زندگی زیر چتر نسبیت جریان دارد

نظریه نسبیت اینشتین بار دیگر از آزمون سخت علمی سربلند بیرون آمد

نزدیک به ۱۰۰ سال از نخستین انتشار نظریه نسبیت اینشتین (۱۹۵۵ ـ ۱۸۷۹) می‌گذرد. این نظریه بزرگ که در زمان خود و حتی دهه‌ها بعد به وضوح نشان داد قامت درک و توانایی‌هایی علمی بشریت برای فهم و اثبات دنیای آن هنوز کوچک است، بار دیگر دستاویز آزمون‌های علمی سخت و دشوار قرار گرفته و سر بلند بیرون آمده است.

دانشمندان با انجام ۵ آزمایش علمی خطیر و مهم به این نتیجه رسیده‌اند که نظریه نسبیت هنوز نفس می‌کشد و روزبه‌روز بر حقانیت دنیای بزرگ آن صحه گذاشته می‌شود. اکنون و پس از یک‌قرن از اعلام نظریه نسبیت، مرزهای دانش بشری بار دیگر نگاه‌ها را به سوی نابغه دوران و تفکرات عالی وی معطوف ساخته و ثابت می‌کند هنوز هم حق با اینشتین است.

آخرین آزمایش نظریه نسبیت اینشتین که در تابستان ۲۰۱۰ در نشریه Science منتشر شد، نگاه ویژه‌ای به مفهوم پارادوکس زمانی دارد؛ یعنی همان بخش از نظریه نسبیت که پیش‌بینی می‌کند ۲ ساعت دقیقا همانند که در ارتفاع‌های مختلف آرام گرفته یا در سرعت‌های مختلف حرکت می‌کنند، با آهنگ متفاوتی به تیک‌تاک خواهند افتاد. پارادوکس زمانی در واقع معمول‌ترین تصور ما از اصطلاح پارادوکس توام یا دوقلو به شمار می‌رود که توصیف آشنای آن از این قرار است: اگر یکی از دوقلوها سوار بر موشک در حال حرکتی با سرعت فوق‌العاده زیاد رهسپار اخترواره‌ای شود، در زمان برگشت به خانه سن کمتری از قل زمینی‌اش خواهد داشت یا به بیان دیگر طی این رفت و برگشت کمتر پیر می‌شود. اکنون اما گروهی از فیزیکدانان موسسه ملی استانداردها و فناوری آمریکا نشان داده‌اند پارادوکس زمانی را می‌توان حتی بدون وجود یک مسافرت سریع‌السیر پرت و دورافتاده نیز بجا آورد.

در بیان چند و چون انجام این آزمایش باید گفت محققان با استفاده از ساعت‌های نوری ابرحساس به اندازه‌گیری تغییرات در آهنگ سرعت این ساعت‌ها در سرعت‌های کمتر از ۴۰ کیلومتر در ساعت و در ارتفاع‌های مختلفی از حدود ۳۰ سانتی‌متر اقدام کردند.

هریک از این ساعت‌های نوری توسط یک یون منفرد آلومینیوم توانبخشی می‌شوند و تقریبا ۴۰ برابر دقیق‌تر از ساعت‌های اتمی استاندارد بین‌المللی با توانبخشی سزیمی محسوب می‌شوند. چنین دقتی برای محققان توانایی نگاه دقیق به اختلافات بسیار خرد در سرعت تیک‌تاک ساعت‌ها را فراهم می‌آورد. ساعت‌هایی که هنوز در ارتفاع یکسانی نشسته‌اند از سرعت تیک‌تاک یکسانی برخوردارند، اما محققان برای به‌حرکت در آوردن یک ساعت کار را با یکی از یون‌های نوسان‌کننده در سرعت‌های انتخابی‌شان کلید زدند. آنها معتقدند نحوه حرکت و تندی آن می‌تواند هم به کندی زمانی باشد که روی تاب نشسته و به عقب و جلو تاب می‌خورید و هم به تندی یک گلوله تفنگ باشد.

زمانی که محققان حرکت یون را با سرعت ۱۰ متر بر ثانیه ترتیب می‌دهند (اندکی کمتر از سرعت ۴۰ کیلومتر بر ثانیه)، به این نکته مهم پی بردند که ساعت با سرعت سنجش‌پذیری آهسته‌تر از ساعت ساکن به تیک‌تاک می‌افتد. همین موضوع زمانی که ساعت‌ها در ارتفاع‌هایی با اختلاف اندک بودند نیز اتفاق افتاد. زمانی که محققان از یک جک هیدرولیک برای بلند کردن یکی از ساعت‌ها استفاده کردند تا آن را فقط ۳۰ سانتی‌متر بالا بیاورند، مشاهده کردند سرعت تیک‌تاک ساعت پایین‌تر تا حدود زیادی نسبت به ساعت بالاتری خفیف‌تر می‌شود.

