Mogu li se gravitaciona polja prekinuti i ponovo povezati? Ajnštajnove jednačine sugerišu da mogu

Više od jednog veka nakon što je Ajnštajn prvi put formulisao jednačine koje opisuju gravitaciju, fizičari još pronalaze nove načine za njihovo tumačenje.

Istraživači sa odeljenja za astronomiju i fiziku Univerziteta Kolumbija i sa Univerziteta Adolfo Ibanjez u Čileu nedavno su pronašli novi način za posmatranje Ajnštajnovih jednačina koji otkriva upečatljivu analogiju sa „magnetnom rekonekcijom“ u plazmama, koja se dešava kad se linije magnetnog polja prekinu i ponovo povežu, pokrećući eksplozivne fenomene poput solarnih baklji.

Preporučujemo

Nešto slično se može dogoditi sa gravitacijom: pod odgovarajućim uslovima, strukture gravitacionog polja takođe mogu da se prekinu i ponovo povežu — proces nazvan „gravitaciona rekonekcija“. Kad se to dogodi, energija prelazi iz gravitacionog polja u materiju.

Ovi nalazi bi mogli pomoći fizičarima da bolje razumeju neke od najekstremnijih događaja u univerzumu, uključujući sudar crnih rupa. U ovim okruženjima, gravitacija je toliko snažna da prostor-vreme postaje vrlo izobličeno, tako da je njegovo ponašanje izuzetno teško izračunati.

Istraživači predstavljaju način za identifikaciju osnovnih pravila koja vladaju ponašanjem gravitacionih polja, potencijalno dajući uvide koje same konvencionalne kompjuterske simulacije ne mogu da obezbede.

Da bismo razumeli kako funkcioniše gravitaciona rekonekcija, pomaže da se počne sa poznatijim fenomenom - magnetnom rekonekcijom. Magnetna rekonekcija se dešava kad se linije polja, u nekoj specifičnoj konfiguraciji, prekinu i ponovo spoje u drugačijoj konfiguraciji, kažu istraživači. Kad se prekinu i ponovo povežu, one oslobađaju energiju.

Ovo je proces u osnovi solarnih baklji i jedan od najvažnijih mehanizama oslobađanja energije u čitavoj astrofizici: uzima energiju iz magnetnog polja i daje je česticama u plazmi, proizvodeći eksplozije, energetske događaje.

Gravitacija, tvrde istraživači, može da uradi nešto slično. Međutim, geometrija je drugačija pošto Ajnštajnovo prostor-vreme ima četiri dimenzije, a ne tri, što opisuje samo prostor. Pošto je prostor-vreme četvorodimenzionalno, a ne trodimenzionalno, gravitacija uključuje nešto poput „listova“ polja, a ne linija polja. Dodavanje jedne dimenzije liniji daje ravan. Možete o tome razmišljati kao o spajanju brojnih linija kako bi se formirao „list“.

Dakle, umesto linija magnetnog polja koje se rastežu, ponovo povezuju i oslobađaju energiju, gravitaciono polje dobija oblik listova koji se kreću, ponovo povezuju i oslobađaju energiju. Ovi listovi su matematičke strukture, a ne fizički objekti, ali njihova rekonekcija opisuje proces putem kog se energija može preneti iz gravitacionog polja u materiju.

Otkriće je proizašlo iz nekonvencionalnog načina posmatranja Ajnštajnovih jednačina, nadovezujući se na ranije istraživanje fundamentalnih pravila koja upravljaju načinom evolucije prostor-vremena. Rad „Rekonekcija gravitacionih polja“ nadovezuje se na raniji rad koji je identifikovao skup dotad neprepoznatih pravila koja određuju kako prostor-vreme može da se savija, rasteže i evoluira.

„Ajnštajnove jednačine sadrže određenja kako prostor-vreme može da evoluira, koja nisu odmah jasna. Otkrivanjem ovih skrivenih novih svojstava, možemo početi da razumemo fundamentalna pravila koja upravljaju ponašanjem ovog procesa gravitacione rekonekcije“, kažu autori.

Najnoviji rad pokazuje kako se konekcije gravitacionog polja mogu promeniti kad se idealni uslovi koji ih održavaju naruše.

„Neke implikacije su skrivene u jednačinama i nije ih jednostavno shvatiti. Morate ih formulisati na drugačiji način i onda možete iskoristiti to ponašanje“, kažu istraživači.

To preoblikovanje je suština studije. Tokom poslednjih nekoliko godina, fizičari su razvili novu formulaciju Ajnštajnovih jednačina — matematički ekvivalentnu originalima, ali izraženu kroz različite varijable. Na taj način jednačine gravitacije počinju umnogome da liče na jednačine koje važe za plazme: gasove koji čine Sunce, pokreću fuzione eksperimente i ispunjavaju veliki deo prostora između zvezda.

„To nam pomaže da predvidimo neke obrasce prostor-vremena. Čak i bez izvođenja pune kalkulacije, znamo da prostor-vreme mora da se ponaša na određeni način, da mora da zadovolji ta ograničenja“, kažu istraživači.

Ovo je važno zbog načina na koji se ovakva vrsta fizike obično obavlja. Kad astrofizičari žele da saznaju šta se dešava kad se sudare dve crne rupe, oni izvode ogromne superkompjuterske simulacije: izaberu skup početnih uslova, puste kompjuter da radi i posmatraju šta proizilazi.

Rezultati se koriste za predviđanje oblika signala gravitacionih talasa koji bi trebalo da izmere detektori kao što je Laserska interferometarska opservatorija gravitacionih talasa (LIGO), opservatorija dizajnirana da detektuje talase u prostor-vremenu usled događaja poput sudara crnih rupa.

Zasad gravitaciona rekonekcija ostaje teorijsko otkriće. Sledeći izazov je da se istraži kako bi se taj proces mogao odvijati u specifičnim astrofizičkim uslovima, poput spajanja crnih rupa, i da li proizvodi merljive efekte.

Istraživači se nadaju da će ovaj pristup na kraju pomoći u predviđanju koliko energije takvi događaji oslobađaju i kakve potpise bi mogli ostaviti u gravitacionim talasima.

(Telegraf Nauka/EurekAlert)