زمان و گرانش

ا اندازه‌گیری تفاوت بسیار اندک دو ساعت کوانتومی با فاصله 0.1 میلی‌متر از یکدیگر، مشخص شد پیش‌بینی نظریه نسبیت عام درمورد کند شدن زمان در اثر میدان گرانشی، درست‌تر از آنی است که پیش از این تصور می‌شد.

مجید جویا: با اندازه‌گیری یک تفاوت بسیار اندک در دو ساعت کوانتومی، فیزیکدان‌ها ثابت کردند که یکی از پایه‌های نظریه گرانش آلبرت اینشتین محکم‌تر از آنی است که پیش از این تصور می‌شد.

این آزمایش، تازه‌ترین نمونه از سری آزمایش‌هایی است که دانشمندان برای موشکافی یکی از پیش‌بینی‌های اینشتین انجام داده‌اند، این‌که ساعت‌ها در میدان‌های جاذبه‌ای قوی‌تر، آهسته‌تر کار می‌کنند.

به گزارش نیچر، برای چندین دهه دانشمندان ساعت‌ها را در ارتفاعات بالاتری که جاذبه زمین در آنها کمتر است، قرار می‌دادند و تغییرات متعاقب آن را اندازه‌گیری می‌کردند. از یک ساعت در یک برج دانشگاه هاروارد در دهه 1960، تا ساعت‌هایی که در دهه 1970 در هواپیماها قرار می‌گرفتند، تا ساعتی که در سال 1980 در یک راکت قرار گرفت و هزاران کیلومتر دورتر از سطح زمین به فضا ارسال شد؛ دانشمندان هر چه تلاش کردند، نتوانستند نشان دهند که نظریه اینشتین اشتباه بوده است.

اکنون، گروهی که توسط هولگر مولر از دانشگاه برکلی کالیفرنیا هدایت می‌شوند، تاثیر جاذبه را بر تغییر زمان ده‌هزار بار دقیق‌تر از هر آزمایشی که تا پیش از این انجام شده بود، اندازه‌گیری کرده‌اند. آنها نشان دادند که تاثیر جاذبه بر زمان با دقت7 قسمت در میلیارد قابل پیش‌بینی است.

نکته جالب توجه این آزمایش در این بود که آنها این کار را تنها با استفاده از دو ساعت آزمایشگاهی انجام دادند که بیش‌از یک دهم میلی‌متر اختلاف ارتفاع نداشتند؛ و این یعنی انجام آزمایشی بر روی یک نظریه بسیار پیچیده با استفاده از مجموعه‌ای که در دنیای امروز آزمایش‌های بزرگ و پیچیده فیزیکی، بی‌اندازه ابتدایی به نظر می‌رسد.

«انجام آزمایش‌های بسیار دقیق روی میز آزمایشگاه چیزی نیست که تنها مربوط به گذشته باشد»، این عقیده مولر است. تیم تحقیقاتی وی نیز شامل آکیم پیترز از دانشگاه هومبولت برلین و استیون چو، شخص وزیر انرژی ایالات متحده بود.

ساعت اتمی، کاربردهای دیگری هم دارد
بسیاری از ساعت‌های اتمی از پالس‌های بی‌نهایت منظم اتم‌ها استفاده می‌کنند که بین حالت‌های تحریک شده انرژی تغییر حالت می‌دهند. ولی آزمایش مولر بر فرکانس بنیادین کوانتوم اتم سزیوم با انرژی حالت عدم تحریک اتم اتکا داشت. این فرکانس به‌قدری بزرگ است که فیزیکدان‌ها هیچ‌گاه گمان نمی‌کردند که روزی بتوان از آن به عنوان ساعت استفاده کرد. ولی یک تداخل‌سنج ویژه می‌تواند تفاوت بین دو ساعت این چنینی را که تحت تاثیر نیروهای متفاوت جاذبه قرار دارند، اندازه‌گیری کند.

یون یی، متخصص ساعت‌های اتمی از مرکز مشترک اخترفیزیک آزمایشگاهی در بولدر کلرادو می‌گوید:‌ «چیزی که در مورد کار آنها جالب توجه است، این است که آنها از کل اتم به عنوان یک ساعت استفاده می‌کنند».

