فصل هاي جاذبه

آيا سيب ها در بهار سريع تر مي افتند؟
 

مارکوس چاون (1)
هر فردي درباره ي سيب نيوتن شنيده است. وي در يکي از روزهاي پاييز 1666 ميلادي به زمين افتادن سيب را مشاهده کرد و همين موضوع سؤالاتي را براي او مطرح کرد. نيوتن با خود فکر کرد: "چرا سيب بايد هميشه به طور عمودي به زمين بيفتد؟ چرا نبايد به اطراف يا به طرف بالا برود و همواره به سمت مرکز زمين سقوط مي کند؟"
سؤالي که نيوتن از خود نپرسيد اين بود که آيا سيب ها و پرتقال ها به طور متفاوتي مي افتند؟ و يا اين که آيا يک سيب در فصل بهار طور ديگري مي افتد؟ اينها مسائل عجيبي به نظر مي رسند ولي آلن کاستلسکي (2)، فيزيکدان دانشگاه اينديانا، تصور مي کند که اين نکات داراي اهميت هستند. اين فيزيکدان و يکي از دانشجويان سابق وي دريافته اند که چنين اشتباهات فاحشي درباره ي بهترين نظريه ما، يعني جاذبه، باعث شده که به آساني طي قرن ها از کشفيات جديد سرباز زده شود.
بررسي هاي بيشتر از جمله مقاله اي که در نشريه ي Physical Review Letters آمده، نشان مي دهد که چنين احتمالاتي به ما کمک مي کند تا با شگفتي هاي بيشتري در جهان آفرينش آشنا شويم.
کاستلسکي مي گويد: "ما به يک کشف اعجاب انگيز و لذت بخش دست يافتيم".

