پیچش عسل‌وار فضا-زمان؛ پیش‌بینی عجیب اینشتین با دقت بی‌سابقه در مدار زمین تایید شد

خلاصه مقاله:

• پژوهشگران با استفاده از ماهواره کروی LARES-2 دقیق‌ترین اندازه‌گیری تاریخ از اثر کشش چارچوب را انجام دادند. آن‌ها با شلیک بیش از ۲۰۰هزار پالس لیزری به این ماهواره درطول سه سال، موقعیت آن را با دقتی در حد یک میلی‌متر اندازه‌گیری و میزان این اثر بسیار ضعیف را محاسبه کردند.
• نتایج آزمایش با دقتی بی‌سابقه و فقط با ۰٫۲ درصد عدم قطعیت، پیش‌بینی‌های نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین را بار دیگر تأیید کرد. اندازه‌گیری جدید همچنین دامنه اعتبار برخی نظریه‌های جایگزین نسبیت عام، از جمله نظریه چرن–سایمونز، را محدودتر و به جست‌وجوی نظریه‌ای جامع‌تر برای توصیف جهان کمک می‌کند.

بیش از یک قرن از زمانی که آلبرت اینشتین نظریه نسبیت عام را ارائه کرد می‌گذرد، اما دانشمندان همچنان درحال آزمودن پیش‌بینی‌های این نظریه هستند. اکنون پژوهشگران با کمک ماهواره‌ای کروی و براق که ظاهری شبیه توپ دیسکو دارد، دقیق‌ترین اندازه‌گیری تاریخ از یکی از عجیب‌ترین پیش‌بینی‌های اینشتین را انجام داده‌اند.

براساس نظریه نسبیت عام، گرانش فقط نیرویی نیست که اجسام را به سوی یکدیگر می‌کشد. اینشتین نشان داد جرم هر جسم باعث خم‌شدن بافت چهار‌بعدی فضا-زمان می‌شود و اجسام دیگر در حقیقت روی این بافت خمیده حرکت می‌کنند.

اما اگر آن جرم در حال چرخش باشد، اتفاق عجیب‌تری رخ می‌دهد. جسم در حال دوران، بافت فضا-زمان اطراف خود را نیز اندکی با خود می‌کشد؛ درست مانند قاشقی که هنگام هم زدن عسل، مایع اطرافش را نیز به گردش درمی‌آورد. این پدیده که اثر لنس-تیرینگ یا کشش چارچوب نام دارد، نخستین بار در سال ۱۹۱۸ به‌صورت نظری پیش‌بینی شد. هرچه جرم جسم بیشتر و سرعت چرخش بالاتر داشته باشد، این اثر قوی‌تر خواهد بود. به همین دلیل تاکنون واضح‌ترین نمونه‌های آن در اطراف سیاه‌چاله‌های غول‌پیکر مشاهده شده است.

اکنون، گروهی از پژوهشگران به سرپرستی ایگناتسیو چیوفولینی، فیزیکدان دانشگاه سالنتو ایتالیا، موفق شده‌اند اثر کشش چارچوب را با دقتی بی‌سابقه اندازه‌گیری کنند و میزان خطای آزمایش را به ۰٫۲ درصد برسانند که چندین برابر دقیق‌تر از اندازه‌گیری‌های پیشین است.

به نوشته ارزتکنیکا، ابزار اصلی آزمایش، ماهواره‌ای به نام LARES-2 است که توسط آژانس فضایی ایتالیا ساخته شد. این ماهواره برخلاف ماهواره‌های معمولی هیچ دوربین، کامپیوتر، موتور، پنل خورشیدی یا تجهیزات الکترونیکی ندارد؛ بلکه در واقع کره فلزی بسیار متراکمی با قطری حدود ۴۰ سانتی‌متر است که سطح آن را ۳۰۳ آینه ویژه پوشانده‌اند. ظاهر این آینه‌ها باعث شده ماهواره از دور شبیه توپ دیسکو به نظر برسد.

اما دلیل این طراحی عجیب کاملاً علمی است. هرچه ماهواره کوچک‌تر و سنگین‌تر باشد، نیروهای مزاحم مانند فشار نور خورشید یا برخورد ذرات فضایی تأثیر کمتری بر حرکت آن خواهند داشت. به این ترتیب مسیر حرکت ماهواره تقریباً فقط تحت تأثیر گرانش زمین قرار می‌گیرد؛ دقیقاً همان چیزی که دانشمندان به آن نیاز داشتند.

