دقیق‌ترین آزمایش نسبیت عام اینشتین تأیید می‌کند که پر و چکش واقعاً با شتاب یکسان سقوط می‌کنند

دانشمندان نشان داده‌اند نسبیت عام آلبرت اینشتین با دقت بیشتر از آنچه که فکرش را می‌کردیم نظریه‌ای صحیح است. اینشتین نسبیت عام را نخستین‌بار در سال ۱۹۱۵، یعنی بیش از یک قرن پیش مطرح کرد. این نظریه‌ی علمی مباحث مختلفی را پوشش می‌دهد و در دهه‌های اخیر بارها خبرساز شده است.

به گزارش ساینس‌آلرت، دانشمندان سراغ بخش مهمی از نظریه‌ی نسبیت عام به نام «اصل هم‌ارزی ضعیف» رفتند تا صحت آن را مورد بررسی قرار دهند. اصل هم‌ارزی ضعیف می‌گوید در شرایطی که تداخل عواملی مثل فشار هوا نادیده گرفته شود، تمامی اجسام صرف‌نظر از جرم یا ترکیباتشان به شیوه‌ای مشابه در یک میدان گرانشیِ به‌خصوص سقوط می‌کنند.

دانشمندان برای بررسی صحت اصل هم‌ارزی ضعیف، ازطریق ماهواره‌‌ی فرانسوی ویژه‌ای به نام MICROSCOPE که در سال ۲۰۱۶ پرتاب شد، شتاب دو جسمی را که در مدار زمین در حال سقوط آزاد بودند اندازه‌گیری کردند. نتایج مبتنی‌بر داده‌هایی که در پنج ماه جمع‌آوری شد نشان داد تفاوت بین شتاب دو جسم بسیار کمتر از حد تصور است.

یکی از معروف‌ترین آزمایش‌های اصل هم‌ارزی ضعیف در طول ماه‌پیمایی مأموریت آپولو ۱۵ اتفاق افتاد. دیوید اسکات، فضانورد ناسا، در سال ۱۹۷۱ درحالی‌که روی سطح ماه ایستاده بود یک پر و یک چکش را هم‌زمان از ارتفاع مشابه رها کرد. بدون وجود مقاومت هوا، هر دوی آن‌ها با شتابی ثابت روی سطح ماه سقوط کردند.

به شیوه‌ای مشابه، مایکروسکوپ اجرامی آزمایشی برای سقوط آزاد حمل می‌کرد که از آلیاژ پلاتین و تیتانیوم ساخته شده بودند. نیروهای الکترواستاتیک باعث می‌شدند اجرام آزمایشی نسبت به یکدیگر در موقعیت نسبی یکسانی باشند. بنابراین هرگونه تغییر در نیروهای الکترواستاتیکِ اعمال‌شده باید نتیجه‌ی انحراف شتاب اجرام باشد.

پروژه‌ی مایکروسکوپ به روش سخت‌گیرانه‌تری نسبت‌به آزمایش دیوید اسکات سراغ بررسی صحت نظریه‌ی اینشتین رفت. در این آزمون، یک ماهواره از سال ۲۰۱۶ تا سال ۲۰۱۸ (زمان غیرفعال‌سازی) مشغول گردش به دور زمین بود. در این بازه‌ی زمانی دو ساله، دانشمندان آزمایش‌های مختلفی را انجام دادند و به مجموعا پنج ماه داده دسترسی پیدا کردند. در دو سوم از این آزمایش‌ها، دو جسمی که سقوط آزاد انجام دادند دارای ترکیبات متفاوتی بودند. بااین‌حال در یک‌سوم باقی‌مانده، هر دو جسم به هم شباهت داشتند و از آلیاژ پلاتین ساخته شده بودند.

نتایج مطالعه‌ی اخیر که نقطه‌ی اوج ۲۰ سال تحقیق است نشان داد تفاوت شتاب دو جسم در سقوط آزاد به میزان تنها یک در ۱۰^۱۵ یا ۰٫۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۱ بود. به بیانی بهتر، دانشمندان در هیچ مقیاسی فراتر از این عدد شاهد نقض اصل هم‌ارزی ضعیف نبودند. این نخستین بار در تاریخ است که دقت اصل هم‌ارزی ضعیف تا این مقیاس سنجیده می‌شود. بدین ترتیب دانشمندان می‌توانند بیشتر از هر زمان دیگری به دقت نظریه‌ی نسبیت عام باور داشته باشند و بر این نظریه تکیه کنند. احتمالاً به‌این‌زودی‌ها شاهد بررسی این اصل در مقیاس دقیق‌تر نخواهیم بود.

نتایج اولیه که در سال ۲۰۱۷ منتشر شد بسیار امیدبخش بود و نشان می‌داد هیچ نکته‌ی غیر دقیقی در اصل هم‌ارزی ضعیف دیده نمی‌شود. بااین‌حال در آن زمان ماهواره همچنان مشغول فعالیت بود و داده جمع‌آوری می‌کرد. داده‌های بیشتر نشان دادند یافته‌های اولیه دقیق‌اند.

مقاله‌های مرتبط:�

• گذری بر فیزیک کوانتوم؛ نظریه نسبیت اینشتین چیست؟
• نظریه‌های اینشتین چگونه جهان را تغییر دادند؟

آنچه دانشمندان اعلام کرده‌اند، دستاوردی پر اهمیت است؛ خصوصاً با در نظر گرفتن این حقیقت که ماهواره‌ی مایکروسکوپ تا پیش از پرتاب شدن به مدار زمین و قرارگیری در وضعیت ریزگرانش، نمی‌توانست چنین آزمونی انجام دهد. حال که پروژه‌ی مایکروسکوپ به اتمام رسیده، دانشمندان می‌توانند از نتایج آن برای طراحی آزمون سختگیرانه‌تری استفاده کنند.

آزمون‌های این چنینی به بررسی محدودیت‌های نسبیت عام کمک شایانی می‌کنند؛ نظریه‌ای که گرانش را در فضا-زمان فیزیکی توصیف می‌کند. بااین‌حال، در مقیاس اتمی و زیر اتمی، نسبیت عام درهم‌می‌شکند و مکانیک کوانتومی قدرت را به‌دست می‌گیرد. دانشمندان از مدت‌ها پیش در تلاش بوده‌اند تا اختلافات بین این دو را حل کنند. تشخیص دقیق محل شکست نسبیت عام می‌تواند یکی از راه‌های انجام آن باشد.

به‌لطف مطالعه‌ی جدید می‌دانیم اصل هم‌ارزی ضعیف در نسبیت عام تا مقیاس یک در ۱۰^۱۵ همچنان برقرار است. با پیشرفته‌تر کردن ماهواره می‌توان دقت را تا حد یک در ۱۰^۱۷ افزایش داد. بااین‌حال ساخت چنین ماهواره‌ای به زمان نیاز دارد. مانوئل رودریگز، مهندس فیزیک از مرکز ملی تحقیقات هوافضای فرانسه می‌گوید: «دست‌کم به مدت یک یا شاید دو دهه، شاهد هیچ پیشرفتی در آزمایش با ماهواره نخواهیم بود.»

نتایج این مطالعه در مجله‌های علمی Physical Review Letters و Classical and Quantum Gravity منتشر شده است.