اين اوج کار کاستلسکي در طول 20 سال بود. در سال 1989 وي به اين فکر افتاد که چطور مي توان به وجود يک اشتباه در بهترين ادراک ما از عالم در قالب دو نظريه ي بزرگ و مشهور پي برد. اولي، نسبيت عام، نظريه ي اينشتين درباره ي چگونگي عملکرد جاذبه زمين بود. ديگري، مدل استاندارد فيزيک ذرات اتمي بود که به شرح کوانتومي مواد اطراف ما و همه ي نيروهاي ديگر به جز جاذبه مي پردازد.
در حال حاضر، نسبيت و مدل استاندارد ناقص هستند. هنگامي که جاذبه قوي باشد، نسبيت کارايي ندارد؛ براي مثال در مورد توصيف مه بانگ (بيگ بنگ) (3)، يا قلب يک سياه چاله اين مسئله صدق مي کند. مدل استاندارد هم بايد آن قدر بسط داده شود تا به نقطه اي برسد که بتوان اجرام ذرات بنيادي جهان را محاسبه کرد. اين دو نظريه ناقص هستند و داراي مفاهيم زماني کاملاً متفاوت اند. همين امر باعث شده که نتوان اين دو را در قالب "نظريه ي کلي" يکي کرد.
مسئله اين است که نسبيت و مدل استاندارد با وجود کاستي هايي که دارند، نظريه هاي بسيار خوبي هستند. هر يک از آنها به طور جداگانه به صور کامل ترين پديده هاي فيزيکي معرفي شده به علم، وصف مي شوند. اگر ما بخواهيم بدانيم که نظريه ي پيوند دهنده آنها چگونه است، بايد چيزهايي را پيدا کنيم که آنها نمي توانند توضيح دهند. کاستلسکي مي گويد: "چالش اصلي، پيدا کردن آن پديده ها است." اين چيزي است که وي فکر مي کند قادر به انجام آن است. آنها با حمله به يک قضيه ي مهم و تقريباً ثابت فيزيک به نام "تقارن لورنتس" (4)، کار خود را آغاز کردند. اين مطلب نشان مي دهد که براي هر فردي که با سرعت يکنواختي نسبت به شما حرکت مي کند، با هر جهت فضايي، قوانين فيزيک يکسان هستند.
يکي از نتايج تقارن لورنتس آن است جهان بايد ايزوتروپيک باشد: به هر طرف که نگاه يا حرکت کنيد، همه ي اشيا کاملاً يکسان به نظر مي رسد و به طور همانند رفتار مي کنند. هيچ "بالا" يا "پاييني" وجود ندارد و هيچ جهتي وجود ندارد که در آن نور، مردم يا سيارات بتوانند راحت تر حرکت کنند.
تاکنون هيچ چيز در دنيا نتوانسته است تقارن لورنتس را نقض کند، ولي اين به معناي آن نيست که قانون لورنتس نقض ناشدني است. اين فقط بدان معنا است که ما تاکنون در جاي اشتباهي جست و جو کرده ايم و يا اين که آزمايش هاي صورت گرفته در مورد نقض تقارن به اندازه ي کافي دقيق نبوده اند.
کاستلسکي به طور تصادفي به خرده گيري از تقارن لورنتس نپرداخته است. تلاش هاي متفاوت براي ايجاد يک نظريه ي کلي نشان داده که تقارن لورنتس قابل نقض است. "نظريه ي ريسمان" و "گرانش کوانتومي حلقوي" از جمله معروف ترين اين دستاوردها هستند.
کاستلسکي اميد خود را به يک نظريه ي خاص و کلي محدود نکرده، بلکه در عوض رويکرد بازتري اتخاذ کرده که به باور او به ما اين ايده را مي دهد که در کجا به دنبال موارد نقض تقارن لورنتس بگرديم و نظريه هاي جديد ارائه دهيم.
کاستلسکي و همکارانش از نظريه ي نسبيت و مدل استاندارد به عنوان نقطه ي شروع استفاده کردند و سپس راه هاي نقض تقارن را نشان دادند. آنها مسئله را اين گونه مطرح مي کنند که جهان با ميدان هاي نيرويي که تاکنون ناشناخته مانده پر شده، که اين نيرو به فضا يک جهت "مرجع" مي دهد و بنابراين تقارن را نقض مي کند. نتيجه، نظريه اي بود که کاستلسکي آن را مدل استاندارد بسط يافته يا SME مي نامد.
SME با در برداشتن همه ي نيروها و ذرات شناخته شده و بيان چگونگي تعامل آنها با ميدان هاي جديد نيرو، نشان دهنده ي مجموعه اي از پديده هاي ناشناخته اي است که مي توانند يک نقض قابل مشاهده از تقارن لورنتس را ارائه دهند. کاستلسکي مي گويد: "در حال حاضر، آزمايشگران مسير کار خود را از طريق فهرست ادامه مي دهند."
