هل تحولت الجاذبية إلى ضوء في فجر الكون؟
بقدر ما قد يبدو مذهلاً ، في ظل ظروف معينة ، يمكن للفوتون - جسيم أولي بدون كتلة - أن يتحول إلى جسيم آخر وجسيمه المضاد ، الذي له كتلة بالفعل. بإلهام من هذه العملية ، اختبر علماء الفيزياء النظرية فكرة أن الجرافيتون ، الكم الافتراضي لقوة الجاذبية ، يمكن أن يتحول أيضًا إلى جسيمات أخرى ، خاصة الفوتونات.
يشرح النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، الذي يصف جميع الجسيمات دون الذرية (الأولية والمركبة) ، كيفية تفاعلها مع المادة - وتعتمد هذه التفاعلات على طبيعتها وطاقتها. في بعض الأحيان تتحول الجسيمات إلى بعضها البعض من خلال عمليات مختلفة ؛ لكن الفوتون ، كم الطاقة المرتبط بالموجات الكهرومغناطيسية ، لا يفعل ذلك ، لأنه ليس له كتلة - وبالتالي لا يمكنه ، من الناحية النظرية ، التحول إلى جسيم ذي كتلة.
في ظل ظروف خاصة معينة ، يصبح هذا ممكنًا: إذا مر فوتون عالي الطاقة بالقرب من نواة ذرية ، يمكن تحويل طاقته إلى زوج إلكترون-بوزيترون - أي جسيمين لهما كتلة - في عملية تسمى " إنشاء أزواج "، وهو النمط السائد لتفاعل الفوتونات مع المادة. بناءً على هذه الظاهرة الغريبة ، توصل علماء الفيزياء من جامعة ماكجيل في مونتريال وجامعة جاجيلونيان في كراكوف إلى نظرية مفادها أن الجاذبية يمكن أن تتحول أيضًا إلى جسيمات أخرى.
موجات الجاذبية الأقوى بكثير في بدايات الكون
تصف نظرية النسبية العامة الجاذبية على أنها مظهر من مظاهر انحناء الزمان والمكان ، الذي ينتج عن توزيع طاقة المادة فيه. ولكن من وجهة نظر فيزياء الكم ، يمكن تفسير هذه التذبذبات في الزمكان ، موجات الجاذبية ، على أنها انتشار لجسيم أولي افتراضي ينقل الجاذبية ، يُسمى الجرافيتون ، ويُعتبر كم قوة الجاذبية. من الناحية النظرية ، تتصرف الجرافيتونات مثل أي جسيم أساسي آخر ، وبالتالي فهي قادرة على التحول إلى جسيمات أخرى.
شرع فريق من الباحثين في اختبار هذه الفرضية ، مستخدمين "عدم وجود فيزياء بخلاف نموذج أينشتاين القياسي لفيزياء الجسيمات والجاذبية" ، على حد قولهم. للقيام بذلك ، ركزوا على ظروف الكون المبكر ، في الوقت الذي لم تكن فيه أي بنية (لا نجوم ولا مجرات ) وعندما تم تجميع كل المادة والطاقة معًا في حجم كثيف وكثيف للغاية - حار. في ظل هذه الظروف الخاصة ، التي يعود تاريخها إلى أكثر من 13 مليار سنة ، كان من الممكن أن تلعب موجات الجاذبية دورًا رئيسيًا في تطور كوننا.
الموجات الثقالية - التي تنبأ بها أينشتاين في عام 1916 واكتشفت لأول مرة في عام 2015 - عادة ما تكون ضعيفة للغاية ، حيث تتراوح الترددات من بضعة كيلوهرتز إلى بضعة نيوتن هرتز. هم "قادرون على جعل ذرة تتقاطع لمسافة أقل من عرض نواتها" ، كما تحدد Live Science . ينتج عن حدث كوني مثل اصطدام ثقبين أسودين إزاحة صغيرة ، في حدود 10-18 مترًا ، في أجهزة كشف قياس التداخل. يجادل الفيزيائيون هنا أنه في بدايات الكون ، كان من الممكن أن تكون هذه الموجات أقوى بكثير.
كانت موجات الجاذبية البدائية هذه ، المنبعثة في جميع الاتجاهات ، قد تضخمت نفسها ، وتسحب في تذبذبها كل المادة الموجودة في مسارها. كان من شأن تأثير الرنين هذا أن يفضل التفاعلات بين الجسيمات الأولية المختلفة وتشكيل الجسيمات المركبة الأولى ، تليها النوى الذرية الأولى.
الظروف تؤدي إلى صدى أكبر
ولكن يمكن أن يكون لهذه الموجات أيضًا تأثير على المجال الكهرومغناطيسي المحيط ، مما يؤدي إلى رفع هذا الإشعاع إلى طاقات عالية للغاية ، حتى أنه يتسبب في الظهور التلقائي للفوتونات. " موجات الجاذبية تستحث تذبذب شروط في معادلات الحركة لجميع مجالات المادة. في حالة حقول المادة عديمة الكتلة مثل الفوتون ، فمن المتوقع أن موجات الجاذبية هذه يمكن أن تسبب عدم الاستقرار. وأوضح الباحثون أن عدم الاستقرار هذا سيؤدي بدوره إلى استنزاف طاقة موجات الجاذبية .
أفاد الفريق أنهم رأوا بالفعل تأثير الرنين وفقًا لحساباتهم ، لكن في الفراغ ، هذا ضعيف جدًا: الرنين يحدث فقط في نطاق الرنين الثاني وبالتالي فهو غير فعال للغاية. علاوة على ذلك ، بسبب توسع الكون ، فإن موجات الجاذبية قصيرة العمر. من ناحية أخرى ، أوضح الباحثون أنه في وسط تتحرك فيه الموجات الكهرومغناطيسية بشكل أبطأ بكثير ، يمكن أن يكون الرنين أقوى بكثير.
بعبارة أخرى ، إذا احتوى الكون المبكر على ما يكفي من المادة وكان كثيفًا بما يكفي لتقليل سرعة الضوء ، يمكن أن تستمر موجات الجاذبية لفترة كافية لتوليد المزيد من الفوتونات. لذلك كان من الممكن أن تكون الجاذبية قد خلقت الضوء ، مما يؤثر بشكل كبير على تكوين المادة وتطور الكون. خلص مؤلفو الدراسة إلى أن " نتيجتنا هي الخطوة الأولى نحو التحقيق في الآثار المحتملة لتحويل الموجات الثقالية من خلال الرنين البارامتري في علم الكونيات والفيزياء الفلكية ".
المصدر:مواقع ألكترونية