Valët gravitacionale mund të shtrembërojnë përgjithmonë hapësirë-kohë

Zbulimi i parë i valëve gravitacionale në 2016 dha një konfirmim vendimtar të teorisë së përgjithshme të relativitetit të Ajnshtajnit. Por një tjetër parashikim befasues mbetet i pakonfirmuar: Sipas relativitetit të përgjithshëm, çdo valë gravitacionale duhet të lërë një gjurmë të pashlyeshme në strukturën e hapësirë-kohës. Ai duhet të tendos përgjithmonë hapësirën, duke zhvendosur pasqyrat e një detektori të valëve gravitacionale edhe pasi vala të ketë kaluar.

Që nga zbulimi i parë pothuajse gjashtë vjet më parë, fizikanët janë përpjekur të kuptojnë se si të masin këtë të ashtuquajtur “efekt memorie”.

“Efekti i kujtesës është absolutisht një fenomen i çuditshëm, i çuditshëm,” tha Paul Lasky, një astrofizikan në Universitetin Monash në Australi. “Është gjëra vërtet të thella.”

Qëllimet e tyre janë më të gjera sesa thjesht shikimi i plagëve të përhershme hapësirë-kohore të lëna nga një valë gravitacionale kalimtare. Duke eksploruar lidhjet midis materies, energjisë dhe hapësirë-kohës, fizikanët shpresojnë të arrijnë në një kuptim më të mirë të paradoksit të informacionit të vrimës së zezë të Stephen Hawking, i cili ka qenë një fokus kryesor i kërkimit teorik për pesë dekada. “Ekziston një lidhje intime midis efektit të kujtesës dhe simetrisë së hapësirë-kohës,” tha Kip Thorne, një fizikant në Institutin e Teknologjisë në Kaliforni, puna e të cilit në valët gravitacionale i dha atij një pjesë të Çmimit Nobel në Fizikë 2017. “Kjo është e lidhur përfundimisht me humbjen e informacionit në vrimat e zeza, një çështje shumë e thellë në strukturën e hapësirës dhe kohës.”

Pse një valë gravitacionale do të ndryshonte përgjithmonë strukturën e hapësirë-kohës? Bëhet fjalë për lidhjen intime të hapësirës-kohës dhe energjisë së relativitetit të përgjithshëm.

Së pari merrni parasysh se çfarë ndodh kur një valë gravitacionale kalon pranë një detektori të valëve gravitacionale. Observatori i valëve gravitacionale me interferometër lazer (LIGO) ka dy krahë të pozicionuar në formë L. Nëse imagjinoni një rreth që rrethon krahët, me qendrën e rrethit në kryqëzimin e krahëve, një valë gravitacionale do ta shtrembërojë periodikisht rrethin, duke e shtrydhur atë vertikalisht, pastaj horizontalisht, duke alternuar derisa vala të kalojë. Dallimi në gjatësi midis dy krahëve do të lëkundet – sjellje që zbulon shtrembërimin e rrethit dhe kalimin e valës gravitacionale.

Sipas efektit të kujtesës, pas kalimit të valës, rrethi duhet të mbetet i deformuar përgjithmonë nga një sasi e vogël. Arsyeja pse ka të bëjë me veçoritë e gravitetit siç përshkruhet nga relativiteti i përgjithshëm.

Objektet që zbulon LIGO janë kaq larg, tërheqja e tyre gravitacionale është jashtëzakonisht e dobët. Por një valë gravitacionale ka një shtrirje më të gjatë se forca e gravitetit. Po kështu, edhe vetia përgjegjëse për efektin e kujtesës: potenciali gravitacional.

Me fjalë të thjeshta Njutoniane, një potencial gravitacional mat se sa energji do të fitonte një objekt nëse do të binte nga një lartësi e caktuar. Hidheni një kudhër nga një shkëmb dhe shpejtësia e kudhës në fund mund të përdoret për të rindërtuar energjinë “potenciale” që mund të japë rënia nga shkëmbi.

Por në relativitetin e përgjithshëm, ku hapësira-koha shtrihet dhe shtypet në drejtime të ndryshme në varësi të lëvizjeve të trupave, një potencial dikton më shumë sesa thjesht energjia potenciale në një vend – ai dikton formën e hapësirë-kohës.

“Kujtesa nuk është gjë tjetër veçse ndryshimi në potencialin gravitacional,” tha Thorne, “por është një potencial gravitacional relativist.” Energjia e një valë gravitacionale kaluese krijon një ndryshim në potencialin gravitacional; ai ndryshim në potencial shtrembëron hapësirë-kohën, edhe pasi vala të ketë kaluar.

Si do të shtrembërojë, saktësisht, një valë që kalon hapësirë-kohën? Mundësitë janë fjalë për fjalë të pafundme dhe, çuditërisht, këto mundësi janë gjithashtu ekuivalente me njëra-tjetrën. Në këtë mënyrë, hapësirë-koha është si një lojë e pafundme e Boggle. Loja klasike Boggle ka 16 zare me gjashtë anë të rregulluar në një rrjet katër nga katër, me një shkronjë në secilën anë të secilës zarre. Sa herë që një lojtar tund rrjetën, zaret trokasin përreth dhe vendosen në një renditje të re shkronjash. Shumica e konfigurimeve janë të dallueshme nga njëra-tjetra, por të gjitha janë ekuivalente në një kuptim më të gjerë. Ata janë të gjithë në qetësi në gjendjen e energjisë më të ulët në të cilën mund të jetë zari. Kur kalon një valë gravitacionale, ajo tund tabelën kozmike Boggle, duke ndryshuar hapësirë-kohën nga një konfigurim i çuditshëm në tjetrin. Por hapësirë-koha mbetet në gjendjen e saj më të ulët të energjisë.