تاکنون آنها چيزي بدست نياورده و نتيجه عکس گرفته اند. محققان بررسي مي کنند که آيا ساعت ها در جهت هاي خاص فضايي سريع تر حرکت مي کنند، يا اين که ميدان مغناطيسي يک ماده که توسط ميدان الکترون هاي آن به وجود مي آيد، با تغيير جهت محور چرخش عوض مي شود يا خير.
با اين حال، اين امر به معناي آن نيست که تصور کنيم ميدان هاي نيرو در SME وجود ندارند. برخي از ميدان ها ممکن است در فوتون ها نامرئي باشند ولي در ذرات ديگري مانند نوترون قابل مشاهده باشند. يا اين که ممکن است يک ميدان به شدت با جاذبه تعامل نشان دهد ولي با الکترومغناطيس خير.
براي اين که ببينيد اين نظريه چطور عمل مي کند، به ميدان هاي SME مورد نظر کاستلسکي بينديشيد - که آن را "ميدان X" مي ناميم- که در منظومه شمسي جاري است.
ميدان X، مانند يک ميدان مغناطيسي يا الکتريکي، داراي جهتي است که مي توان آن را به صورت يک سري پيکان نشان داد. هنگامي که يک نوترون يا پروتون از آن عبور مي کند چه اتفاقي مي افتد؟
در آغاز، اين ميدان مي بايست يک اثر نافذ بر چرخش ذره داشته باشد يا در خطر سير آن تغيير فازي کوچکي ايجاد کند. يا اين که مي تواند به صورت انواع پاسخ هاي مختلفي باشد که ذره به ميدان مي دهد.
ما هرگز به چنين تأثيراتي توجه نکرده ايم و بنابراين هيچ وقت چنين ميداني را کشف نکرديم. اما کاستلسکي متذکر مي شود که شايد علت، آن است که ما در مسير درست جست و جو نکرده ايم. اگر ميدان X و جاذبه ي خورشيد بر يکديگر اثر کنند، ممکن است اثرات مثبتي داشته باشد که به آن توجه نکرده ايم. چنين تعاملي ميان ميدان X و جاذبه ي خورشيد مي تواند معدن بزرگي براي تحقيقات دانشمندان باشد. جديدترين محاسبات کاستلسکي نشان مي دهد که اين تعاملات مي تواند موارد نقضي در تقارن ايجاد کند که مقدار آن 30^10 برابر بزرگ تر از مواردي است که محققان تاکنون تلاش کرده اند بيابند.
اگرچه در مقايسه با ساير نيروهاي بنيادي، جاذبه به طور حيرت آوري ضعيف است، ولي باز هم کشف موارد نقض دشوار است؛ بنابراين اختلافات ناشي از ميدان X هنوز به سختي قابل اندازه گيري هستند.
يکي از راه هايي که مي توان شاهدي براي ميدان X پيدا کرد، تفاوت هاي کوچکي است که در قدرت جاذبه در زمان هاي مختلف سال به وجود مي آيد. کاستلسکي مي گويد: "سيب در فصل هاي مختلف ممکن است با سرعت هاي متفاوت به زمين بيفتد و اين مي تواند يک تأثير چرخه اي باشد".
اين موضوع به علت آن است که کشش گرانشي خورشيد مي تواند ميدان X را اندکي منحرف کند. طبق محاسبات کاستلسکي، جاذبه باعث مي شود نوک پيکان هاي ميدان X به سمت خورشيد باشد که مقدار آن به قدرت ميدان گرانشي در آن مکان بستگي دارد (شکل ... را ببينيد). به وسيله ي آزمايش هايي که طرح ريزي مناسبي دارند، مي توان کشف کرد که چگونه در اثر گردش زمين به دور خورشيد و به علت دگرگوني در ميدان X در مکان هاي مختلف در فضا، رفتار يک ذره تغيير مي کند.
احتمال ديگري که کاستلسکي مطرح مي کند، آن است که ميدان X، ذره ها را به شيوه هاي مختلف تحت تأثير قرار مي دهد. براي مثال، هر نوع کوارک (6) ممکن است ميدان X را با درجات متفاوتي حس کند. يا اين که تعداد الکترون هاي يک اتم تعيين کنند که آن اتم چگونه با ميدان نيز با جاذبه جفت شود.
اين موضوع همچنين مي تواند ترکيبي از چند عامل باشد- براي مثال ذرات سازه اي اتم ها و جايگاه آنها در فضا- که جزئيات دقيق تري از چگونگي ترکيب اجزا با ميدان X و جاذبه و اثرات پيش بيني شده را ارائه مي دهد. کاستلسکي مي گويد: "سيب ها و پرتقال ها ممکن است با سرعت هاي متفاوتي بيفتند."

