نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین از یک آزمون مهم دیگر سربلند بیرون آمد
اصل هم‌ارزی به‌عنوان یکی از مفاهیم بنیادین نظریه‌ی نسبیت عام انیشتین به‌تازگی سخت‌ترین آزمون خود را هم با موفقیت پشت سر گذاشته است.
تیمی بین‌المللی از دانشمندان با استفاده از ماهواره‌ای مخصوص، شتاب جفت اجسام در حال سقوط آزاد را در مدار زمین اندازه‌گیری کرده‌اند و نتایج این آزمایش پنج ماهه نشان می‌دهد که شتاب سقوط این اجرام بیش از ۱ در ۱۰ به توان ۱۵ با هم تفاوت ندارد. بدین ترتیب این نتایج هر گونه نقض «اصل هم‌ارزی ضعیف» را تا چنین مقیاسی رد می‌کنند.
مشاهده‌ی «اصل هم ارزی ضعیف» (Weak Equivalence Principle) نسبتا ساده است. این اصل بیان می‌کند که همه‌ی اجرام صرف نظر از جرم یا ترکیبی که دارند، اگر هیچ چیز دیگری بر آن‌ها اثر نکند، در یک میدان گرانشی، یکسان شتاب می‌گیرند.
شاید معروف‌ترین نمایش آن، در سال ۱۹۷۱ میلادی و زمانی بود که فضانورد «دیو اسکات» (Dave Scott) یک چکش و یک پر را به‌طور هم‌زمان از ارتفاع یکسان روی سطح ماه به پایین انداخت. بدون مقاومت هوا برای کند کردن پر، هر دو جسم با سرعت یکسان به سطح ماه سقوط کردند.
اما آزمایش جدید که «میکروسکوپ» (MICROSCOPE) نام گرفته است و توسط فیزیکدان «پیر توبول» (Pierre Touboul) هدایت شد، تا حدی دقیق‌تر از نمایش اسکات بود و از یک ماهواره در مدار زمین استفاده می‌کرد که از ۲۵ آوریل ۲۰۱۶ (۵ اردیبهشت ۱۳۹۵) تا ۱۸ اکتبر ۲۰۱۸ (۲۶ مهر ۱۳۹۷) فعالیت داشت.
ماهواره‌ی میکروسکوپ در مدار زمین
Credit: CNES 2015
در این مدت، تیم علمی با سقوط آزاد اجسام مختلف آزمایش‌های متعددی را پیش برد و در مجموع پنج ماه به جمع‌آوری داده پرداخت. دو سوم از این داده‌ها با جفت جسم‌هایی از جنس آلیاژهای تیتانیوم و پلاتین انجام شد و یک سوم باقی‌مانده هم از اجسامی با جنس یکسان پلاتین استفاده می‌کردند.
تجهیزات این آزمایش از نیروهای الکترواستاتیکی برای نگه داشتن دو جرم در موقعیت یکسان نسبت به یکدیگر استفاده کردند. اگر تفاوتی در شتاب وجود داشت، معیاری که به نام «نسبت اوتووش» (Eötvös Ratio) شناخته می‌شود، این تجهیزات تغییراتی را در نیروهای الکترواستاتیکی ثبت می‌کردند.
نتایج اولیه‌ی این آزمایش در سال ۲۰۱۷ امیدوارکننده بود و تا پارامتر اوتووش ۹±۱- در ۱۰ به توان ۱۵- هیچ نقضی از اصل هم‌ارزی مشاهده نشد. با این حال فعالیت ماهواره ادامه داشت و اکنون مجموعه داده‌ی کامل آن، با افزایش دقت نتایج اولیه پارامتر اوتووش را به ۱.۱ در ۱۰ به توان ۱۵- محدود می‌کند.
این کوچک‌ترین بازه‌ی تعیین شده برای اصل هم ارزی ضعیف تا به امروز محسوب می‌شود و بعید است که به این زودی بازه‌ی دقیقتری برای آن تعیین شود. اکنون دانشمندان با اطمینان بیشتری نسبت به قبل می‌توانند به نظریه‌ی نسبیت عام تکیه کنند و قیدهای تازه‌ای را برای هم‌ارزی بین نسبیت عام و مکانیک کوانتومی، دو زمینه‌ای که ظاهرا تحت قوانین متفاوتی عمل می‌کنند، قرار دهند.
تیم مأموریت میکروسکوپ در کنار ماهواره‌ی این آزمایش
Credit: ONERA/Rodrigues
«ژیل متریس» (Gilles Métris) ستاره‌شناس رصدخانه‌ی کوت دازور فرانسه درباره‌ی این مطالعه گفت: «اکنون قیدهای جدید و بسیار بهتری را برای طرح نظریه‌های بعدی در اختیار داریم و می‌دانیم که این نظریه‌ها نباید اصل هم‌ارزی را تا این مقیاس جدید نقض کنند.»
با توجه به اینکه تجهیزات طراحی شده برای کار در محیط ریزگرانش مدار زمین، پیش از پرتاب آزمایش نمی‌شوند، این نتیجه‌ای بسیار ارزشمند برای پروژه‌ی MICROSCOPE به‌شمار می‌رود و تیم مأموریت حتی می‌تواند بر پایه‌ی آن آزمایش‌های دقیقتری را طراحی کند.
این آزمایش‌ها به بررسی محدودیت‌های نسبیت عام که گرانش را در فضا-زمان فیزیکی توصیف می‌کند، کمک خواهند کرد. در مقیاس اتمی و زیر اتمی، نسبیت عام کاربرد ندارد و مکانیک کوانتومی است که قدرت را در دست می‌گیرد. دانشمندان مدت‌هاست که برای رفع تناقض میان این دو تلاش می‌کنند و تشخیص دقیق جایی که نسبیت عام پاسخگو نیست، می‌تواند در این زمینه مؤثر باشد.
اکنون می‌دانیم که شکست نسبیت عام، تا مقیاس ۱ در ۱۰ به توان ۱۵- برای هم‌ارزی ضعیف رخ نمی‌دهد. با پیشرفت‌های بیشتر در آزمایش‌های آینده، این مقیاس می‌تواند تا سطح ۱ در ۱۰ به توان ۱۷- هم کاهش یابد. با این وجود این پیشرفت در آینده‌ی نزدیک انجام نخواهد شد.
چنان‌که «مانوئل رودریگز» (Manuel Rodrigues) مهندس فیزیک مرکز ملی تحقیقات هوافضای فرانسه (ONERA) در این رابطه گفت: «حداقل برای یک یا شاید دو دهه، هیچ پیشرفتی را در آزمایش ماهواره‌های فضایی شاهد نخواهیم بود اما گمان می‌کنیم که نتایج موجود فعلا کافی باشند.»
عکس کاور: طرحی گرافیکی از آزمایش میکروسکوپ برای سنجش نسبیت عام
Credit: ONERA
منبع: Science Alert
