرپرستی دانشگاه «وارویک» یک نقشه‌راه عملی و واحد برای شکار «نوسانات فضا-زمان» ایجاد کرده‌اند؛ همان ریپل‌های (تلاطم‌های) تصادفی و بسیار کوچکی که بسیاری از نظریات گرانش کوانتومی معتقدند در بافت خودِ فضا-زمان تنیده شده‌اند.

این احتمال که فضا-زمان کاملاً صاف و یکدست نیست، دهه‌ها پیش توسط فیزیکدان معروف، «جان ویلر» مطرح شد. از آن زمان تاکنون، رویکردهای پیشرو در گرانش کوانتومی به نوعی «لرزش» یا تلاطم در زیربنای فضا-زمان اشاره داشته‌اند. مشکل اینجاست که این نظریات در جزئیات با هم توافق ندارند. مدل‌های مختلف، الگوهای متفاوتی از این تصادفی‌بودن را پیش‌بینی می‌کنند، به همین دلیل آزمایش‌گرها تاکنون هدف مشترک و مشخصی نداشتند که بدانند یک سیگنال واقعی باید چه شکلی باشد.

در مطالعه جدیدی که در مجله Nature Communications منتشر شده، این تیم با دسته‌بندی احتمالات در سه کلاس کلی (بر اساس ساختار نوسانات در فضا و زمان)، این ناهماهنگی را برطرف کرده‌اند. این چارچوب به جای اینکه از آزمایش‌گرها بخواهد فقط دنبال یک نظریه خاص باشند، از توصیف ریاضیِ یک نوسان فرضی شروع می‌کند و به سمت جلو پیش می‌رود تا مشخص کند یک دستگاه دقیقاً چه چیزی را باید اندازه‌گیری کند.

تداخل‌سنج‌ها فضا-زمان را به‌طور مستقیم اندازه‌گیری نمی‌کنند؛ بلکه زمان سفر نور لیزر را در مسیرهای مختلف با هم مقایسه می‌کنند که باعث می‌شود نسبت به تغییرات بسیار جزئی در طول، به‌شدت حساس باشند. محققان نشان دادند که هر دسته از نوسانات، ردپای متمایزی در داده‌های تداخل‌سنج به‌جا می‌گذارد؛ از آشکارساز عظیم ۴ کیلومتری LIGO گرفته تا ابزارهای آزمایشگاهی کوچک‌تر مانند QUEST و GQuEST که در بریتانیا و آمریکا در حال توسعه هستند.

تبدیل نظریه به سیگنال‌های قابل اندازه‌گیری

دکتر «شارمیلا بالاموروگان»، استادیار دانشگاه وارویک و نویسنده اول مقاله، می‌گوید:

مدل‌های مختلف گرانش، روندهای بسیار متفاوتی را برای نوسانات تصادفی فضا-زمان پیش‌بینی می‌کنند و همین موضوع باعث شده بود آزمایش‌گرها هدف مشخصی نداشته باشند. کار ما اولین راهنمای واحدی را ارائه می‌دهد که این پیش‌بینی‌های انتزاعی و نظری را به سیگنال‌های ملموس و قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کند.

او در ادامه می‌گوید:

این یعنی ما اکنون می‌توانیم به جای منتظر ماندن برای فناوری‌های کاملاً جدید، مجموعه‌ای از پیش‌بینی‌های گرانش کوانتومی را با استفاده از تداخل‌سنج‌های موجود آزمایش کنیم. این گامی مهم برای آوردن بنیادی‌ترین سوالات فیزیک به دنیای آزمایش و تجربه است.

یافته‌های مطالعه درباره تداخل‌سنج‌ها

این مطالعه به نتایج کلیدی زیر دست یافته است:

• تداخل‌سنج‌های رومیزی در پهنای باند از LIGO پیشی می‌گیرند: اگرچه QUEST و GQuEST بسیار کوچک‌تر از LIGO هستند، اما می‌توانند اطلاعات دقیق‌تری درباره ماهیت نوسانات فضا-زمان ارائه دهند. پوشش فرکانسی گسترده آن‌ها اجازه می‌دهد تا تمام ردپاهای پیش‌بینی شده را ثبت کنند.
• LIGO یک آشکارساز عالی برای پاسخ‌های «بله/خیر» است: به دلیل بازوهای بسیار بلند، LIGO به‌شدت به این موضوع حساس است که آیا اصلاً نوسانات فضا-زمانی وجود دارند یا خیر، حتی اگر فرکانس‌های مربوطه بالاتر از داده‌های عمومی فعلی باشند.
• پایان یک بحث طولانی: این مطالعه به اختلاف‌نظرها درباره نقش بازوهای نوری در تشخیص نوسانات پایان داد. نتایج نشان می‌دهد که این بازوها بسته به نوع نوسان، می‌توانند حساسیت دستگاه را افزایش دهند.

دکتر «ساندر ورمولن» از کَلتِک می‌گوید:

تداخل‌سنج‌ها می‌توانند فضا-زمان را با دقت فوق‌العاده‌ای اندازه‌گیری کنند، اما برای این کار باید بدانیم در چه فرکانسی و دنبال چه شکلی از سیگنال بگردیم. حالا با این چارچوب، می‌توانیم این موارد را برای طیف وسیعی از نظریات پیش‌بینی کنیم.

کاربردهای فراتر از گرانش کوانتومی

نکته حیاتی اینجاست که این چارچوب جدید نسبت به “علت” ایجاد نوسانات بی‌طرف است؛ یعنی فقط به توصیف ریاضی نوسان و هندسه دستگاه نیاز دارد. این ویژگی باعث می‌شود که این مدل نه تنها برای تست‌های گرانش کوانتومی، بلکه برای جستجوی امواج گرانشی تصادفی، ردپای ماده تاریک و نویزهای خاص دستگاهی، ابزاری بسیار قدرتمند باشد.

پروفسور «آنیمش داتا»، استاد فیزیک نظری در وارویک، در پایان می‌گوید:

با این روش، می‌توانیم هر مدل پیشنهادی برای نوسانات فضا-زمان را به شکلی سازگار و قابل مقایسه بررسی کنیم. در سال‌های آینده، از این متد برای طراحی تداخل‌سنج‌های رومیزی هوشمندتر استفاده خواهیم کرد تا نظریات گرانش کوانتومی را تایید یا رد کنیم و حتی ایده‌های جدید درباره ماده تاریک را به چالش بکشیم.

منبع: Scitechdaily