از آنجایی که ساعت‌های نوری امکان اندازه‌گیری دقیق لازم و کافی را فراهم می‌کنند، محققان توانستند به خوبی مشاهده کنند که پیش‌بینی‌های اینشتین در شرایط و مقتضیات روزمره زندگی ما نظیر بلندی یک صندلی یا سرعت یک خودرو در یک خیابان محلی و مسکونی چگونه به نقش‌آفرینی کماکان خود ادامه می‌دهد. حال زمانی را فرض کنید که فردی ارتفاع بالا و جابه‌جایی سریع را مثلا در یک هواپیما تجربه می‌کند و خلبان اعلام می‌کند ما هم اکنون در سرعت ۸۰۰ کیلومتر در ساعت و ارتفاع تقریبا ۱۰ هزار متری زمین به سر می‌بریم. در چنین وضعیتی کدام پارادوکس زمانی برنده ماجراست: سرعت تیک‌تاک آهسته‌تر در مقابل سرعت افزایش یافته، یا سرعت تیک‌تاک تندتر در مقابل جاذبه پایین‌تر؟ برای فهم بهتر موضوع فردی مثل شخصیت فیلم «آپ ــ بالا» را فرض کنید که در طول زندگی خود معادل ۱۶ میلیون کیلومتر با هواپیما پرواز کرده است؛ جدا از به حساب آوردن رقمی حیرت انگیز برای کیلومترها پرواز هوایی که این جت‌نشین دائم‌السفر به ثبت رسانده، فیزیکدانان حساب کرده‌اند قهرمان همیشه در پرواز ما چیزی معادل ۵۹ میکروثانیه کمتر از رفقای روی زمینش پیرتر شده است.

● حرکت تقدمی اسپین

مفهوم حرکت تقدمی چرخشی یک اصل فرعی یا همروند به شمار می‌رود که در درون نظریه بزرگ نسبیت جمع شده است و پیش‌بینی می‌کند زمانی که دو شیء حول مدار یکدیگر مدارگردی می‌کنند، جرم‌هایشان باعث واپیچیدن و از شکل افتادن محور مرکزی می‌شود که به دورش در حال گردش هستند به طوری که به آهستگی باعث تغییر یافتن مسیر و جهت حرکت می‌شود. این تغییر تدریجی سبب می‌شود دو شیء مزبور داخل مدارهایشان اصطلاحا وول بخورند.

نکته: دانشمندان با انجام ۵ آزمایش علمی و مهم به این نتیجه رسیده‌اند که نظریه نسبیت هنوز نفس می‌کشد و روزبه‌روز بر حقانیت کشف بزرگ اینشتین صحه گذاشته می‌شود

در این میان و برای یافتن نمونه‌ای از وقوع جنبش و لنگ زدن طی حرکت پیشرونده چرخشی، تیمی از محققان بین‌المللی دست به کار شده و به مطالعه یک جفت از پالسارها یا همان تب اخترها مشغول شدند. اجرام سماوی موسوم به تب اخترها، ستارگان نوترونی چگالی محسوب می‌شوند که هر کدام دیگری را در مدارهای تنگ و نزدیک احاطه کرده است و سیگنال‌های رادیویی چنان قدرتمندی را ساطع می‌کنند که می‌تواند از زمین ردیابی شود. این زوج تب اختر که نخستین بار سال ۲۰۰۳ دیده بانی و مشخص شدند، تنها زوج پالسار شناخته‌شده‌ای هستند که معلوم شده به دور هم مدارگردی دارند و به اعتقاد محققان فرصت مناسبی را برای آزمایش کردن یکی از پیش‌بینی‌های تا به امروز ثابت نشده نظریه نسبیت فراهم می‌کند. دانشمندان به دنبال ۴ سال ردیابی سیگنال‌های رادیویی حاصل از یکی از این ستارگان سرانجام در سال ۲۰۰۸ اعلام کردند به قدر کافی نسبت به موضوع جنبیدن اطمینان یافته‌اند و درست به همان صورتی که اینشتین حدس زده بود وقوع چنین موضوعی به اثبات رسید.

● انحنای فضا ـ زمان

۳ دهه پیش دانشمندان با ارسال و دریافت پیام‌های ارتباطی و مخابراتی از مریخ‌نشین وایکینگ در سال ۱۹۷۹ نشان دادند که سیگنال‌های در سفر میان زمین و مریخ نسبت به موقعی که آنها از خورشید می‌گذرند اندکی بیشتر به درازا می‌کشد و این مهم به واسطه مفهوم خمیدگی فضا ـ زمان است که این ستاره عظیم و گران سبب‌ساز آن می‌شود، اما این که دانشمندان چگونه این آزمایش را به انجام رساندند به تلاش‌های مجدد آنها برای اندازه‌گیری‌های جدید سیگنال‌های رادیویی برمی‌‌گشت. در سال ۲۰۰۲ و همچنان که فضاپیمای کاسینی رهسپار سیاره کیوان بود، دانشمندان به سنجش مجدد اثر گرانش خورشیدی پرداختند و طی آن چگونگی تغییر یافتگی سفر رفت و برگشت زمانی یک سیگنال رادیویی را هنگام گذشتن از نزدیک خورشید مورد بررسی و دقت‌نظر بیشتر خود قرار دادند. در این میان گرچه آزمایش کاسینی همان نتایج وایکینگ را نشان داد، اما با درستی ۲۰ در میلیون ۵۰ بار دقیق‌تر از آن بود و این سنجش قابل‌توجه در سایه سامانه ارتباطاتی بهتری حاصل شد که می‌توانست تداخل امواج ناشی از اکلیل خورشیدی یا همان هاله را پالایش کند.

