دقيق‌ترين آزمايش نسبيت عام، بر روي ميزتحرير انجام شد

[مسافر007]

با اندازه‌گيري تفاوت بسيار اندك دو ساعت كوانتومي با فاصله 0.1 ميلي‌متر از يكديگر، مشخص شد پيش‌بيني نظريه نسبيت عام درمورد كند شدن زمان در اثر ميدان گرانشي، درست‌تر از آني است كه پيش از اين تصور مي‌شد. مجيد جويا: با اندازه‌گيري يك تفاوت بسيار اندك در دو ساعت كوانتومي، فيزيكدان‌ها ثابت كردند كه يكي از پايه‌هاي نظريه گرانش آلبرت اينشتين محكم‌تر از آني است كه پيش از اين تصور مي‌شد. اين آزمايش، تازه‌ترين نمونه از سري آزمايش‌هايي است كه دانشمندان براي موشكافي يكي از پيش‌بيني‌هاي اينشتين انجام داده‌اند، اين‌كه ساعت‌ها در ميدان‌هاي جاذبه‌اي قوي‌تر، آهسته‌تر كار مي‌كنند. به گزارش نيچر، براي چندين دهه دانشمندان ساعت‌ها را در ارتفاعات بالاتري كه جاذبه زمين در آنها كمتر است، قرار مي‌دادند و تغييرات متعاقب آن را اندازه‌گيري مي‌كردند. از يك ساعت در يك برج دانشگاه هاروارد در دهه 1960، تا ساعت‌هايي كه در دهه 1970 در هواپيماها قرار مي‌گرفتند، تا ساعتي كه در سال 1980 در يك راكت قرار گرفت و هزاران كيلومتر دورتر از سطح زمين به فضا ارسال شد؛ دانشمندان هر چه تلاش كردند، نتوانستند نشان دهند كه نظريه اينشتين اشتباه بوده است. اكنون، گروهي كه توسط هولگر مولر از دانشگاه بركلي كاليفرنيا هدايت مي‌شوند، تاثير جاذبه را بر تغيير زمان ده‌هزار بار دقيق‌تر از هر آزمايشي كه تا پيش از اين انجام شده بود، اندازه‌گيري كرده‌اند. آنها نشان دادند كه تاثير جاذبه بر زمان با دقت7 قسمت در ميليارد قابل پيش‌بيني است. نكته جالب توجه اين آزمايش در اين بود كه آنها اين كار را تنها با استفاده از دو ساعت آزمايشگاهي انجام دادند كه بيش‌از يك دهم ميلي‌متر اختلاف ارتفاع نداشتند؛ و اين يعني انجام آزمايشي بر روي يك نظريه بسيار پيچيده با استفاده از مجموعه‌اي كه در دنياي امروز آزمايش‌هاي بزرگ و پيچيده فيزيكي، بي‌اندازه ابتدايي به نظر مي‌رسد. «انجام آزمايش‌هاي بسيار دقيق روي ميز آزمايشگاه چيزي نيست كه تنها مربوط به گذشته باشد»، اين عقيده مولر است. تيم تحقيقاتي وي نيز شامل آكيم پيترز از دانشگاه هومبولت برلين و استيون چو، شخص وزير انرژي ايالات متحده بود. ساعت اتمي، كاربردهاي ديگري هم دارد بسياري از ساعت‌هاي اتمي از پالس‌هاي بي‌نهايت منظم اتم‌ها استفاده مي‌كنند كه بين حالت‌هاي تحريك شده انرژي تغيير حالت مي‌دهند. ولي آزمايش مولر بر فركانس بنيادين كوانتوم اتم سزيوم با انرژي حالت عدم تحريك اتم اتكا داشت. اين فركانس به‌قدري بزرگ است كه فيزيكدان‌ها هيچ‌گاه گمان نمي‌كردند كه روزي بتوان از آن به عنوان ساعت استفاده كرد. ولي يك تداخل‌سنج ويژه مي‌تواند تفاوت بين دو ساعت اين چنيني را كه تحت تاثير نيروهاي متفاوت جاذبه قرار دارند، اندازه‌گيري كند. يون يي، متخصص ساعت‌هاي اتمي از مركز مشترك اخترفيزيك آزمايشگاهي در بولدر كلرادو مي‌گويد:‌ «چيزي كه در مورد كار آنها جالب توجه است، اين است كه آنها از كل اتم به عنوان يك ساعت استفاده مي‌كنند». مولر و گروهش، اتم‌هاي سزيوم را به يك قوس در طول يك فاصله خلا پرتاب كردند و آن‌ها را تا نزديكي صفر مطلق سرد كردند. در ميانه مسير، فوتون‌هايي از يك ليزر اتم‌ها را به دو حالت متناوب مكانيك كوانتوم تقسيم كرد. در