مترجم: زهرا هدایت منش
منبع:راسخون
منبع:راسخون
آیندة مطالعات تجربی گرانش چگونه خواهد بود؟ این موضوعِ اصلی کنفرانسی بود که به یاد بود ویلیام فیربنک برگزار شد. فیربنک که چندین سال پیش درگذشت یکی از پر‌شور‌ترین طرفدران گرانش تجربی بود. او که به خاطر کشف‌هایی در فیزیک دماهای کم شهرت داشت، در سال‌های دهة 1960 به کار بست روش‌های سرمازایی در آزمایش‌های دقیق گرانش روی آورد و دیری نگذشت که آزمایشگاهش در استانفورد، یکی از مراکز این قبیل کارها شد. ساختن آشکارساز میله‌ای امواج گرانشی، سعی در انداره‌گیری سقوط آزاد پوزیترون و اندازه‌گیری "کشش اینشتینی چهارچوب‌های لخت" بر اثر حرکت وضعی زمین به کمک ژیروسکوپ مداری، از جمله کارهای این آزمایشگاه بود.
زمان برگزاری این کنفرانس، از قضا، کمتر از دو ماه با هفتاد و پنجمین سالگرد صورت‌بندی نهایی نظریة نسبیت عام فاصله داشت. نسبیت عام، که اساسش اصل هم‌ارزی، با برابری شتاب سقوط آزاد اجسام مختلف است، گرانش را پیامدی از خمیدگی فضا زمان می‌شمارد. این نظریه در 45 سال اول عمر خود کم و بیش نوعی دوران کمون را سپری کرد، ولی در نیم قرن اخیر حیاتی دوباره یافت. گرانش تجربی هم در این تجدید حیات سهیم بود. سال‌های 1960 تا 1980 را در واقع باید دوران طلایی آزمون‌های تجربی نسبیت به حساب آورد، زیرا در این سال‌ها بیشتر آثاری که این نظریه برای منظومة شمسی پیش‌بینی می‌کرد (انحراف نور، انتقال به سرخ گرانشی، تأخیر نور، حرکت حضیضی عطارد، و اصل هم‌ارزی جرم‌های لختی و گرانشی زمین و ماه) با دقت‌هایی بین 1 تا 01ر0 درصد تایید شد. به علاوه رصد‌های مربوط به کوچک شدن مدار تب ـ اختر‌های دوتایی پیش‌بینی‌های این نظریه را در مورد میرای ناشی از تابش گرانشی تایید کرد.
علی‌رغم کار طاقت‌فرسا و وقت‌گیری که صرف آزمون‌های تجربی در این دوران طلایی شد، آزمایش¬ها تا حدی ساده بودند زیرا در زمانی انجام می‌شدند که پیشرفت‌های تکنولوژی (ساعت اتمی، اختر شناسی رادیویی و راداری، اکتشافات فضایی) به خوبی از عهدة کار تحقیق کار نسبیت عام بر‌می‌آمدند. آزمایش‌های لازم را می‌شد با دقتی خوب انجام داد و چنین نیز شد.
امّا آزمایش‌هایی که در آینده باید انجام شود مستلزم پیشرفت‌های محیر‌العقولی در تکنولوژی و روش‌های اندازه‌گیری دقیق است. در کتاب نزدیک صفر فیربنک ـ نامه‌ای که در سال 1988 منتشر شد ـ ملزومات بسیاری از این آزمایش‌ها مشخص شده است: دمای نزدیک صفر (دمای معادل نوفة K3-10 در آنتن‌های امواج گرانشی)؛ میدان مغناطیسی نزدیک صفر (7-10 گاؤس در آزمایش ژیروسکوپی)؛ و شتاب نزدیک صفر (g11-10 در آزمون ماهواره‌ای اصل هم‌ارزی). چرا؟ چون اثرهایی که باید اندازه گرفته شوند خودشان نزدیک به صفرند.
هیچ چیز مثل آزمایش ژیروسکوپ که گرانی کاو B (B ـ GP) نامیده شده است، این موضوع را نشان نمی‌دهد. این آزمایش به تفصیل در کنفرانس بررسی شد (اوریت از دانشگاه استانفورد). نقشة آزمایش این است که چهار ژیروسکوپ کوارتزی با پوشش نئونیم رسانا را در مداری قرار بدهند و تقویم سالانة 420میلی ثانیة محورهای دوران را با دقتی بهتر از 5ر0 درصد اندازه‌گیری بگیرند.
