امواج گرانشی می‌بایست فضا-زمان را برای همیشه دچار اعوجاج کنند
اثر «حافظه گرانشی» پیش‌بینی می‌کند که عبور یک موج گرانشی می‌بایست برای همیشه ساختار فضا-زمان را تغییر دهد. فیزیکدان‌ها پدیده تقارن‌های بنیادی طبیعت را با یک راه حل بالقوه برای پارادوکس اطلاعات سیاهچاله به هم مرتبط کرده‌اند.
اثر حافظه گرانشی
اولین مشاهده‌ی امواج گرانشی در سال ۲۰۱۶ تأییدی قطعی بر نظریه نسبیت عام اینشتین بود. اما پیش‌بینی اعجاب‌آور دیگری که هنوز تأیید نشده است نیز وجود دارد: طبق نسبیت عام، هر موج گرانشی می‌بایست یک ردپای پاک‌نشدنی روی ساختار فضا-زمان بر جای بگذارد. امواج گرانشی باید بطور همیشگی فضا را بکشند، و آینه‌های آشکارساز امواج گرانشی را حتی پس از عبور موج نیز جابجا کنند.
از زمان کشف اولین موج گرانشی در حدود ۶ سال قبل، فیزیکدان‌ها در تلاش برای فهمیدن چگونگی اندازه‌گیری «اثر حافظه» هستند.
پائول لسکی (Paul Lasky) اخترفیزیکدانی در دانشگاه موناش در استرالیا می‌گوید:
اثر حافظه بسیار عجیب است، یک پدیده عجیب و غریب است. واقعا یک چیز ژرف است.
اهداف دانشمندان وسیع‌تر از صرفا مشاهده ردپاهای به جای مانده از عبور موج گرانشی بر فضا-زمان است. با کاوش در پیوندهای بین ماده، انرژی و فضا-زمان، فیزیکدان‌ها امیدوارند که به درک بهتری از پارادوکس اطلاعات سیاهچاله که توسط استیون هاکینگ مطرح شد برسند. این پارادوکس کانون اصلی تلاش‌های نظری در طی ۵ دهه اخیر بوده است. کیپ ثورن فیزیکدان در مؤسسه فناوری کلفرنیا که کارهای وی بر روی امواج گرانشی سهمی از جایزه نوبل فیزیک در ۲۰۱۷ را به ارمغان آورد می‌گوید:
ارتباط نزدیکی بین اثر حافظه و تقارن فضا-زمان وجود دارد. ارتباط بسیار مهمی بین از دست رفتن اطلاعات در سیاهچاله و ساختار ژرف فضا-زمان وجود دارد.
جای زخمی بر چهره فضا-زمان
چرا یک موج گرانشی باید ساختار فضا-زمان را برای همیشه تغییر دهد؟ این مربوط به پیوند وثیقی است که نسبیت عام بین انرژی و فضا-زمان برقرار می‌کند.
اول بیایید آن‌چه که هنگام عبور موج گرانشی از آشکارساز رخ می‌دهد را بررسی کنیم. رصدخانه تداخل‌سنج لیزری موج گرانشی یا همان LIGO دو بازوی لیزری به شکل حرف L دارد. اگر یک دایره محیط بر بازوها تصور کنید که مرکز دایره در محل برخورد بازوها می‌باشد، یک موج گرانشی بطور تناوبی دایره را دچار اعوجاج می‌کند، در راستای عمودی و افقی آن را تغییر شکل می‌دهد، تا زمانی که موج عبور کند. اختلاف طول بین دو بازو به صورت نوسانی تغییر خواهد کرد که این رفتار اعوجاج دایره و عبور موج گرانشی را نشان می‌دهد.
طبق اثر حافظه، پس از عبور موج، دایره می‌بایست پس از آن برای همیشه به مقدار کمی تغییر شکل داده شده باشد. دلیل این امر به ویژگی‌های گرانش که توسط نسبیت عام توصیف می‌شود مربوط است.
