نیروی گرانشی، که بااستفاده‌از نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین توصیف می‌شود، را می‌توان به ذره‌ای به‌نام گراویتون مربوط دانست که تصور می‌شده جرم آن صفر است. یک راه برای بررسی این‌که آیا ذره‌ای واقعاً جرم صفر دارد، محاسبه‌ی حد بالای جرم آن از رصدهای دقیق حرکت‌های سیاره‌ای در منظومه‌ی شمسی است. اکنون گروهی برای انجام این کار در تلاش‌اند تا با پرهیز از فرض پنهانِ کارهای پیشین این کار را تکمیل کنند. هر نشانه‌ای مبنی بر این‌که شاید این جرم غیرصفر باشد، می‌تواند بیان‌کننده این باشد که به نظریه‌های جدیدی فراتر از نسبیت عام نیاز داریم.

ازآنجاکه تصور می‌شد نیروی گرانش با سرعت نور حرکت می‌کند، جرم گراویتون m_g باید صفر باشد؛ فقط ذرات بدون جرمی مانند فوتون می‌توانند با این سرعت حرکت کنند. اما اگر گراویتون جرم اندکِ غیرصفری داشته باشد، گرانش نسبت به محدوده‌ی بینهایت باید محدودیت‌هایی داشته باشد، که اصطلاحاً با طول‌موج گرانشی کامپتون، λ_g، مشخص می‌شود. رصدهای امواج گرانشی نشان داده است که m_g کوچک‌تر از 5 *10^-23 eV،^۱و۲ با مقدار حداقل λ_g برابر 10¹³ * 2.6 کیلومتر است.

ملاحظات کیهان‌شناختی –مثلاً چطور یک λ_g محدود می‌تواند انبساط جهان را تغییر دهد- می‌تواند m_g را به‌میزان قابل‌توجهی محکم‌تر از رصدهای امواج گرانشی محدود کند (تا حدود 10³² eV). اما فیزیک‌دان‌ها به‌دنبال یافتن روش‌های مستقلی برای تخمین این حد هستند. کلیفورد ویل، که اکنون در دانشگاه فلوریدا در گینزویل است، حدود دو دهه پیش نشان داد که حدود m_g را با نگریستن به حرکت اجرام منظومه‌ی شمسی^۳ نیز می‌توان به‌دست آورد،‌ زیرا گراویتونِ جرم‌دار باعث ایجاد انحراف‌هایی از پیش‌بینی‌های نسبیت عام می‌شود.

ویل اخیراً از همین رویکرد برای رصد مدار مریخ استفاده کرد و حد بالای m_g را بین ^24-10 * 5.6 و eV ^23-10 ^۴ محاسبه کرد. اکنون لئو برنوس و همکارانش از رصدخانه‌ی پاریس، پژوهش مشابهی انجام دادند، ‌اما به‌طریقی که از فرضیه‌ی پنهان دوری کردند و در تحلیل‌های خود اجرام زیادی در منظومه‌ی شمسی را درنظر گرفتند.

پیش از مقایسه‌ی پیش‌بینی‌های نسبیت عام از مدارهای سیاره‌ای و رصدها، باید موقعیت اولیه سیارات و اجرام در یک زمان فرضی را بدانیم. تحقیقات باید این پارامترها را با ایجاد رابطه‌ای بین مدل مداری و رصدها به‌دست بیاورد. اما اگر این فرایند احتمال وجود گراویتون جرم‌دار را تصدیق نکند، پارامترهای به‌دست‌آمده تحت‌تأثیر نسبیت عام خواهند بود. برنوس می‌گوید برای این‌که بتوانیم نظریه‌ای با گراویتون جرم‌دار داشته باشیم، باید در فرایند تنظیمی اولیه برای تعیین جرم‌ها و دیگر پارامترهای اولیه، λ_g را به‌صورت یک پارمتر قابل‌تنظیم اضافه کنیم.

