Gravitational caloric theory: From early dark energy to a wide variety of gravitational phenomena
यह शोध पत्र ग्रेविटेशनल कैलोरिक थ्योरी (Gravitational Caloric Theory) का प्रस्ताव करता है, जो सामान्य सापेक्षता (general relativity) का एक विस्तार है जिसमें फ्लूइड सेक्टर से जुड़ा एक वेक्टर फील्ड शामिल है, जो प्रारंभिक डार्क एनर्जी संयोग समस्या (early dark energy coincidence problem) का एक स्वाभाविक समाधान प्रदान करता है और कॉस्मोलॉजिकल कॉन्स्टेंट के लिए एक सेल्फ-ट्यूनिंग तंत्र और मुद्रास्फीति (inflation) के विकल्प के रूप में एक प्रारंभिक स्थिर गर्म ब्रह्मांड जैसे नवीन कॉस्मोलॉजिकल परिदृश्यों को पेश करता है, जबकि साथ ही मजबूत-क्षेत्र शासन (strong-field regimes) में इसकी व्यवहार्यता का भी विश्लेषण किया गया है।
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गुरुत्वाकर्षण वह बल है जो हमारे पैरों को जमीन पर टिकाए रखता है और ग्रहों को उनकी कक्षाओं में बनाए रखता है, लेकिन अपनी परिचितता के बावजूद, यह वैज्ञानिकों के लिए गहरे रहस्य का स्रोत बना हुआ है। आधुनिक ब्रह्मांड विज्ञान के केंद्र में एक संघर्ष है जो उस चीज़ के बीच है जो हम दूर के अतीत में देखते हैं और जो हम अभी मापते हैं। खगोलविदों के पास ब्रह्मांड कितनी तेज़ी से फैल रहा है, इसे मापने के दो तरीके हैं। एक विधि कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड (cosmic microwave background) को देखती है, जो बिग बैंग की हल्की चमक है, ताकि यह गणना की जा सके कि प्रारंभिक ब्रह्मांड के आधार पर विस्तार की दर क्या होनी चाहिए। दूसरा तरीका पास के फटने वाले सितारों की दूरी को मापता है ताकि यह देखा जा सके कि आज दर क्या है। ये दोनों संख्याएँ मेल नहीं खाती हैं। यह विसंगति पूर्ण रूप में छोटी है लेकिन सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण है, जो ब्रह्मांड विज्ञान में एक संकट पैदा करती है जिसे 'हबल टेंशन' (Hubble tension) कहा जाता है। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिक अक्सर ऊर्जा के नए रूपों या गुरुत्वाकर्षण के नियमों में संशोधनों का प्रस्ताव देते हैं, लेकिन इनमें से कई विचार इस बात को समझाने में संघर्ष करते हैं कि वे ब्रह्मांड के इतिहास में ठीक उसी समय क्यों दिखाई देते हैं।
बीजिंग नॉर्मल यूनिवर्सिटी के एक शोधकर्ता ने इस तनाव और अन्य पहेलियों को संबोधित करने के लिए 'ग्रैविटेशनल कैलोरिक थ्योरी' (Gravitational Caloric Theory) नामक एक नया ढांचा प्रस्तावित किया है। यह सिद्धांत बताता है कि साधारण पदार्थ का ऊष्मा और दबाव—जिसे वैज्ञानिक ब्रह्मांड का 'फ्लुइड सेक्टर' (fluid sector) कहते हैं—गुरुत्वाकर्षण के साथ इस तरह से परस्पर क्रिया करता है जैसा कि मानक भौतिकी पूरी तरह से ध्यान में नहीं रखती है। इस नए मॉडल में, ब्रह्मांड में एक छिपा हुआ वेक्टर फील्ड (vector field) होता है, जो एक प्रकार का दिशात्मक प्रभाव है जो स्वयं पदार्थ के ऊष्मप्रवैगिकी (thermodynamic) गुणों द्वारा उत्पन्न होता है। यह क्षेत्र केवल वहां मौजूद नहीं रहता; यह ब्रह्मांड के एक गर्म, विकिरण-भरे अवस्था से एक ठंडी, पदार्थ-प्रधान अवस्था में संक्रमण के प्रति सक्रिय रूप से प्रतिक्रिया करता है। शोधकर्ता ने इस क्षेत्र के व्यवहार का वर्णन करने के लिए समीकरणों का एक सेट बनाया और फिर ब्रह्मांड के इतिहास के विरुद्ध इसका परीक्षण किया, यह देखते हुए कि क्या ऐसे समाधान मिल सकते हैं जो भौतिकी के अन्य ज्ञात नियमों को तोड़े बिना विस्तार दर के अंतर को ठीक कर सकें।
