Gravitációs hullámok és a téridő geometriája

Amikor az univerzumunkról beszélünk, gyakran mondják, hogy „az anyag megmondja a téridőnek, hogyan kell görbülni, és a görbe téridő azt mondja meg, hogyan kell mozogni”. Ez Albert Einstein híres általános relativitáselméletének lényege, és leírja, hogy a bolygók, csillagok és galaxisok hogyan mozognak és hatnak a körülöttük lévő térre. Míg az általános relativitáselmélet sok nagy dolgot megragad az univerzumban, ütközik a fizika kis dolgaival, ahogyan azt a kvantummechanika leírja.

neki Ph.D. kutatásSewers Heifer felfedezte univerzumunkban a gravitációt, és kutatásai hatással vannak a gravitációs hullámok izgalmas területére, és befolyásolhatják a nagy és a kis fizika összeegyeztetését a jövőben.

Alig több mint száz évvel ezelőtt Albert Einstein az általános relativitáselméletével forradalmasította a gravitáció megértését.

„Einstein elmélete szerint a gravitáció nem erő, hanem a négydimenziós tér-idő kontinuum, vagy röviden téridő geometriája miatt jön létre” – mondja Heffer. „Elengedhetetlen ahhoz, hogy az univerzumban olyan csodálatos jelenségek jelenjenek meg, mint például a gravitációs hullámok.”

A hatalmas objektumok, például a Nap vagy a galaxisok eltorzítják a körülöttük lévő téridőt, majd más objektumok a lehető legegyenesebb utakon mozognak – úgynevezett geodetikus – ezen az ívelt téridőn.

A görbület miatt azonban ezek a geodetikusok egyáltalán nem egyenesek a szokásos értelemben. A Naprendszer bolygói esetében például elliptikus pályákat írnak le a Nap körül. Ily módon az általános relativitáselmélet elegánsan magyarázza a bolygó mozgását, valamint sok más gravitációs jelenséget, a mindennapi helyzetektől a fekete lyukakig és az ősrobbanásig. Mint ilyen, továbbra is a modern fizika sarokköve marad.

Az elméletek ütközése

Míg az általános relativitáselmélet számos asztrofizikai jelenséget ír le, ütközik a fizika egy másik alapvető elméletével – a kvantummechanikával.

„A kvantummechanika azt sugallja, hogy a részecskék (például elektronok vagy müonok) egyidejűleg több állapotban léteznek, hogy mérni vagy megfigyelhetők legyenek” – mondja Heffer. „Mérésük után véletlenszerűen választanak ki egy állapotot a „hullámfunkció összeomlásaként” emlegetett titokzatos hatás miatt.

A kvantummechanikában a hullámfüggvény egy olyan matematikai kifejezés, amely leírja egy részecske, például egy elektron helyzetét és állapotát. A hullámfüggvény négyzete egy sor valószínűséget ad arra vonatkozóan, hogy hol van a részecske. Minél nagyobb a hullámfüggvény négyzete egy adott helyen, annál valószínűbb, hogy a részecske azon a helyen lesz, miután megfigyelték.

„Úgy tűnik, az univerzumunkban minden anyag engedelmeskedik a kvantummechanika furcsa valószínűségi törvényeinek” – mondja Heffer. „Ugyanez igaz minden természeti erőre, kivéve a gravitációt. Ez az ellentmondás mély filozófiai és matematikai paradoxonokhoz vezet, és ezeknek a paradoxonoknak a feloldása a mai fundamentális fizika egyik alapvető kihívása.”

A bővítés a megoldás?

Az általános relativitáselmélet és a kvantummechanika közötti konfliktus megoldásának egyik módja a matematikai keret kiterjesztése az általános relativitáselméleten túlra.

A matematika szempontjából az általános relativitáselmélet a pszeudo-Riemanni geometrián alapul, egy olyan matematikai nyelven, amely képes leírni a téridő legtöbb tipikus alakját.

„A legújabb felfedezések azt sugallják, hogy a világegyetemünkben a téridő túlmutat az ál-Riemanni geometrián, és csak a Fensler-geometria, egy fejlettebb matematikai nyelv írja le” – mondja Heifer.

Mezőegyenletek

A Fensler-gravitáció lehetőségeinek feltárásához Heffernek egy adott téregyenletet kellett elemeznie és megoldania.

A fizikusok a természetben mindent szeretnek mezőkben leírni. A fizikában a mező egyszerűen valami, ami a tér és idő minden pontján értékes.

Egyszerű példa erre például a hőmérséklet; Egy adott időpontban a tér minden pontjához egy adott hőmérséklet kapcsolódik.

Egy kicsit összetettebb példa az elektromágneses tér. Egy adott időpontban az elektromágneses mező értéke a tér egy adott pontjában megmondja annak az elektromágneses erőnek az irányát és nagyságát, amelyet egy töltött részecske, például egy elektron tapasztalna, ha abban a pontban helyezkedne el.

Ha magáról a téridő geometriájáról van szó, akkor azt is egy mező írja le, ami a gravitációs tér. Ennek a mezőnek az értéke a téridő egy pontjában megmondja nekünk a téridő görbületét abban a pontban, és ez a görbület az, ami a gravitációban nyilvánul meg.

Heffer áttért a Christian Pfeiffer és Matthias N. R. Wohlfahrt által kidolgozott vákuumtéregyenletre, amely ezt a gravitációs mezőt szabályozza az üres térben. Más szóval, ez az egyenlet leírja azokat a lehetséges alakzatokat, amelyeket a téridő geometriája felvehet az anyag hiányában.

„Jó közelítéssel ez magában foglalja a csillagok és galaxisok közötti összes csillagközi teret, valamint az olyan objektumokat körülvevő üres teret, mint a Nap és a Föld” – magyarázza Heffer „A téregyenlet gondos elemzésével számos új típusú tér- időgeometriát azonosítottak.”

A gravitációs hullámok megerősítése

Heffer munkásságának egyik különösen izgalmas felfedezése a tér-idő geometria egy osztálya, amely gravitációs hullámokat reprezentál, amelyek a téridő szövetének fénysebességgel terjedő hullámai, amelyeket neutroncsillagok vagy fekete lyukak ütközése okozhat. például.

A gravitációs hullámok első közvetlen észlelése 2015. szeptember 14-én a csillagászat új korszakának hajnalát jelentette, lehetővé téve a tudósok számára, hogy teljesen új módon tárják fel a világegyetemet.

Azóta számos gravitációs hullám megfigyelése történt. Heffer kutatásai azt sugallják, hogy ezek mind összhangban vannak azzal a hipotézissel, hogy téridőnk Vensleri természetű.

Karcolja meg a felületet

Bár Heffer eredményei ígéretesek, csak megkarcolják a Fensler-féle gravitációs téregyenlet következményeit.

„Ez még egy fiatal terület, és több kutatás folyik ebben az irányban” – mondja Heifer. „Optimista vagyok abban, hogy eredményeink hatékonynak bizonyulnak majd a gravitáció megértésének elmélyítésében, és remélem, hogy végül fényt derítenek a gravitáció és a kvantummechanika összeegyeztetésére.”