Undele gravitaționale ar trebui să distorsioneze permanent conceptul spațiu-timp: ce descoperiri au fost făcute

Prima detectare a undelor gravitaționale în 2016 a oferit o confirmare decisivă a teoriei generale a relativității a lui Einstein. Dar o altă predicție uluitoare rămâne neconfirmată: în conformitate cu relativitatea generală, fiecare undă gravitațională ar trebui să lase o amprentă de neșters asupra structurii spațiu-timpului. Ar trebui să tensioneze permanent spațiul, deplasând oglinzile unui detector de unde gravitaționale chiar și după ce valul a trecut.

De la prima detectare în urmă cu aproape șase ani, fizicienii au încercat să descopere cum să măsoare acest așa-numit „efect de memorie”.

„Efectul memoriei este un fenomen absolut ciudat”, a spus Paul Lasky, astrofizician la Universitatea Monash din Australia. „Sunt lucruri cu adevărat profunde”.

Obiectivele lor sunt mai ample decât să afle cicatricile spațio-temporale permanente lăsate de o undă gravitațională care trece. Explorând legăturile dintre materie, energie și spațiu-timp, fizicienii speră să ajungă la o mai bună înțelegere a paradoxului informațional al găurii negre al lui Stephen Hawking, care a fost un accent major al cercetării teoretice timp de cinci decenii.

Conceptul spațiu-timp are o legătură cu efectul de memorie

„Există o legătură intimă între efectul de memorie și simetria spațiu-timp”, a spus Kip Thorne, fizician la Institutul de Tehnologie din California, ale cărui lucrări asupra undelor gravitaționale i-au adus parte din Premiul Nobel pentru Fizică în 2017. „Este conectat cu pierderea de informații în găurile negre, o problemă foarte profundă în structura spațiului și timpului”.

De ce ar schimba o undă gravitațională permanent structura spațiu-timpului? Se reduce la legătura relativității generale dintre spațiu-timp și energie.

Mai întâi, ia în considerare ce se întâmplă atunci când o undă gravitațională trece pe lângă un detector de unde gravitaționale. Observatorul de unde gravitaționale cu interferometru cu laser (LIGO) are două brațe poziționate în formă de L. Dacă îți imaginezi un cerc circumscriind brațele, cu centrul cercului la intersecția brațelor, o undă gravitațională va distorsiona periodic cercul, strângându-l pe verticală, apoi pe orizontală, alternând până când valul a trecut. Diferența de lungime dintre cele două brațe va oscila – comportament care dezvăluie distorsiunea cercului și trecerea undei gravitaționale.

Conform efectului de memorie, după trecerea undei, cercul ar trebui să rămână permanent deformat. Motivul pentru care are de-a face cu particularitățile gravitației așa cum sunt descrise de relativitatea generală.

Obiectele pe care LIGO le detectează sunt atât de departe, încât atracția lor gravitațională este neglijabil de slabă. Dar o undă gravitațională are o rază de acțiune mai mare decât forța gravitațională. La fel și proprietatea responsabilă pentru efectul de memorie: potențialul gravitațional.

În termeni newtonieni simpli, un potențial gravitațional măsoară câtă energie ar câștiga un obiect dacă ar cădea de la o anumită înălțime. Aruncă o nicovală de pe o stâncă, iar viteza nicovalei din partea de jos poate fi folosită pentru a reconstrui energia „potențială” pe care o poate conferi căderea de pe stâncă.

Dar în relativitatea generală, în care conceptul spațiu-timp este întins și strivit în direcții diferite în funcție de mișcările corpurilor, un potențial dictează mai mult decât energia potențială dintr-o locație – dictează forma spațiu-timp.

„Memoria nu este altceva decât schimbarea potențialului gravitațional”, a spus Thorne, „dar este un potențial gravitațional relativist”.

Energia unei unde gravitaționale care trece creează o modificare a potențialului gravitational. Această modificare a potențialului distorsionează conceptul spațiu-timp, chiar și după ce valul a trecut.