शोधकर्ता ने पाया कि उनका नया क्षेत्र 'अर्ली डार्क एनर्जी' (early dark energy) नामक घटना के लिए एक ट्रिगर के रूप में कार्य कर सकता है। मानक मॉडलों में, यह अतिरिक्त ऊर्जा समझाना कठिन है क्योंकि यह ऐसा प्रतीत होता है जैसे यह एक विशिष्ट क्षण में अचानक प्रकट हो गई हो। इस नए सिद्धांत में, यह क्षेत्र ब्रह्मांड की बदलती परिस्थितियों से स्वाभाविक रूप से उत्तेजित होता है जब विकिरण पदार्थ में बदल जाता है। यह तंत्र इस बात का एक अंतर्निहित कारण प्रदान करता है कि ऊर्जा कब दिखाई देती है, जिससे इस पहेली का समाधान होता है कि इसकी टाइमिंग इतनी सटीक क्यों है। शोधकर्ता ने ब्रह्मांड के विकास के विस्तृत सिमुलेशन चलाए और पुष्टि की कि यह क्षेत्र वास्तव में विस्तार दर को समायोजित करने के लिए आवश्यक ऊर्जा का विस्फोट उत्पन्न कर सकता है, जो संभावित रूप से प्रारंभिक और देर के ब्रह्सेैंड के मापों के बीच के संघर्ष को हल कर सकता है।
विस्तार दर को ठीक करने के अलावा, इस सिद्धांत ने कुछ आश्चर्यजनक व्यवहार भी प्रकट किए जब शोधकर्ता ने विभिन्न स्थितियों के तहत समीकरणों को देखा। उन्होंने पाया कि नए क्षेत्र में कॉस्मोलॉजिकल कांस्टेंट (cosmological constant) के प्रभावों को रद्द करने की क्षमता है, जो ब्रह्मांड के वर्तमान त्वरण को संचालित करने वाला रहस्यमय बल है। सुदूर भविष्य में, सिमुलेशन दिखाते हैं कि यह क्षेत्र इतना मजबूत हो सकता है कि डार्क एनर्जी का मुकाबला कर सके, जिससे ब्रह्मांड का घातीय (exponential) रूप से त्वरित होना रुक जाए और इसके बजाय यह एक स्थिर, रैखिक गति से विस्तारित हो। यह एक स्व-सुधारात्मक तंत्र का सुझाव देता है जहाँ ब्रह्मांड स्वाभाविक रूप से अपने विस्तार बलों को संतुलित करता है, हालांकि शोधकर्ता नोट करते हैं कि यह विशिष्ट परिणाम इतने दूर के भविष्य में होता है कि यह हमारे ब्रह्मांड के वर्तमान बोध को नहीं बदलता है।
शायद इस अध्ययन से निकला सबसे क्रांतिकारी विचार ब्रह्मांड की शुरुआत के लिए एक परिदृश्य है। शोधकर्ता को एक गणितीय समाधान मिला जहाँ नया क्षेत्र गर्म गैस के गुरुत्वाकर्षण खिंचाव को संतुलित करता है, जिससे ब्रह्मांड एक अवधि के लिए लगभग स्थिर रह सकता है जबकि वह तीव्र ऊष्मा से भरा रहता है। इस "प्रारंभिक स्थिर गर्म ब्रह्मांड" (early static hot universe) में, ब्रह्मांड मानक इन्फ्लेशन मॉडल की तरह तेजी से विस्तार नहीं करता है, लेकिन यह इतना धीरे बढ़ता है कि यह इस समस्या को हल कर सके कि ब्रह्मांड सभी दिशाओं में इतना समान क्यों दिखता है। अन्य सिद्धांतों के विपरीत, जो सुझाव देते हैं कि प्रारंभिक ब्रह्मांड ठंडा और खाली था, यह मॉडल ब्रह्मांड को गर्म और सघन रखता है, जो उन आदिम उतार-चढ़ाव (primordial fluctuations) पर एक अलग प्रकार की छाप छोड़ सकता है जिन्होंने अंततः आकाशगंगाओं का निर्माण किया। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि यह उनके समीकरणों से प्राप्त एक सैद्धांतिक संभावना है, जो ब्रह्मांडीय इन्फ्लेशन की मानक कहानी का एक नया विकल्प प्रदान करती है।