اثر کشش چارچوب مرجع عبارت است از دوران محورهای چارچوب‌های لخت موضعی نسبت به ستاره‌های دوردست، که این دوران ناشی از حرکت وضعی زمین است. این پدیده را هم گرانی مغناطیسی نامیده‌اند، زیرا شبیه حرکت تقدیمی گشتاور مغناطیسی در بیرون اجسام باردار چرخان است. این اثر سوای این که یکی از پیش‌بینی‌های مهم و سنجش‌پذیر نسبیت عام است، اهمیت اساسی در مدل‌های سیاه چاله‌ای تشکیل جت در کوازارها دارد. به علاوه، این که مادة دوردست می‌تواند در چارچوب‌های لخت موضعی، دوران القا کند، آشکارا معنایی دارد. بنابراین، مشاهدة مستقیم این پدیده هدفی است که رسیدن به آن، به رغم مشکلات، به زحمتش می‌ارزد. برای رسیدن به دقت لازم باید آن حرکت تقدیمی را اندازه گرفت که آن هم نزدیک به صفر است:17-10 رادیان بر ثانیه. در سال‌های دهة 1960 و 1970 ، امکاناتی که برای این کار لازم بود دور از دسترس می‌نمود: ژیروسکوپ‌هایی به قطر Cm 4 که به دقت چند قسمت در 107 همگن و کروی باشند؛ سفینة حامل دستگاه آزمایشگاه باید عاری از کشش باشد (شتاب‌های باقی مانده کوچک‌تر از g 12-10 )؛ تلسکوپی در سفینه که می¬تواند جهت مرجعی را به نحو پایدار با دقت 1ر0 میلی ثانیة قوسی بر سال حفظ کند؛ و ملاحظاتی دیگر از این قبیل. اما اخیراً آزمایشگاه B ـ GP توانسته است آزمونی در سطح زمین با سیستم مجتمع ژیروسکوپ ـ سرمازایی ـ تلسکوپ انجام بدهد (تیتر از دانشگاه استانفورد) این آزمون نشان می‌دهد که بسیاری از شرایط لازم برآورده شده است و ملزومات دیگر نیز، با رسیدن وسایل به ناحیة تقریباً عاری از گرانش، برآورده خواهند شد. در برنامه‌های فعلی، یک مأموریت مداری در نظر گرفته شده بود.
B ـ GP تنها آزمایش گرانش نیست که در دست طراحی است. آزمایش‌های فضایی دیگری هم برای بعد در نظر گرفته شده‌اند که مراحل مختلف طراحی را طی می‌کنند: بعضی صرفاً در مرحلة طرح‌های ذهنی، و بعضی دیگر در انتظار ساخته شدن سخت‌افزار‌های لازم‌اند. از جمله اهداف این آزمایش‌ها می‌توان از آشکارسازی امواج گرانشی کم فرکانس (نوفة ناشی از حرکات زمین، آشکارسازهای زمینی را به فرکانس‌های بیشتر از 1 هرتز محدود می‌کند)، بهبود دقت آزمون‌های فعلی نسبیت عام به میزان چند مرتبة بزرگی، و سنجش آثار گرانشی ـ نسبیتی مرتبة بالاتر نام برد. یکی از طرح‌هایی که در کنفرانس مطرح شدند در جدول آمده است.
اگر این آزمایش‌ها این قدر مشکل و وقت‌‌گیرند، و اجرای آن‌ها مستلزم مأموریت‌های فضایی است (که اخیراً فوق¬العاده گران شده است)، پس چرا باز هم به زحمتشان می‌ارزد؟ در مورد آشکارسازهای موج گرانشی، جوابی که می‌شود داد این است که با این آزمایش‌ها دریچه‌ای جدید به اختر شناسی گشوده می‌شود، دریچه‌ای که از آن می‌توان اطلاعاتی روشن‌گر دربارة رویداد‌های دینامیکی و سهمگین کیهانی به دست آورد. علاوه بر این، تنها به کمک آشکارسازهای فضایی است که می‌توان منابع شناخته شدة امواج گرانشی، مثلا سیستم‌های دوتایی نزدیک به هم را "دید".
درمورد آزمون‌های گرانشی، باید گفت که نسبیت عام از نظریه‌های بنیادی طبیعت است؛ پس باید تا آنجا که ممکن است تأیید تجربی مطمئنی برای آن به دست آورد. از این مهم‌تر این که پیش‌بینی‌های این نظریه ثابت است؛ در این نظریه چیزی وجود ندارد که با تنظیم آن بتوان اختلاف‌های تجربی را توجیه کرد. بنابراین، هر یک از آزمون‌های نسبیت هم بالقوه آزمونی مهلک است، زیرا هر انحرافی که تجربة مؤید آن باشد نظریه را بی اعتبار خواهد کرد. فیربنک، چنان‌که از جست‌و‌جویش برای یافتن کوارک‌های آزاد با بار کسری هم پیداست، به آزمایش‌هایی علاقه داشت که نتایجشان ممکن بود بی اعتبار شدن تفکرات رایج بینجامد؛ ظن ما این است که حتی کم‌ترین احتمال به بطلان نسبیت عام می‌توانست سال‌های سال او را در همین زمینه مشغول نگه دارد.
|
آزمون‌های فضایی گرانش |
|
آزمایش کمیت مورد سنجش دقت پیشنهادی |