يكي از آن دو، يك اتم يك فوتون را جذب كرد و قوس حركتي آن به ميزان اندكي بالاتر رفت، و به اين ترتيب از ميزان جاذبه براي آن اندكي كاسته شد و زمان هم كمي سرعت گرفت. در ديگري اما، اتم در قوس پاييني ماند، جايي كه جاذبه قوي‌تر بود و زمان هم اندكي آهسته‌تر بود. يك تفاوت فاز در فركانس بنيادين اين دو اتم، كه توسط تداخل‌سنج اندازه‌گيري شد، نشان دهنده يك تفاوت اندك در زمان بود. تله‌هاي ليزري اين آزمايش از يك تله ليزري اتم بهره مي‌برد كه استيون چو آن را اختراع كرد و برنده جايزه نوبل در سال 1997 / 1376 شد. داده‌ها براي تحقيق كنوني كوتاه زماني بعد از آن گردآوري شدند، هنگامي كه چو در حال استفاده از اين مجموعه براي اندازه‌گيري يك ثابت متفاوت بود، شتاب جاذبه. ولي مولر مي‌گويد كه در اكتبر 2008 / مهر 1387، گويي به او الهام شد كه مي‌توان از داده‌هاي مشابهي براي نشان دادن ثابت بودن تاثير جاذبه بر زمان استفاده كرد. او ابتدا اي‌ميلي براي چو فرستاد، و سپس اي‌ميل ديگري براي مدير آزمايشگاه ملي لاورنس بركلي در كاليفرنيا، كه سه روز بعد به او پاسخ داد و از ايده وي استقبال كرد. چو نيز در پاسخ به اي‌ميل خبرنگار نيچر، گفت كه او زمان كار بر روي تحقيق كنوني را در طول شب‌ها، آخر هفته‌ها و در جريان سفرهاي هوايي به دست آورده بود (بعد از انجام 70 تا 80 ساعت كار هفتگي به عنوان وزير انرژي! ايالات متحده) نتايج اين آزمايش مي‌توانست يك روز كاربردهاي عملي داشته باشد. اگر تاثير جابجايي زمان جاذبه ثابت نباشد، آن‌گاه پژوهشگران شايد مجبور شوند در مورد ميزان دقت ساعت‌هاي اتمي جديد كه با ماهواره‌هاي سيستم موقعيت‌ياب جهاني به مدار زمين فرستاده مي‌شوند، دوباره فكر كنند. ولي مولر نشان داد كه اين تاثير به طور غير عادي با نتايج آزمايش سازگاري دارد. او مي‌گويد: «اكنون ما مي‌دانيم كه فيزيك درست است». اين آزمايش همچنين بر مجموعه ساعت اتمي در فضا (aces) فشار وارد مي‌آورد، آزمايشي كه توسط سازمان فضايي اروپا در حال انجام است و قرار است كه تا سال 2013 / 1392به ايستگاه فضايي بين المللي بپيوندد. تحقيق كنوني در عين حال اندازه‌گيري‌هاي كنوني aces از تاثير جابجايي زماني جاذبه را تا سه رقم اعشار بهبود مي‌بخشد. كريستوف سالومون پژوهشگر ارشد acesمي‌گويد كه اين ماموريت تقريبا 100 ميليون يورو هزينه در بر خواهد داشت، كه هزينه پرتاب آن را نيز بايد به آن اضافه كرد. در مقابل، به گفته مولر، آزمايش مولر بر روي ميز آزمايشگاه، در مجموع چيزي كمتر از يك ميليون دلار هزينه داشته است. سالومون مي‌گويد كهaces هنوز معتبر است چرا كه دو آزمايش بنيادين ديگر را در زمينه فيزيك انجام خواهد داد، و همچنين به پژوهشگران كمك خواهد كرد تا هماهنگي ساعت‌هاي اتمي زميني را نيز بهتر كنند. كليفورد ويل، ازفيزيكدانان دانشگاه واشينگتن در سنت لوئيز ميسوري، مي‌گويد كه نتيجه آزمايش مولر پنجره‌اي را كه اكنون براي نظريه‌هاي جايگزين در مورد جاذبه وجود دارد و برخي از نظريه پردازان در حال كار بر روي آنها هستند، باريك‌تر خواهد كرد. ويل همچنين از اين كه چو وقتي براي همكاري با اين تحقيق پيدا كرده بود، شگفت‌زده شده بود. او مي‌گويد: «آخرين باري كه يك عضو كابينه رئيس‌جمور، مقاله‌اي را در مجله نيچر در مورد فيزيك بنيادين منتشر كرده بود، چه زماني بود؟».