● پارادوکس زمانی در لیزر

آزمایش مربوط به پارادوکس زمانی روی فواصل خرد نه یک‌بار بلکه دو بار در سال ۲۰۱۰ مورد آزمون قرار گرفت. پایه اصلی ماجرای این آزمایش جالب توجه همان اتم‌های سزیمی بودند که سامانه‌های زمان‌سنج ابردقیق امروزی را با آن می‌شناسیم. در حالی که زمان زیادی از ورود اتم‌های سزیم به بحث توانبخشی دقیق‌ترین ساعت‌های دنیا نمی‌گذرد، اما دانشمندان برای مشاهده مفهوم پارادوکس زمانی حاکم بر کوچک‌ترین اختلاف ارتفاع تاکنون موجود ـ یعنی یک‌دهم میلی‌متر ـ از آن بهره جستند. در همین رابطه و بر اساس تحقیق جدیدی که سال ۲۰۱۰ در نشریه Science منتشر شد، دانشمندان به بمباران اتم‌های سزیم با فوتون‌های حاصل از یک اشعه لیزر اقدام کردند.

بر اساس قانون مکانیک کوانتوم زمانی که یک فوتون به اتمی فرضی برخورد می‌کند، آن را با فشار به دو موجودیت جانشین و متبادل می‌نشاند. در یکی از این موجودیت‌های جانشین، گذرگاه یا مسیر اتم عوض نمی‌شود؛ به بیان دیگر، اتم مزبور فوتون را جذب کرده و آن را به فاصله یک‌دهم میلی‌متر بالاتر می‌راند. بر این اساس دانشمندان با مشاهده اختلاف میان سرعت نوسان اتم بالاتر و پایین‌تر، توانستند با دقتی معادل یک در ۱۰۰ میلیون پارادوکس زمانی را بر فراز چنین فاصله خردی مشاهده کنند.

● نسبیت در مقیاس بزرگ

نسبیت در مقیاس بزرگ به بزرگی یک منظومه شمسی است؛ وقتی کسی بخواهد راه‌حلی برای آزمایش نظریه‌ای درباره کل عالم و جهان هستی صادر کند، باید قبول کرد مقیاسی در این حد نیز نمونه کوچکی است. واقعیت امر این است که نسبیت عام روی مقیاسی بزرگ‌تر از منظومه شمسی به اثبات نرسیده است؛ با وجود این تصور و فرض این مفهوم که نظریه نسبیت روی فواصل بزرگ‌تر هنوز پا برجا باشد برخی دانشمندان را در حیرت و شگفتی باقی نگه‌داشته است، اما ماجرای آزمایش مفهوم نسبیت کهکشانی از این قرار است که محققان با استفاده از رصدگری‌های وسیع و دور رس حاصل از تلسکوپ اشعه ایکس قدرتمند ناسا موسوم به چندرا توانستند برای نظریه نسبیت آن هم روی یک مقیاس کیهان‌شناختی تکیه‌گاه و پشتیبانی تاییدکننده فراهم کنند. در واقع محققان با تدارکی چنین قوی و فراسویی به این مهم پی بردند که نظریه اینشتین به نحو دقیق و درستی چگونگی رشد خوشه‌های کهکشانی در طول زمان را پیش‌بینی کرده است. خوشه‌های کهکشانی دسته‌های بزرگی از کهکشان‌ها هستند که توسط گرانش به صورت متفق با هم جمع می‌شوند.

با این اوصاف و پس از یک قرن همراهی با نظریه نسبیت و قوانین راهگشای آن، به نظر می‌رسد سال ۲۰۱۰ سال پرکاری برای خوشامدگویی نظریه نسبیت و اثبات پرده‌های ناگشوده و پیش‌بینی‌های تاکنون محقق نشده این نابغه دوران لقب بگیرد. سالی که طی آن و با همت دانشمندان در سایه انجام آزمایشات مختلف، دانش بشری توانست تجربه افزون‌تری از نظریه نسبیت را برای توصیف و ادراک قوانین حاکم بر زندگی روزمره و از قلب اتم گرفته تا قلب کهکشان‌های دوردست به نمایش بگذارد.

منابع: Science, Discovery, Popularmechanics

مترجم: مهریار میرنیا