هبوط نسبیت

برگردان: احسان سنایی

بر اساس پیش‌بینی‌های اینشتین، اندکی سرعت کمتر حین رانندگی یا یک پله صعود از نردبانی عادی، برای ایجاد تأخیر در سیر زمان از دید خودمان کافی‌ست.هیچ‌گاه هبوط عملی «نسبیت» آلبرت اینشتین، که تأثیر سرعت و گرانش نسبی بر سیر زمان را وصف می‌کند؛ از پندار خیال‌پرور مردم به حد و ابعاد خانه‌هایشان ممکن نبوده است. در اوایل دهه‌ی ۷۰میلادی بود که دانشمندان این نظریه‌ را با یاری دو ساعت اتمی همگام، که هر دو بر دو هواپیمای جمبوجت؛ یکی به‌سوی شرق و دیگری به‌شوی غرب زمین به پرواز درآمدند؛ اثبات نمودند.

پروفسور آلبرت اینشتین – دوم ژانویه‌ی ۱۹۲۱– نیویورک / Bettmann

هواپیمای غرب‌رو – که در خلاف جهت چرخش زمین رهسپار دورها شد – در قیاس با ساعت مرجعی که بر زمین مستقر بود؛ دچار تأخیر گردید ... اما این داستانِ چندان محسوسی برای لمس تأثیرات روزمره‌ی این فراگیرترین قانون حاکم بر رفتار نیروی گرانش نیست.

دکتر «چین‌ون چو» (Chin-Wen Chou) و همکاران‌اش از انیستیتو ملی استانداردها و فناوری بولدر (NIST) در کلرادو اما هم‌اکنون نشان از صحت عملی فرضیات اینشتین در مقیاس‌های آشناتر داده‌اند. پژوهش‌گران NIST، طی آزمایشات صورت‌پذیرفته بر نظریات نسبیت عام و خاص، نشان داده‌اند اگر حتی فقط یک پله از نردبانی صعود کنید؛ زمان، بالنسبه سریع‌تر خواهد گذشت و کاهش دست‌کم 36 کیلومتر بر ساعت از سرعت حرکت اتومبیل‌تان هم آهسته سیر زمان را کندتر خواهد کرد. نتایج این پژوهش، در شماره‌ی این هفته‌ی نشریه‌ی علمی Science انتشار یافته است.

دکتر «هولگر مولر» (Holger Müller)؛ فیزیکدانی از دانشگاه کالیفرنیا-برکلی می‌گوید این بررسی نشان داد که نسبیت، دیگر محدود به آزمایشات بزرگ‌مقیاس نیست. وی در ادامه می‌افزاید: «این اساساً شاهکار تکنولوژیکی بزرگی ا‌ست؛ اما مؤلفه‌ای فلسفی هم در درون خود دارد. این [بررسی] نشان می‌دهد که نسبیت، چیزی ملموس است».

مطالعات پژوهش‌گران NIST، البته وابسته به ساعت‌هایشان بود، که در رده‌ی دقیق‌ترین‌های جهان‌اند. ساعت‌های اتمی استاندارد، که از حدود دهه‌ی 50 میلادی رواج یافته‌اند، امواج ریزموجی را در یک فرکانس مشخص روانه‌ی اتم‌های سزیم می‌کنند و این اتم‌ها هم با افزایش یک پله‌ای سطح انرژی‌شان، متقابلاً پاسخ می‌دهند. سیگنال آزادشده توسط اتم هدف طی این جهش، دیگربار انرژی ارسالی را به منبع ریزموج پس می‌فرستد و همین، موجب ثبات فرکانس منبع امواج ریزموج می‌شود. از این‌روست که «تیک‌‌تاک»های چنین ساعتی به‌میزان یک واحد در ۱۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰ یا بیشتر، دقت دارند!

چو و تیم‌اش در این بررسی، از یک ساعت اتمی اپتیکی که در سال ۲۰۰۵طراحی شده بود، بهره بردند. این ساعت از نور لیزر که فرکانس‌اش یکصد‌هزار بار بیشتر از امواج ریزموج است، استفاده می‌بَرد. به‌همین‌واسطه هم ساعت‌های اپتیکی، ده‌ها یا صدها بار از ساعت‌‌های ریزموجی دقیق‌ترند. ساعتی که تیم NIST از آن بهره بُرد، هر سه میلیارد سال، کمتر از ۱ ثانیه خطا می‌کند!

بازی با زمان

نسبیت عام می‌گوید که با کاهش تأثیر نیروی گرانش از دید ناظر، زمان برای اجسام گوناگون سریع‌تر می‌گذرد. چو و همکاران‌اش جهت اثبات این گفته، یک ساعت اتمی اپتیکی را ۳۳سانتیمتر، بالاتر از ساعت مشابه دیگری جای دادند. گرانش نسبتاً کمتری که ساعت بالاتر حس می‌کرد؛ باعث شد که فرکانس ارسالی‌اش هم چهار در ده به توان منفی ۱۷بار سریع‌تر شود. این، معادل پیشی‌جستنی به‌میزان ۹۰میلیاردیم ثانیه با گذشت ۷۹سال است!

دکتر «هارولد لایونز»؛ مخترع نخستین ساعت اتمی جهان، در خصوص محک زدن نسبیت به‌وسیله‌ی دو ساعت اتمی؛ یکی مستقر بر زمین و دیگری سوار بر یک فضاپیما توضیح می‌دهد – ژوئیه‌ی 1959 / Bettmann

گروه، جهت اثبات نسبیت خاص اینشتین نیز که می‌گوید زمان برای اجسام متحرک آرام‌تر می‌گذرد؛ یک تک‌اتم را در ساعت‌ اپتیکی‌شان چنان تکان دادند که اختلاف نوسانا‌ت‌ حاصله طبق پیش‌بینی نسبیت خاص، معادل تغییر سرعتی به‌میزان ۱۰متر بر ثانیه یا ۳۶کیلومتر بر ساعت شود. آنگاه، فرکانس ارسالی این اتم هم در پاسخ به این تغییر؛ حقیقتاً به میزان 6 در ده به توان منفی ۱۶بار کاهش یافت.

چو می‌گوید بررسی‌های گروه‌اش را نبایستی‌که با آزمایشات دقیق‌تر دیگران که صرفاً بر محک زدن پیش‌بینی‌های بزرگ‌مقیاس نسبیت متمرکز بوده‌اند؛ قیاس کرد. اما به‌گفته‌ی او «[این بررسی] به مردم یادآور می‌شود که تأثیرات گرانش حقیقتاً در حیات روزمره‌شان تجربه می‌شود و چیزی فقط محدود به دانشمندان نیست».

توان تشخیص دگرگونی‌های اندک به‌وجودآمده در نیروی گرانش، استفاده‌هایی در علوم ژئوفیزیک و هیدرولوژی (آب‌شناسی) هم دارد. به‌گفته‌ی دکتر «جرالد گوینر» (Gerald Gwinner)؛ فیزیکدانی از دانشگاه «مانیتوبا»ی کانادا؛ این تغییرات، در ردگیری نحوه‌ی جابجایی جرم زمین در نتیجه‌ی بروز تغییرات اخیر اقلیمی – مثلاً در خصوص آب – کمک می‌کند. او می‌گوید: «آن‌ها (دانشمندان) قادر به ایجاد شبکه‌ای هستند که تراز گرانشی نقاط گوناگون زمین‌مان را در آنِ واحد چک کند».

منبع: nature