بار ديگر نظر اينشتين اثبات شد

در يکي از پيچيده و دقيق ترين آزمايش هاي تاريخي
 

بهار سال 2004 ماهوارهاي به فضا پرتاب شد که يکي از دقيق ترين ساخته هاي دست بشر بود. کاوشگر گرانش بي (Gravity Probe B) دستگاهي بود که با هدف آزمايش نسبيت عام ساخته شد. نسبيت عام نظريه اي است که نيروي گرانش (جاذبه) را توضيح مي دهد. آلبرت اينشتين در دهه 1910 اين نظريه را تدوين کرد. پيش از او، تنها نيوتن با کشف قانون جاذبه عمومي توانسته بود آثار ساده گرانش مانند سقوط سيب روي سرش (به نظر افسانه مي رسد) يا گردش سيارات به دور خورشيد (قوانين کپلر) را توضيح دهد. اما نسبيت عام بسيار کلي تر از قانون جاذبه نيوتن است. قانون نيوتن مي گويد نيروي جاذبه بين دو جسم ناشي از حاصل ضرب جرم دو جسم تقسيم بر مجذور فاصله آنهاست. اما نسبيت عام مي گويد که جرم هر جسم، تغييري در هندسه فضا ايجاد مي کند که ما آن را به صورت جاذبه (گرايش دو جسم به سمت هم) مي بينيم.
نسبيت عام اصلاً چيز راحتي نيست. براي اينکه بدانيد نسبيت عام چطور ساختارهاي پيچيده اي مانند کهکشان، انبساط جهان، سياهچاله ها يا حتي چيزهاي کمي تخيلي تر مانند کرمچاله ها را توضيح مي دهد، بايد حداقل دانشجوي تکميلي فيزيک يا رياضيات باشيد. تازه با اين وضع هم چيزي بيشتر از حل مسائل قديمي فيزيک (مانند توضيح دقيق تر مدار زمين دور خورشيد) از دست آدم برنمي آيد. رياضيات به شدت غامض و پيچيده نسبيت عام باعث شد که با وجود موفقيت اين رشته از فيزيک در توضيح ساختار کلي کيهان، تا اواسط دهه 1950 و آغاز مسابقه فضايي ايالات متحده و اتحاد شوروي، اين کشف بي نظير تاريخ بشري نسبتاً دست نخورده باقي بماند. اما از آن زمان به مدت 20 سال کشفياتي در گرانش و نسبيت عام اتفاق افتاد که در دنياي فيزيک به آن زمان اصطلاحاً «عصر طلايي نسبيت عام» مي گويند. يکي از محصولات آن دوره طراحي آزمايشي بود که مي توانست درستي يا نادرستي يکي از پيش بيني هاي نسبيت عام را تحقيق کند. آزمايشي که «کاوشگر گرانشي بي» ناميده شد و بي گمان «زيبا»، «هنرمندانه» و «دقيق» است؛ دقيق ترين ساخته دست بشر تا امروز.