اجرامی که LIGO آشکار می‌کند بسیار دور هستند، کشش گرانشی این اجرام در این‌جا بسیار ضعیف است. اما یک موج گرانشی برد بلندتری نسبت به نیروی گرانشی دارد. به همین ترتیب ویژگی مسئول اثر حافظه نیز یعنی: پتانسیل گرانشی.
بر حسب دیدگاه نیوتنی، یک پتانسیل گرانشی مقدار انرژی که یک جرم کسب می‌کند اگر از یک ارتفاع مشخص سقوط کند را اندازه می‌گیرد. یک سندان را از بالای صخره بیاندازید، و از روی سرعت سندان در پایین می‌توان انرژی پتانسیلی که سقوط از بالای صخره آزاد می‌کند را بازسازی کرد.
اما در نسبیت عام، که در آن فضا-زمان در راستاهای مختلف کشیده و فشرده می‌شود، پتانسیل بیش از انرژی پتانسیل در یک مکان نقش بازی می‌کند، پتانسیل شکل فضا-زمان را تعیین می‌کند.
کیپ ثورن بیان می‌کند که:
حافظه چیزی به جز تغییر در پتانسیل نیست. اما یک پتانسیل گرانشی نسبیتی است.
انرژی یک موج گرانشی عبوری تغییر در پتانسیل گرانشی را ایجاد می‌کند؛ که آن تغییر در پتانسیل فضا-زمان را حتی پس از عبور موج نیز دچار اعوجاج و تغییر شکل می‌کند.
اما یک موج گرانشی دقیقا چگونه می‌تواند فضا-زمان را تغییر شکل دهد؟ امکان‌ها به معنای واقعی کلمه بی‌نهایت و سردرگم‌کننده هستند، همچنین این امکان‌ها معادل با یکدیگر هستند. در چنین حالتی، فضا-زمان شبیه به یک بازی بی‌نهایتِ Boggle است. بازی کلاسیکِ Boggle یک تاس ۱۶ طرفه دارد که در شبکه‌های چهار در چهار مرتب شده‌اند، یک در هر طرف تاس یک حرف نوشته شده است. هر بار که یک بازیکن شبکه را تکان می‌دهد، تاس تق تق می‌کند و در نهایت در یک چیدمان جدید از حروف آرام می‌گیرد. اغلب چیدمان‌ها از یکدیگر قابل تمیز نیستند، اما همگی در مقیاس بزرگتر هم‌ارز هستند. همگی در پایین‌ترین حالت انرژی که تاس می‌تواند به خود بگیرد در حال سکون هستند. وقتی یک موج گرانشی عبور می‌کند، تخته Boggle کیهانی را تکان می‌دهد و فضا-زمان را از یک چیدمان سست به چیدمان دیگر تغییر می‌دهد. اما فضا-زمان در پایین‌ترین سطح انرژی خود باقی می‌ماند.
ابرتقارن‌ها
این ویژگی که می‌توانید تخته بازی را تغییر دهید اما در پایان اشیاء بطور بنیادی یکسان می‌مانند، دلالت بر وجود تقارن‌های پنهان در ساختار فضا-زمان دارد. طی دهه‌ی گذشته فیزیکدان‌ها به صراحت این ارتباط را برقرار کرده‌اند.
داستان از دهه‌ی ۱۹۶۰ آغاز می‌شود، هنگام یکه چهار فیزیکدان می‌خواستند نسبیت عام را بهتر درک کنند. آن‌ها این پرسش را مطرح کردند که : در یک ناحیه‌ی فرضی و بی‌نهایت دور از تمام جرم و انرژی موجود در جهان که کشش گرانشی در آن قابل صرف‌نظر کردن است اما تابش گرانشی وجود دارد چه رخ می‌دهد؟ آن‌ها کار را از تقارن‌هایی که چنین ناحیه‌ای از آن‌ها تبعیت می‌کنند آغاز کردند.