برنوس و همکاران در تحلیل‌های اولیه‌ی خود موقعیت سیارات را در برخی زمان‌های بعد و سپس شرایط اولیه آنها را بااستفاده‌از مدلِ موسوم به INPOP17b^۵ پیش‌بینی کردند. گروه کار خود را از سال ۲۰۰۰ با اندازه‌گیری‌هایی شروع کردند و با مجاز دانستن λ_g محدود، موقعیت، جرم و سرعت خورشید، سیارات، قمرها و بسیاری از سیارک‌ها را استخراج کرد. سپس معادلات حرکت INPOP17b را در زمان، برای سال‌های ۱۹۱۳ و ۲۰۱۷، به جلو و عقب بردند؛ دوره‌ای که داده‌های رصدی خوبی برای آن وجود دارد. سپس محققان به‌دنبال هر اختلافی با رصدها می‌گشتند که ممکن بود به جرم گراویتون اشاره کند.

نتایج نشان داده است که مقدار λ_g نمی‌تواند کمتر از km 10¹³ * 1.83 باشد و بنابراین m_g با اطمینان ۹۰درصد، نمی‌تواند بیشتر از 6.76 * 10^-23 eV باشد. این مقدارها با مقدارهای ویل تقریباً با ضریب ۱۰ تفاوت دارند، اما باوجود مسیرهای کاملاً مستقل از هم، بسیار نزدیک به مقدارهای به‌دست‌آمده از بررسی موج گرانشی هستند، یافته‌ای که برنوس معتقد است کاملا تصادفی است. برنوس می‌افزاید هرچه داده‌های به‌دست‌آمده از حرکت‌ها در منظومه‌ی شمسی بهتر باشند، این حد بهتر خواهد بود.

نیکولاس یونس، اخترفیزیک‌دانی از دانشگاه ایلینویز در اربانا-شمپین، با برنوس و همکارانش به‌خاطر فرضیه‌ی پنهان موافق است که حدهای ویل روی m_g شاید قوی‌تر از چیزی است که باید باشد. ویل از نتایج جدید استقبال می‌کند و می‌گوید: می‌دانستم که تحلیل‌های شکست‌خورده می‌تواند به حدهای ضعیف‌تری (کمتری) بیانجامد و بخشی از انگیزه‌ی من تحریک دیگران برای انجام چنین تحلیل‌های کاملاً نجومی‌ای بود. ویل اظهار ناامیدی کرده که حد جدید از حد او ضعیف‌تر (کمتر) است، و می‌گوید زندگی همین است.

اصلاحیه: عنوان در تاریخ ۲۲ اکتبر ۲۰۱۹ (اول آبان ۱۳۹۸) تغییر کرده و از «گرانش» به‌جای «گرانش کوانتومی» استفاده کرده است،‌ زیرا گرانش لزوماً به گرانش کوانتومی مربوط نیست.

منبع: https://journals.aps.org/prl/

نویسنده: فیلیپ بال (Philip Ball)، نویسنده مطالب علمی از لندن. آخرین کتاب وی، چگونگی رشد انسان (How To Grow a Human) (چاپ دانشگاه شیکاگو، ۲۰۱۹) است.

منابع:

۱-

B. P. Abbott et al., “GWTC-1: A gravitational-wave transient catalog of compact binary mergers observed by LIGO and Virgo during the first and second observing runs,” Phys. Rev. X 9, 031040 (2019).

۲-

B.P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), “Tests of general relativity with the binary black hole signals from the LIGO-Virgo catalog GWTC-1,” arXiv:1903.04467.

۳-

C.M. Will, “Bounding the mass of the graviton using gravitational-wave observations of inspiralling compact binaries,” Phys. Rev. D 57, 2061 (1998).

۴-

C.M. Will, “Solar system versus gravitational-wave bounds on the graviton mass,” Class. Quantum Grav. 35, 17LT01 (2018).

۵-

A. Fienga, H. Manche, J. Laskar, and M. Gastineau, “INPOP06: a new numerical planetary ephemeris,” Astron. Astrophys. 477, 315 (2007).