دنبال چه مي گرديم
 

نسبيت عام براي توجيه نيروي گرانش مي گويد انرژي (يا همان جرم که طبق قانون معروف E= mc2 به هم تبديل مي شوند) باعث ايجاد انحنا در فضا مي شود. معمولاً براي تصوير بهتر مدلي دوبعدي را در نظر مي گيرند. فرض کنيد يک ملافه را از چهار طرف صاف ببنديم. اين مي تواند مدلي براي فضاي دو بعدي باشد. حالا وسط اين ملافه يک گوي بيندازي. وزن گوي باعث مي شود که در وسط جمع شود. اين همان اثري اصلي و معروف نسبيت عام است. اينشتين در بحبوحه جنگ اول جهاني بود که نسبيت عام را به طور کامل تدوين کرد. يک دانشمند اتريشي به نام شوار سشيلد، که در حال گذراندن خدمت سربازي اش در جبهه جنگ بود توانست در زماني که در خط مقدم بود، معادلات را حل کند تا اين خميدگي فضا (همان جمع شدن ملافه در وسط) را حساب کند. جالب است بدانيد که نخستين بار نسبيت عام را هم يک دانشمند انگليسي (از جبهه متقابل) به نام سر آرتورادينگتون در کسوفي در سال 1919 تست کرد. او با استفاده از معادلات شوار سشيلد براي خورشيد، توانست نخستين آثار نسبيت عام را مشاهده کند. اين نشان مي دهد که جامعه علمي هيچ مرزي نمي شناسد. علم حتي بين کشورهايي که در حال جنگي به آن عظمت در برابر هم هستند، عاملي براي تعامل دانشمندان است.
حالا فرض کنيد که گوي وسط ملافه بچرخد. چرخش گوي باعث مي شود که ملافه هم تا حدودي به خاطر اصطکاک با گوي در وسط خود بچرخد. اين هم اثري است (Frame Draggig) که نسبيت عام آن پيش بيني مي کند. زمين با حرکت وضعي به دور خود، فضا را به همراه خود مي کشد و يک مارپيچي از فضا در اطراف زمين تشکيل مي شود. اين اثر را نخستين بار در سال 1957لئونارد شيف (Leonard Schiff) جدي گرفت. سال 1959 يک فيزيکدان تجربي از دانشگاه ام آي تي به نام جرج پاگ (George Pugh) آزمايش مفهومي اي طراحي کرد که اين اثر خيلي کوچک نسبيت عام آزمايش شود پاگ در دانشگاه روي پروژه اي براي پنتاگون کار مي کرد. او طرحش را به ناسا که تازه تاسيس شده بود برد و البته شيف را هم در جريان گذاشت. از سال 1961 اين آزمايش به طور جدي پيگري شد. سال 1964 بالأخره آزمايش تأمين مالي شد و سال 1977 هم طراحي مهندسي کار در دانشگاه استنفورد در شمال کاليفرنيا تمام شد. اما هنوز هيچ چيزي ساخته نشده بود. طرح آن قدر پيشرفته بود که حتي ناسا آن زماني نمي توانست آن را بسازد. سال 1986 پيشنهاد شد که شاتل ها براي اين آزمايش به کار گرفته شوند اما دستگاه آزمايش بايد مدت طولاني در مدار زمين مي ماند تا اين اثر گرانش را آزمايش کند. بالاخره با طرح ارسال ماهواره مستقل به مدار موافقت شد. لاکهيد مارتين ساخت ماهواره را به عهده گرفت و آن را در سال 2002 تحول داد. ناسا ماهواره را سال 2004 با موشک دلتا2 (II Delte) از پايگاه هوايي وندنبرگ در کاليفرنيا به فضا پرتاب کرد. ماهواره حدود 18 ماه فعاليت کرد. نخستين نتايج در سال 2009 نشان در موفقيت برنامه مي داد و سر انجام نتايج نيم قرن تلاش بزرگ ترين فيزيکدانان تجربي در زمينه نسبيت عام با صرف 750 ميليون دلار، چند هفته پيش تبديل به يکي از مقاله هاي بزرگ ترين مجله علمي فيزيک (Physicl Review Letetrs)شد: کاوشگر گرانش اثر Fram Draggingرا با دقت نيم در صد تاييد کرد.