پس از پرتاب LARES-2 در سال ۲۰۲۲، پژوهشگران از ایستگاه‌های زمینی بارها پرتوهای لیزر به سمت آن شلیک کردند. آینه‌های نصب‌شده روی ماهواره، نور را دقیقاً به همان نقطه‌ای که از آن آمده بود بازمی‌گردانند. با اندازه‌گیری زمان رفت‌وبرگشت نور، دانشمندان توانستند فاصله ماهواره تا زمین را با دقتی در حد یک میلی‌متر محاسبه کنند.

در طول سه سال، بیش از ۲۰۰هزار اندازه‌گیری انجام شد و همین داده‌ها امکان مشاهده تغییرات فوق‌العاده کوچک در مدار ماهواره را فراهم کرد. اما اندازه‌گیری دقیق مدار ماهواره تنها بخشی از ماجرا بود.

زمین کاملاً کروی نیست و در ناحیه استوا کمی برآمدگی دارد. این شکل نامنظم باعث ایجاد تغییراتی گرانشی می‌شود که اثر آن هزاران برابر قوی‌تر از کشش بسیار ضعیف فضا-زمان است. به بیان ساده، اگر دانشمندان می‌خواستند صدای بسیار آرام یک نجوا را بشنوند، ابتدا باید صدای یک موتور پرقدرت را حذف می‌کردند.

برای حل مشکل، پژوهشگران هم‌زمان از دو ماهواره استفاده کردند؛ LARES-2 و ماهواره قدیمی‌تر LAGEOS ناسا که از سال ۱۹۷۶ در مدار زمین قرار دارد. مدار این دو ماهواره به گونه‌ای طراحی شده بود که اثر برآمدگی زمین بر یکی، دقیقاً اثر مخالفی بر دیگری ایجاد کند. وقتی داده‌های هر دو ماهواره با هم ترکیب شد، این خطاها تقریباً حذف شدند و تنها اثر بسیار کوچک پیش‌بینی‌شده توسط نسبیت عام باقی ماند.

اما ماجرا به همین جا ختم نمی‌شد. گرانش ماه و خورشید دائماً شکل زمین را اندکی تغییر می‌دهد و این تغییرات باعث می‌شود میدان گرانشی زمین نیز کمی نوسان کند. این پدیده که یکی از مهم‌ترین آن‌ها جزرومد K1 است، مدار ماهواره‌ها را اندکی جابه‌جا می‌کند و می‌تواند نتایج آزمایش را مخدوش کند. برای حذف این اثر، پژوهشگران دقیقاً داده‌های مربوط به یک چرخه کامل ۱۰۵۰ روزه را تحلیل کردند تا تأثیر جزرومدها از داده‌های اصلی حذف شود.

آزمایش پژوهشگران یکی از دقیق‌ترین تأییدهای تجربی نظریه اینشتین به شمار می‌رود. دانشمندان امیدوارند روزی بتوانند نظریه نسبیت عام را با مکانیک کوانتومی که رفتار ذرات بسیار ریز را توضیح می‌دهد، در قالب یک نظریه واحد ترکیب کنند. یکی از نظریه‌هایی که برای رسیدن به این هدف پیشنهاد شده، نظریه چرن–سایمونز است که پیش‌بینی می‌کند میزان کشش فضا-زمان باید اندکی با پیش‌بینی نسبیت عام تفاوت داشته باشد.

اندازه‌گیری جدید نشان می‌دهد اگر چنین تفاوتی وجود داشته باشد، بسیار کوچک‌تر از آن است که بسیاری از نسخه‌های این نظریه پیش‌بینی می‌کردند. بنابراین دامنه نظریه‌های جایگزین اکنون محدودتر از گذشته شده است.

آزمایش اخیر فقط به فیزیک بنیادی کمک نمی‌کند. پژوهشگران هنگام حذف اثر جزرومدها، اطلاعات بسیار دقیقی درباره تغییر شکل زمین نیز به دست آوردند. چنین داده‌هایی می‌تواند مدل‌های زمین‌شناسی را بهبود ببخشد و حتی در آینده به مطالعه بهتر جزرومدها، ساختار درونی زمین و شاید تحلیل برخی فرایندهای مرتبط با زمین‌لرزه‌ها نیز کمک کند.

پژوهش در ژورنال Nature منتشر شده است.