Kjo karakteristikë – që ju mund të ndryshoni tabelën, por në fund gjërat në thelb mbeten të njëjta – sugjeron praninë e simetrive të fshehura në strukturën e hapësirë-kohës. Brenda dekadës së fundit, fizikanët e kanë bërë në mënyrë eksplicite këtë lidhje.

Historia fillon në vitet 1960, kur katër fizikanë donin të kuptonin më mirë relativitetin e përgjithshëm. Ata pyesnin veten se çfarë do të ndodhte në një rajon hipotetik pafundësisht larg çdo mase dhe energjie në univers, ku tërheqja e gravitetit mund të neglizhohet, por rrezatimi gravitacional jo. Ata filluan duke parë simetritë që iu bind ky rajon.

Ata tashmë i dinin simetritë e botës sipas relativitetit special, ku hapësirë-koha është e sheshtë dhe pa tipare. Në një botë kaq të qetë, çdo gjë duket e njëjtë pavarësisht se ku jeni, në cilin drejtim po përballeni dhe shpejtësinë me të cilën po lëvizni. Këto veti korrespondojnë me simetritë përkthimore, rrotulluese dhe shtytëse, përkatësisht. Fizikanët prisnin që pafundësisht larg gjithë materies në univers, në një rajon të quajtur “asimptotikisht i sheshtë”, këto simetri të thjeshta do të rishfaqeshin.

Për habinë e tyre, ata gjetën një grup të pafund simetrish përveç atyre të pritura. Simetritë e reja të “superpërkthimit” treguan se pjesët individuale të hapësirës-kohës mund të shtrihen, shtrydhen dhe prehen, dhe sjellja në këtë rajon pafundësisht të largët do të mbetej e njëjtë.

Në vitet 1980, Abhay Ashtekar, një fizikant në Universitetin Shtetëror të Pensilvanisë, zbuloi se efekti i kujtesës ishte manifestimi fizik i këtyre simetrive. Me fjalë të tjera, një superpërkthim ishte pikërisht ajo që do të bënte që universi Boggle të zgjidhte një mënyrë të re, por ekuivalente për të shtrembëruar hapësirë-kohën.

Puna e tij i lidhi këto simetri abstrakte në një rajon hipotetik të universit me efektet reale. “Për mua kjo është gjëja emocionuese në lidhje me matjen e efektit të kujtesës – thjesht provon se këto simetri janë vërtet fizike,” tha Laura Donnay, një fizikan në Universitetin e Teknologjisë në Vjenë. “Edhe fizikanët shumë të mirë nuk e kuptojnë se ata veprojnë në një mënyrë jo të parëndësishme dhe ju japin efekte fizike. Dhe efekti i kujtesës është një prej tyre.”

Qëllimi i lojës Boggle është të kërkosh renditjen në dukje të rastësishme të shkronjave në rrjet për të gjetur fjalë. Çdo konfigurim i ri fsheh fjalë të reja dhe rrjedhimisht informacione të reja.

Ashtu si Boggle, hapësira-koha ka potencialin për të ruajtur informacionin, i cili mund të jetë çelësi për zgjidhjen e paradoksit famëkeq të informacionit të vrimës së zezë. Shkurtimisht, paradoksi është ky: Informacioni nuk mund të krijohet apo shkatërrohet. Pra, ku shkon informacioni rreth grimcave pasi ato bien në një vrimë të zezë dhe riemetohen si rrezatim Hawking pa informacion?

Në vitin 2016, Andrew Strominger, një fizikant në Universitetin e Harvardit, së bashku me Stephen Hawking dhe Malcolm Perry kuptuan se horizonti i një vrime të zezë ka të njëjtat simetri superpërkthimi si ato në hapësirën asimptotike të sheshtë. Dhe me të njëjtën logjikë si më parë, do të kishte një efekt shoqërues të kujtesës. Kjo do të thotë se grimcat që bien mund të ndryshojnë hapësirë-kohën pranë vrimës së zezë, duke ndryshuar kështu përmbajtjen e saj të informacionit. Kjo ofroi një zgjidhje të mundshme për paradoksin e informacionit. Njohuria për vetitë e grimcave nuk humbi – ajo u kodua përgjithmonë në strukturën e hapësirës-kohës.

“Fakti që mund të thuash diçka interesante për avullimin e vrimave të zeza është shumë i lezetshëm,” tha Sabrina Pasterski, një fizikante teorike në Universitetin Princeton. “Pika e fillimit të kornizës tashmë ka pasur rezultate interesante. Dhe tani ne po e shtyjmë kornizën edhe më tej.”

Pasterski dhe të tjerët kanë nisur një program të ri kërkimor që lidh deklaratat rreth gravitetit dhe fushave të tjera të fizikës me këto simetri të pafundme. Në ndjekjen e lidhjeve, ata kanë zbuluar efekte të reja, ekzotike të kujtesës. Pasterski krijoi një lidhje midis një grupi të ndryshëm simetrish dhe një efekti memorie rrotullimi, ku hapësirë-koha gërvishtet dhe shtrembërohet nga valët gravitacionale që mbartin momentin këndor.