مولر و گروهش، اتم‌های سزیوم را به یک قوس در طول یک فاصله خلا پرتاب کردند و آن‌ها را تا نزدیکی صفر مطلق سرد کردند. در میانه مسیر، فوتون‌هایی از یک لیزر اتم‌ها را به دو حالت متناوب مکانیک کوانتوم تقسیم کرد. در یکی از آن دو، یک اتم یک فوتون را جذب کرد و قوس حرکتی آن به میزان اندکی بالاتر رفت، و به این ترتیب از میزان جاذبه برای آن اندکی کاسته شد و زمان هم کمی سرعت گرفت. در دیگری اما، اتم در قوس پایینی ماند، جایی که جاذبه قوی‌تر بود و زمان هم اندکی آهسته‌تر بود. یک تفاوت فاز در فرکانس بنیادین این دو اتم، که توسط تداخل‌سنج اندازه‌گیری شد، نشان دهنده یک تفاوت اندک در زمان بود.

تله‌های لیزری
این آزمایش از یک تله لیزری اتم بهره می‌برد که استیون چو آن را اختراع کرد و برنده جایزه نوبل در سال 1997 / 1376 شد. داده‌ها برای تحقیق کنونی کوتاه زمانی بعد از آن گردآوری شدند، هنگامی که چو در حال استفاده از این مجموعه برای اندازه‌گیری یک ثابت متفاوت بود، شتاب جاذبه.

ولی مولر می‌گوید که در اکتبر 2008 / مهر 1387، گویی به او الهام شد که می‌توان از داده‌های مشابهی برای نشان دادن ثابت بودن تاثیر جاذبه بر زمان استفاده کرد. او ابتدا ای‌میلی برای چو فرستاد، و سپس ای‌میل دیگری برای مدیر آزمایشگاه ملی لاورنس برکلی در کالیفرنیا، که سه روز بعد به او پاسخ داد و از ایده وی استقبال کرد.

چو نیز در پاسخ به ای‌میل خبرنگار نیچر، گفت که او زمان کار بر روی تحقیق کنونی را در طول شب‌ها، آخر هفته‌ها و در جریان سفرهای هوایی به دست آورده بود (بعد از انجام 70 تا 80 ساعت کار هفتگی به عنوان وزیر انرژی! ایالات متحده)

نتایج این آزمایش می‌توانست یک روز کاربردهای عملی داشته باشد. اگر تاثیر جابجایی زمان جاذبه ثابت نباشد، آن‌گاه پژوهشگران شاید مجبور شوند در مورد میزان دقت ساعت‌های اتمی جدید که با ماهواره‌های سیستم موقعیت‌یاب جهانی به مدار زمین فرستاده می‌شوند، دوباره فکر کنند. ولی مولر نشان داد که این تاثیر به طور غیر عادی با نتایج آزمایش سازگاری دارد. او می‌گوید: «اکنون ما می‌دانیم که فیزیک درست است».

این آزمایش همچنین بر مجموعه ساعت اتمی در فضا (ACES) فشار وارد می‌آورد، آزمایشی که توسط سازمان فضایی اروپا در حال انجام است و قرار است که تا سال 2013 / 1392به ایستگاه فضایی بین المللی بپیوندد. تحقیق کنونی در عین حال اندازه‌گیری‌های کنونی ACES از تاثیر جابجایی زمانی جاذبه را تا سه رقم اعشار بهبود می‌بخشد.

کریستوف سالومون پژوهشگر ارشد ACESمی‌گوید که این ماموریت تقریبا 100 میلیون یورو هزینه در بر خواهد داشت، که هزینه پرتاب آن را نیز باید به آن اضافه کرد. در مقابل، به گفته مولر، آزمایش مولر بر روی میز آزمایشگاه، در مجموع چیزی کمتر از یک میلیون دلار هزینه داشته است. سالومون می‌گوید کهACES هنوز معتبر است چرا که دو آزمایش بنیادین دیگر را در زمینه فیزیک انجام خواهد داد، و همچنین به پژوهشگران کمک خواهد کرد تا هماهنگی ساعت‌های اتمی زمینی را نیز بهتر کنند.

کلیفورد ویل، ازفیزیکدانان دانشگاه واشینگتن در سنت لوئیز میسوری، می‌گوید که نتیجه آزمایش مولر پنجره‌ای را که اکنون برای نظریه‌های جایگزین در مورد جاذبه وجود دارد و برخی از نظریه پردازان در حال کار بر روی آنها هستند، باریک‌تر خواهد کرد.

ویل همچنین از این که چو وقتی برای همکاری با این تحقیق پیدا کرده بود، شگفت‌زده شده بود. او می‌گوید: «آخرین باری که یک عضو کابینه رئیس‌جمور، مقاله‌ای را در مجله نیچر در مورد فیزیک بنیادین منتشر کرده بود، چه زمانی بود؟».

منبع : خبرآنلاین