کاوشگر گرانشي
 

ايده آزمايش بسيار ساده است. ژيروسکوپ (يک گوي؛ مثلاً فرض کنيد توپ پينگ پنگ) در حال دوران را در نظر بگيرد. تلاش مي کنيم که هيچ نيروي خارجي اي بر آن تأثير نداشته باشد. به اين ترتيب محور دوران گوي در چهارچوب ستارهاي ثابت وضعيت مشخصي دارد. چارچوب ستاره هاي ثابت يک دستگاه و مختصات است. چند ستاره که وضعيت ثابتي (مقدار تغييرات جزيي در حد چند قرن است) نسبت به زمين دارند، علامت هاي مشخص اين دستگاه مختصات فرضي است. حالا گوي ها را در مدار زمين قرار مي دهيم. چون نيرويي به آنها وارد نمي شود، محور دوران بايد تحت تأثير اين خميدگي به آرامي تغيير جهت بدهد و با اندازه گيري اين تغييرات کوچک مي توان نظريه نسبيت عام را تحقيق کرد. اصول آزمايش ساده است ولي مشکل در نحوه انجام آن است. طبق محاسبات محور دوران اين گوي ها بايد 0/420 ثانيه قوسي در سال نسبيت به چهارچوب ثوابت تغيير کند. مي دانيم که فضاي اطراف ما 360 درجه است. اگر هر درجه را به 60 قسمت تقسيم کنيم (دقيقه قوسي) و هر کدام آنها را دوباره به 60 قسمت ديگر، يک ثانيه قوسي به دست مي آيد. پس اين اثر تا حد فوق تصويري کوچک است که مقدارش کمتر از نيم ثانيه قوسي در سال است. حالا ما بايد دستگاهي بسازيم که دقتش کمتر از پنج هزارم ثانيه قوسي باشد. خداي من، اين دقيق ترين دستگاه ممکن است. تازه تصور کنيد که در مدار اطراف زمين کلي چيزهاي مختلف است که هر کدام آنها آثار سيار کوچک گرانشي دارند. بايد اثر همه آنها از نتيجه آزمايش حذف شود تا نتايج دچار خطاي سيستماتيک نشود.
اين گوي ها بايد در مدار زمين در محفظه اي که با پوششي فلزي از نفوذ هرگونه ميدان الکترومغناطيسي جلوگيري مي کند، قرار بگيرند. حرکات چرخشي ماهواره هم اثرات گرانش زمين را خنثي مي کند. بنابراين محور چرخش گوي ها تحت تأثير هيچ نيروي خارجي نيست. تنها خميدگي فضاست که مي تواند روي آن تأثير بگذارد. ساخت اين محفظه چند دهه طول کشيد. گوي هاي ژيروسکوپ به اندازه يک توپ پينگ پنگ با قطر بيشتر از سه سانتي متر هستند. اين گوي ها از جنس آلياژئکوارتز و سيليسيم ساخته شده اند. اين گوي ها تو خالي هستند و بدنه آن به حدي نازک است که اگر گوي ها به اندازه کره زمين بودند ضخامت جدار آنها تنها حدود 10 متر مي شد! آنها دقيق ترين کره هايي هستند که تاکنون بشر ساخته است. اگر اين جدار نازک کاملاً کروي نباشد، محور دوران آن خود به خود دچار تغيير جهت مي شود (در اثر گرانش زمين) و تمام تلاش هاي آزمايشگران از بين مي رود. گزاف نيست اگر بگوييم که براي ساختن اين گوي ها، اتم به اتم با دقت کنار هم چيده شدند.قرار گرفتن اين محافظه در مدار موجب مي شود که گوي ها به حالت بي وزني در محافظه خود شناور شوند اما بدون کنترل ممکن است گوي هاي چرخان چنان منحرف شوند که به بدنه ماهواره لرخورد کنند. براي جلوگيري از برخورد گوي ها با بدنه ماهواره، لاکهيد مارتين از يک بدنه ماهواره ضد لرزش استفاده کرد. در درون ماهواره دستگاه هاي اندازه گيري فاصله گوي تا بدنه محفظه با دقتي حدود يک نانومتر در حال کنترل آن بودند و موتور هاي کوچک ترين تغييري در اين فاصله را تصحيح مي کنند. در نتيجه در حقيقت گوي هاي ژيروسکوپ در حالي به درو زمين مي چرخند که درون يک محفظه اي قرار دارند که هيچ گونه تماسي با آن ندارند اما اين محفظه همواره آنها را از شر هر نيروي خارجي اي در امان نگه مي دارد.
براي جلوگيري از نفوذ مغناطيسي زمين که باعث به هم خوردن محور دوران ژيروسکوپ ها مي شود چه بايد کرد؟ ميدان هاي الکترو مغناطيسي در داخل فلزات نفوذ نمي کنند؛ به همين دليل ژيروسکوپ ها را در محفظه اي سربي قرار دادند که پيرامون آن را حدود 4500 ليتر هليم مايع قرار گرفته بود. دماي محيط به حدود 1/7کلوين (271- درجه سانتي گراد) مي رسيد. اين باعث ايجاد خاصيت ابر رسانايي در سرب مي شود. ابر رسانايي از نفوذ هرگونه ميدان الکترومغناطيسي از جمله ميدان مغناطيسي زمين يا ميدان هاي تابشي خورشيد به درون محفظه گوي ها جلوگيري مي کرد. ميدان مغناطيسي در مداري که اين ماهواره در آن قرار دارد حدود 0/003 گاوس است (در سطح زمين اين ميزان 0/5 گاوس است) اما اثر همين مقدار کم هم بايد از بين تا نتايج کاملاً صحيح باشند. سرمايه شديد ناشي از هليم مايع فايده ديگري هم دارد و آن اين است که باعث ايجاد خلابا حداقل فشار ممکن در درون محفظه مي شود. بعد از خارج کردن هوا از محفظه آن ميزان از مولکول هاي گاز که در محيط باقي مي مانند، در اثر سرمايه ايجاد شده (1/7کلوين) عملاً به سختي حرکت مي کنند و مشکلي براي چرخش ژيروسکوپ ها به وجود نمي آورند. تجهيزات ايجاد خلاء بالاي محفظه مي توانند باعث 10هزار دور در دقيقه به مدت ده هزار سال بدون کاهش حتي يک درصد در سرعت بچرخند.
نکته مهم و البته اصلي اندازه گيري محور دوران گوي هلاست نتيجه آزمايش را تعيين مي کند. اين عمل بايد کوچک ترين ضربه به آن انجام شود. اين بار نيز از خواص ابررسانا استفاده شد. وقتي يک گوي رسانا مي چرخد ميدان مغناطيسي ضعيفي توليد مي کند (القا). به همين دليل گوي ها از لايه نازکي از فلز نيوبيوم پوشيده شد. در دماي محفظه فلز نيوبيوم خاصيت رسانايي دارد و در اثر چرخش ميداني ايجاد مي کند که مي توان آن را اندازه گرفت. با اندازه گيري اين ميدان الکترومغناطيسي مي توان دوران گوها را به دقت زير نظر داشت. در داخل ماهواره يک تلسکوپ بود که به سمت يک ستاره دور دست و تقريبا ثابت به نام IM-Pegasi نشانه رفته بود. اگر چه اين ستاره در طول دو سال واقعاً در جاي خودش ثابت نبود؛ اما کيهان شناسان به دقت حرکات آن را تحت نظر داشتند. کار طاقت فرسايي که سرانجام به نتيجه رسيد. دقيق ترين دستگاه ساخت بشر تا امروز، توانسته دقيق ترين و بينقص ترين نظريه علمي ساخت بشر تا امروز را تاييد کند. باز هم يک بار ديگر اينشتين و نظريه اي که حدود يک قرن پيش تدوين کرده بود، از يکي از سخت ترين آزمايش هاي پيش رويش سر بلند بيرون آمد.
منبع: مجله همشهري دانستنيها