آن‌ها تقارن‌های جهان طبق نسبیت خاص را در یک فضا-زمان تخت و بدون پیچیدگی خاصی را می‌دانستند. در چنین جهان همواری، همه چیز مستقل از این‌که کجا هستید و در چه راستایی قرار دارید یا با چه سرعتی حرکت می‌کنید، یکسان به نظر می‌رسد. این ویژگی‌ها متناظر با تقارن‌های انتقالی، چرخشی و بوست (boost) هستند. فیزیکدان‌ها انتظار داشتند که در یک ناحیه‌ی بی‌نهایت دور از ماده، که به آن «ناحیه مجانبی تخت» گفته می‌شود، این تقارن‌های ساده مجدد ظاهر شوند.
اما در کمال شگفتی، آن‌ها دریافتند که مجموعه‌ای بی‌نهایت از تقارن‌ها علاوه بر تقارن‌های مورد انتظار نیز ظاهر می‌شوند. تقارن‌های جدیدِ «ابر-انتقال» (supertranslation) نشان دادند که بخش‌های مجزای فضا-زمان می‌بایست کشیده و فشرده شوند، و رفتار در این ناحیه‌ی بی‌نهایت دور یکسان باقی خواهد ماند.
در دهه ۱۹۸۰ ، ابهی اشتکار (Abhay Ashtekar)، فیزیکدانی از دانشگاه ایالتی پنسیلوینیا، کشف کرد که اثر حافظه تجلی فیزیکی این تقارن‌هاست. به بیان دیگر، یک ابر-انتقال دقیقا همان چیزی است که موجب می‌شود جهان Boggle یک خمش جدید اما هم‌ارز برای فضا-زمان برگزیند.
کار اشتکار این تقارن‌های انتزاعی در یک ناحیه‌ی فرضی از جهان را به اثرات واقعی مرتبط کرد. لورا دانی (Laura Donnay) فیزیکدان در دانشگاه فناوری وین اظهار کرد:
برای من چیز هیجان‌انگیز درباره اندازه‌گیری اثر حافظه این است که اثبات می‌کند این تقارن‌ها از نظر فیزیکی واقعی هستند. حتی فیزیکدان‌های خیلی خوب هم کاملا آن را درک نمی‌کنند که چطور به یک طریق غیر بدیهی عمل می‌کند و اثرات فیزیکی به شما می‌دهد. و اثر حافظه یکی از آن‌هاست.
کاوش در یک پارادوکس
نکته‌ی بازی Boggle جستجو برای چیدمان ظاهرا تصادفی از حروف روی شبکه‌ای برای یافتن کلمات است. هر چیدمان جدید کلمات جدید را پنهان می‌کند، و در نتیجه اطلاعات جدید را.
شبیه به Boggle ، فضا زمان نیز پتانسیلی برای ذخیره‌ی اطلاعات دارد، که می‌تواند کلیدی برای حل پارادوکس بدنام اطلاعات در سیاه‌چاله‌ها باشد. بطور خلاصه، پارادوکس این‌گونه است: اطلاعات نمی‌تواند خلق شود یا از بین برود. اگر این‌طور است پس اطلاعات ذراتی که به درون افق رویداد سیاهچاله سقوط می‌کنند و به صورت تابش هاکینگِ بدون اطلاعات باز-تابش کجا می‌رود؟
در سال ۲۰۱۶ ، اندرو اشترومینگر (Andrew Strominger) فیزیکدان دانشگاه هاروارد همراه با استیون هاکینگ (Stephen Hawking) و مالکولم پری (Malcolm Perry) دریافتند که افق یک سیاهچاله همان تقارن‌های ابر-انتقالی را دارد که فضای مجانبی تخت دارد. و با منطقی مشابه، یک اثر حافظه‌ی همراه با آن باید وجود داشته باشد. این بدان معناست که ذرات سقوط کننده به درون سیاهچاله می‌توانند فضا-زمان را در نزدیکی سیاهچاله تغییر دهند، در نتیجه محتوای اطلاعات آن را تغییر دهند. این ایده امکانی برای حل پارادوکس اطلاعات مطرح می‌کند. دانش ویژگی ذرات گم نشده بود، بلکه برای همیشه در بافتار فضا-زمان کدگذاری شده است.