آغاز تحقيق
مايک توبار، (7) فيزيکدان دانشگاه استراليا واحد غرب، مي گويد اگرچه احتمال تأييد آن کم است ولي مقاله ي کاستلسکي يک ديدگاه جديد و هيجان انگيز ارائه مي دهد. وي مي گويد: "اين يک پيشرفت مهم است." رونالد ولور (8) از دانشگاه هاروارد در تأييد اين مطلب مي گويد: "من پيش بيني مي کنم که هم اکنون گروه هاي آزمايشي متعددي در حال بررسي اثرات پيشنهادي کاستلسکي هستند."
بنابراين آنها از کجا شروع مي کنند؟ از آنجا که تأثيرات به صورت ناهنجاري در واکنش ذرات به جاذبه نمايان مي شوند، کاستلسکي و دستيارش پيشنهاد کرده اند که نسخه ي اصلاح شده اي از قانون جهاني جاذبه ي نيوتن مورد آزمايش قرار گيرد. موضوع آن است که ببينيم آيا اين قانون هنگامي که در مورد ترکيبات مختلف ذرات- پروتون، نوترون و الکترون- به کار مي رود ثابت و سازگار است يا خير. تاکنون بخش ناچيزي از اين گستره ي جديد از تأثيرات احتمالي مورد تحقيق قرار گرفته است.
يک نمونه از چنين تحقيقاتي توسط گروه اريک آدلبرگر (9) در دانشگاه واشنگتن واقع در سياتل صورت گرفته، که در آن به تفاوت در شيوه هاي واکنش تيتانيوم و بريليوم نسبت به جاذبه پرداخته شده است.
کاستلسکي مي گويد: "آزمايش آدلبرگر به مقايسه ي افتادن هم زمان يک سيب و يک پرتقال مي پردازد."
اگر تفاوتي در کشش جاذبه براي اين عنصرهاي مختلف وجود داشته باشد، خيلي کم است. دليل تلاش محققان واشنگتن اين است که آنها متخصص به کارگيري بسيار دقيق ترازوهاي پيچشي (10) هستند و بدين وسيله، با اندازه گيري کشش گرانشي بين دو جرم، به بررسي وضعيت آنها مي پردازند.
به منظور انجام چنين آزمايشي، آنها همچنين بايد ترازويشان را از ميدان هاي مغناطيسي و لرزش هاي آزمايشگاه هاي اطراف دور نگاه مي داشتند، و همچنين مي بايست کشش هاي گرانشي ناشي از سطح ايستايي آب هاي زير زميني را نيز که در زمان هاي مختلف سال متفاوت است، جبران مي کردند.
با اين همه، در پايان آنها دريافتند که هيچ تفاوتي در جفت شدن بريليوم و تيتانيوم با جاذبه وجود ندارد- دست کم در يک جزء از 100 ميليارد.
کاستلسکي بي باک عمل مي کند. آزمايش آدلبرگر تنها به بررسي يک نوع تعامل بين ميدان فرضي و جاذبه پرداخته است. کاستلسکي باور دارد که آزمايش هاي انجام شده در زمان هاي مختلف سال مي توانند جنبه ي ديگري از جفت شدگي را نشان دهند. با تغيير فصل ها، جهت گيري نسبي سرعت زمين و پيکان هاي ميدان جاذبه به طور چشمگيري تغيير مي کنند.
اگر اين طرح شکست بخورد، گزينه هاي ديگري وجود دارد مانند ميدان پاد الکترون براي جداسازي تقارن جهان، کاستلسکي مي گويد: "سيب ها و ميوه هايي غير از سيب، با سرعت هاي متفاوتي مي افتند. بررسي اين نظريه حتي سخت تر هم هست: براي مثال در حال حاضر ما براي جمع آوري پاد الکترون کافي جهت تهيه ي جرم يک سيب، قابليت هاي لازم را نداريم. گرچه اتم هاي پاد هيدروژن ساخته شده اند و تلاش هايي در اين جهت صورت گرفته که آيا اين نوع اتم ها با سرعتي متفاوت نسبت به هيدروژن سقوط مي کنند يا خير." کاستلسکي مي گويد: "در دهه ي آينده به نتايجي دست خواهيم يافت."
کاستلسکي به آزمايش هاي ديگري اشاره مي کند که ممکن است ميدان هاي فرضي SME را نمايان سازند. حسگرهاي جاذبه ابررسانا، ليزرهايي که فاصله ها را تا ماه بررسي مي کنند، تداخل سنج هاي اتمي و آزمايش هاي گرانشي ماهواره اي مانند microSCOPE و STEP يا هر اقدامي از اين دست، مي تواند به ما کمک کند که دريابيم اين تقارن سخت در کجا قابل در هم شکستن است و نيز اين که آن نظريه ي نهايي و دل فريب جهان آفرينش در چه موقعيتي خود را نمايان مي کند.
بسيار خوب، اين اميدبخش است. گرچه ولور موافق است که چنين آزمايش هايي مهم هستند، ولي هنوز متقاعد نشده است که موارد نقضي از تقارن را نشان مي دهند. وي مي گويد: "به هيچ وجه نمي توان مطمئن شد نقض تقارن ها وجود دارند، يا اين که بشر هرگز بتواند آنها را بيابد."
آدلبرگر درباره ي موارد قابل پيش بيني نيز دقت نظر دارد، ولي فکر مي کند به هر حال بهتر است به جست و جو ادامه دهيم. وي باور دارد که وفق دادن نسبيت با نظريه ي کوانتومي به قدري مهم است که ما نمي توانيم هيچ يک از اصول اساسي را آزمايش نشده رها کنيم. آدلبرگر مي گويد: "به نظر مي رسد به احتمال زياد ما داريم مسئله ي مهمي را در فيزيک از دست مي دهيم." وي ادامه مي دهد: "اگر اثرات بزرگ نقض تقارن لورنتس وجود داشته باشند براي من شگفت آور خواهد بود. ولي بررسي اين که آيا طبيعت به پيش داوري هاي ما اهميت مي دهد يا خير، قطعاً ارزشمند است."

پي نوشت ها :
 

1- Marcus Chown
2-Alan Kostelecky
3- نظريه اي که نشان مي دهد جهان در اثر يک انفجار بزرگ به وجود آمده است.
4- Lorentz Symmetry
5-String theory
6- Quark
7-Mike Tobar
8- Ronald Walworth
9- Eric Adelberger
10- Torsion balances
 

منابع:
نيوساينتيست، 18 آوريل 2009
ماهنامه ي علمي - فني دانشمند، شماره ي 558
/ع