دقيق ترين آزمايش انتقال به سرخ گرانشي اينشتين

پيش از اين، آزمايش هاي هواپيمايي و موشکي اثبات کرده اند که گرانش باعث کند شد ن زمان مي شود-که يکي از مهم ترين پيش بيني هاي نسبيت عام اينشتين است. اما آزمايشي جديد به کمک تداخل سنج اتم، اين کند شد ن را تا 10 هزار بار دقيق تر از پيش اندازه گيري کرد و نشان داد که اين ميزان دقيقاً هماني است که اينشتين پيش بيني کرده بود.
به گفته ي هُلگر مولر، استاديار فيزيک دانشگاه برکلي در کاليفرنيا:«اين آزمايش نشان مي دهد که نظريه ي اينشتين چقدر خوب، به توصيف جهان واقعي پرداخته است و نشان مي دهد که گرانش، جريان زمان را دستخوش تغيير مي کند.اين پديده انتقال به سرخ گرانشي نام دارد چرا که نوسانات امواج نور تحت تأثير گرانش، کندتر يا به عبارتي سرخ تر مي شوند».
مولر نظريه ي اينشتين را با استفاده از اين اصل مکانيک کوانتومي، که ماده هم ذره است و هم موج، آزمايش کرد اتم هاي سزيم به کار گرفته شده در اين آزمايش ممکن است نمايانگر امواج ماده اي باشد که حدود 3/10(30 ميليون ميليارد ميليارد) بار در هر ثانيه نوسان دارند.هرچند که فرکانس امواج ماده ي سزيم بسيار بيشتر از آن است که اندازه گيري شود، مولر و همکارانش توانستند با ايجاد تداخل ميان اين امواج، تفاوت بين نوسانات و در نتيجه، انتقال به سرخ اين امواج را اندازه گيري کنند.
معادلات نسبيت عام به دقت ميزان کند شد ن اندازه گيري شده براي زمان را پيش بيني کرده بود؛ با دقتي معادل يک در 100 ميليون يا 10 هزار بار دقيق تر از اندازه گيري انجام شده در 30 سال پيش به کمک دو ساعت ميزر هيدروژني يکي روي زمين و ديگري سوار بر موشک در ارتفاع 10 هزار کيلومتري زمين.
يکي از همکاران مولر، استيون چو که پيش تر استاد فيزيک دانشگاه برکلي بوده است، يکي از مبدعان طرح تداخل سنجي اتم بود که براساس طرح برنده ي جايزه ي نوبل خودش، يعني تله هاي ليزري سرد، طراحي شده است.به گفته ي مولر، نتايج به دست آمده از اين آزمايش ها فقط نظري نيستند بلکه در سامانه ي ماهواره اي موقعيت ياب جهاني (GPS)، ثبت دقيق زمان، و اشکارسازهاي امواج گرانشي نيز کاربرد دارند.او مي گويد:«اگر از بهترين ساعت ها با 17 رقم دقت در ماهواره هاي موقعيت ياب جهاني استفاده کنيم، مي توانيم موقعيت را تا دقت ميلي متري تعيين کنيم.اما با بلندکردن ساعت تا ارتفاع 1متري، تغيير در رقم شانزدهم حاصل مي شود.بنابراين، هرچقدر از سرعت هاي بهتري استفاده کنيم بايد بهتر به تأثير گرانش آگاه باشيم».
مولر همچنين به اين نکته اشاره مي کند که اين آزمايش به وضوح اثبات مي کند که گرانش، تجسمي از انحناي فضا و زمان است.و اين مفهوم يکي از بزرگ ترين اکتشافات بشر است.اين مفهوم به اين معناست که آنچه ما به عنوان اثر گرانش مي شناسيم-مانند گردش سيارات در مداري به دور ستاره ها يا سقوط سيب به زمين-در واقع پيمودن کوتاه ترين و سريع ترين مسير در فضا-زمان است.در هندسه ي تخت سريع ترين مسير خط مستقيم است.اما در نظرية اينشتين جريان زمان تابعي از موقعيت مي شود، بنابراين سريع ترين مسير مدار بيضوي يا خطي مستقيم به سوي زمين مي شود.
همان طور که در در تداخل سنج نوري از امواج نوري متداخل براي اندازه گيري فاصله يا زمان تا محدوده ي کسري از يک طول موج استفاده مي کنند، در تداخل سنج اتم اين اندازه گيري را با استفاده از امواج ماده انجام مي دهند.از آنجايي که امواج ماده در مقايسه با امواج نور در فرکانس هاي بالاتري نوسان مي يابند، از آنها مي توان براي اندازه گيري فواصل و زمان هاي کوتاه تر استفاده کرد.
مولر و چو متوجه شدند که در محاسبات مکانيک کوانتومي معمولاً سهم جرم سکون در بسامد نوسانات امواج ماده ناديده گرفته مي شود، زيرا بسامدهاي حاصل سريع تر از آن اند که اندازه گيري شوند.اما در اين آزمايش، بسامد بالا منجر به اندازه گيري دقيق سرعت هاي متفاوت ساعت شد.چو مي گويد:«ما در اين آزمايش دريافتيم که در نظريه ي نسبيت، براساس معادله ي مشهور E=mc2 انرژي E همچنين شامل انرژي مرتبط با جرم سکون اتم مي شود.انرژي جرم سکون اتم ها بسيار زياد است».
براي حذف نويز حاصل از گرانش زمين و ديگر آشفتگي ها در چنين آزمايشي بايد دست کم دو تداخل سنج اتم با فاصله ي بسيار از هم وجود داشته باشند.يکي از نقاط مناسب براي انجام اين آزمايش معد ن سابق هوم ستيک در داکوتاي جنوبي است که امروز به آزمايشگاه زيرزميني علوم و مهندسي تبديل شده است.
ماهنامه ي نجوم، ارديبهشت 1389