سابرینا پاسترسکی (Sabrina Pasterski) فیزیکدان نظری در دانشگاه پرینستون این‌گونه بیان می‌کند:
این واقعیت که شما می‌توانید چیز جالبی درباره تبخیر سیاهچاله بگویید خیلی عالی است. نقطه آغاز این چارچوب هم اکنون نتایج جالبی در برداشته است. و ما چارچوب را حتی بیشتر به پیش می‌رانیم.
پاسترسکی و دیگران برنامه پژوهشی جدیدی را آغاز کرده‌اند که گزاره‌هایی درباره گرانش و دیگر حوزه‌های فیزیک را به این تقارن‌های بی‌نهایت مرتبط می‌کند. در پیگیری این ارتباطات، آن‌ها اثرات حافظه‌ی عجیب و غریب جدیدی کشف کرده‌اند. پاسترسکی یک اتصال بین مجموعه متفاوتی از تقارن‌ها و اثر حافظه اسپینی را بنا نهاده که در آن فضا-زمان بر اثر امواج گرانشی که تکانه‌ی زاویه‌ای حمل می‌کنند پیچ می‌خورد و برهم می‌خورد.
شبحی در ماشین
افسوس، دانشمندان لایگو (LIGO) تاکنون شواهدی از اثر حافظه ندیده‌اند. تغییر در فاصله بین آینه‌های لایگو توسط امواج گرانشی بسیار جزئی است، در حدود یک-ده هزارم ضخامت یک پروتون، و اثر حافظه طبق پیش‌بینی‌ها باید ۲۰ برابر کوچکتر از این باشد.
به کارگیری لایگو در سیاره‌ی پر از نویز ما مسأله را بدتر می‌کند. نویزِ زمین‌لرزه‌های بسامد پایین، تغییرات بلند-دوره‌ی اثر حافظه در مکان آینه‌ها را تقلید می‌کند، در نتیجه تفکیک سیگنال از نویز کار بسیار پیچیده‌ای است.
کشش گرانشی زمین نیز تمایل به بازگرداندن آینه‌های آشکارساز LIGO به مکان اولیه دارد، در نتیجه حافظه را پاک می‌کند. پس حتی اگرچه پیچ‌خوردگی‌های فضا-زمان دائمی هستند، تغییرات در مکان آینه که امکان اندازه‌گیری این پیچ‌وتاب‌ها را می‌دهد دائمی نیستند. پژوهشگران می‌بایست جابجایی آینه‌ها بر اثر اثرات حافظه را پیش از کشش گرانشی آینه‌ها توسط زمین و بازگشتن به حالت اولیه اندازه‌گیری کنند.
در حالی که شناسایی اثر حافظه ایجاد شده توسط یک تک موج گرانشی با فناوری فعلی دور از دسترس به نظر می‌رسد، اخترفیزیکدانانی مثل لسکی (Lasky) و پاتریشیا اشمیت (Patricia Schmidt) از دانشگاه بیرمینگهام به راه حل‌های هوشمندانه‌تری فکر می‌کنند. لسکی می‌گوید:
آن‌چه که می‌توانید انجام دهید جمع‌آوری مؤثر سیگنال از چندین منبع ادغام گرانشی است. تجمیع شواهد به شکلی بسیار دقیق از نظر آماری.
لسکی و اشمیت بطور مستقل پیش‌بینی کرده‌اند که آن‌ها به بیش از ۱۰۰۰ رویداد موج گرانشی نیاز دارند تا از نظر آماری به اندازه کافی تجمیع رخ دهد که بتوانند اثر حافظه‌ی دیده شده را تأیید کنند. لسکی تصور می‌کند با ارتقاء و بهبودهای در حال انجام در لایگو، همراه به مشارکت آشکارسازهای VIRGO در ایتالیا و KAGRA در ژاپن، بتوانیم ظرف چند سال به آشکارسازی ۱۰۰۰ رویداد موج گرانشی دست یابیم.
اشمیت می‌گوید:
این یک پیش‌بینی خاص است. بسیار هیجان‌انگیز خواهد بود اگر واقعا تحقق یابد.