अध्ययन ने यह भी देखा कि यह सिद्धांत हमारे अपने सौर मंडल और ब्लैक होल जैसी विशाल वस्तुओं की उपस्थिति में कैसे टिकता है। जब शोधकर्ता ने सौर मंडल के कमजोर गुरुत्वाकर्षण के विरुद्ध सिद्धांत का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि यदि नया क्षेत्र निष्क्रिय रहे, तो यह न्यूटन और आइंस्टीन के परिचित नियमों को आसानी से पुनरुत्पादित कर सकता है। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि किसी भी नए गुरुत्वाकर्षण सिद्धांत को हमारे स्थानीय पड़ोस में पहले से किए गए कड़े परीक्षणों को पास करना चाहिए। हालाँकि, जब उन्होंने ब्लैक होल के आसपास के मजबूत गुरुत्वाकर्षण को देखा, तो परिणाम अधिक जटिल थे। समीकरणों ने वर्महोल (wormholes) और नग्न विलक्षणता (naked singularities) जैसी अजीब संरचनाओं की अनुमति दी, लेकिन उन्हें मानक ब्लैक होल के अलावा कोई नए प्रकार के ब्लैक होल नहीं मिले। यह सुझाव देता है कि जबकि यह सिद्धांत भौतिकी के चरम किनारों के लिए नई संभावनाएं खोलता है, यह आज के ब्लैक होल के साथ सुसंगत बना रहता है।
शोधकर्ता ने यह भी जांचा कि इस नए ढांचे में गुरुत्वाकर्षण तरंगें कैसे व्यवहार करेंगी। उन्होंने पाया कि सिद्धांत आठ अलग-अलग तरीकों से इन स्पेसटाइम की लहरों के कंपन की भविष्यवाणी करता है, जो सभी प्रकाश की गति से यात्रा करते हैं। यह आइंस्टीन के सिद्धांत से एक महत्वपूर्ण विचलन है, जो केवल दो प्रकार के कंपनों की भविष्यवाणी करता है। यदि भविष्य के डिटेक्टर इन अतिरिक्त कंपनों को माप सकते हैं, तो यह सिद्धांत का परीक्षण करने का एक सीधा तरीका प्रदान कर सकता है। हालाँकि, शोधकर्ता ने एक संभावित अस्थिरता की भी पहचान की, जब तक कि एक विशिष्ट पैरामीटर को सटीक मान पर सेट न किया जाए। इसका अर्थ है कि यह सिद्धांत अभी तक एक पूर्ण उत्पाद नहीं है; इसे यह सुनिश्चित करने के लिए सावधानीपूर्वक ट्यूनिंग की आवश्यकता है कि यह गणितीय जांच के तहत विफल न हो जाए।
अंततः, यह कार्य सोचने का एक नया तरीका प्रस्तुत करता है, जहाँ पदार्थ की ऊष्मा और दबाव ब्रह्मांड को आकार देने में पहले की तुलना में अधिक सक्रिय भूमिका निभाते हैं। शोधकर्ता ने यह सिद्ध नहीं किया है कि यह सिद्धांत ब्रह्मांड के रहस्यों का अंतिम उत्तर है। इसके बजाय, उन्होंने एक कामकाजी मॉडल बनाया है जो कई कठिन समस्याओं को एक साथ हल करता है, विस्तार दर के अंतर से लेकर प्रारंभिक ब्रह्मांड की प्रकृति तक। यह इस बात की खोज के लिए एक प्रयोगशाला के रूप में कार्य करता है कि गुरुत्वाकर्षण कैसा व्यवहार कर सकता है यदि यह पदार्थ के ऊष्मप्रवैगिकी से अधिक निकटता से जुड़ा हो। जबकि इस सिद्धांत को अभी भी चुनौतियों का सामना करना पड़ता है और अवलोकन संबंधी डेटा के विरुद्ध और अधिक परीक्षण की आवश्यकता है, यह प्रारंभिक ब्रह्मांड की ऊष्मा और आज इसे आकार देने वाले गुरुत्वाकर्षण के बीच गहरे संबंधों को समझने के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है।
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