تایید مجدد نظریه‌ی نسبیت عام اینیشتین

تایید مجدد نظریه‌ی نسبیت عام اینیشتین

دانشمندان با مطالعه مجدد، نظریه‌ی نسبیت عام اینیشتین را مورد تایید دوباره قرار دادند. برای این کار، آن‌ها مقدار تغییر جهت هر یک از مدارهای بیضوی سیارات در طول زمان را مورد بررسی قرار دادند. نظریه‌ی نسبیت عام آلبرت اینیشتین بار دیگر اثبات شده است و این بار فیزیکدانان با دقت و تاکید هر چه بیشتر بر درست بودن آن صحه گذاشتند. احتمال بروز هرگونه خطا در این نظریه به قدری کم است که آن‌ها مایل شدند محاسبات خود را از مقیاس یک  در ۱۰ هزار به مقیاس یک در ۱۰۰ هزار تغییر دهند.

بعد از گذشت سال‌ها، آزمایش‌های تجربی هم صحت نظریه‌ی نسبیت عام اینیشتین را مورد تایید قرار داده‌اند. نظریه‌ای که در سرعت‌های بالا و جرم‌های زیاد به بحث در مورد رفتار اجسام  می‌پردازد. در این مطالعه‌ی جدید، فیزیک‌دان‌ها به بررسی مجموعه‌‌ای از اطلاعات در مورد مدارهای ستارکی پرداختند تا بتوانند انحراف‌های زاویه‌ای را شناسایی کنند که با هیچ یک از نظریه‌های گرانش آیزاک نیوتون و یا نظریه‌ی نسبیت عام اینیشتین قابل توجیه نباشد. در نظریه‌ی گرانش نیوتون، گرانش به عنوان نیرویی بین اجسام تعریف می‌شود که مقدارش وابسته به مقدار جرم اجسام است. نظریه‌ی نسبیت عام اینیشتین می‌گوید که گرانش خود حاصل از اثر پوشش فضا و زمان بر روی جسم است. در انتهای بررسی‌ها، این قانون نسبیت عام اینیشتین است که سربلند بیرون می‌آید و به قوت خود باقی می‌ماند.

آیا نیروی گرانش در حال زیاد شدن است؟

در آزمایش جدید، یک تیم بین‌المللی از دانشمندان به رهبری آئورلین هیز (Aurelien Hees) انتخاب شدند که به عنوان یک ریاضی‌دان در دانشگاه رودس (Rhodes) آفریقای جنوبی کار می‌کند. این تیم برای یافتن تخطی‌های احتمالی رخ داده از قانون هموردایی لورانتز تحقیقاتی را به انجام رساندند. قانون هموردایی لورانتز به عنوان اساس نظریه‌های نسبیت عام و خاص مطرح است.

بر اساس این قانون، قوانین فیزیکی فارغ از مقدار سرعت یا جهت گیری شما در فضا همواره کرد یکسانی دارند. به عنوان مثال، گفته می شود که یک فضانورد که درون موشکی با سرعت ثابت و یک مسیر مشخص در فضا در حال حرکت است با کسی که در اتاقش روی کره‌ی زمین نشسته است در صورت انجام آزمایشات یکسان، هردویشان نتایج یکسانی مشاهده خواهد کرد. همچنان می‌توان گفت بدون نگاه کردن به بیرون، فضانورد از پیمودن مسیر خروج از اتمسفر تا فضای بیرون را هم به صورت یکسانی با یک فرد روی زمین تجربه خواهد کرد. البته به شرطی که سرعت ثابت و نوسان‌های هوایی وجود نداشته باشد. این اتفاقی است که درون هواپیما هم می‌افتد. یعنی بدون اینکه شما از پنجره بیرون را نگاه کنید و در صورت نبودن لرزش‌ها و نوسانات حاصل از موتورها واقعا نمی‌توانید حدس بزنید که در کجا هستید و یا به کدام سمت حرکت می‌کنید.

یکی از نتایج حاصل از قانون هموردایی لورانتز این است که گرانش دارای یک مسیر خاص به عنوان مسیر اصلی نیست. اگر شما یک موشک را از روسیه به سمت فضا پرتاب کنید، گرانش زمین موشک را با همان شکلی به زمین خواهد کشید که اگر از امریکا، قطب شما یا قطب جنوب پرتاب می‌کردید. این امر به تفاوت های ناشی از شکل کره‌ی زمین اشاره نمی‌کند و فقط طرز کار نیروی گرانش را آشکار می سازد. نیروی گرانش همواره در جهت مرکز جرم اعمال می شود. مدارهای ستارکی می‌توانند برای انجام هر گونه آزمایش تخطی از قانون هموردایی لوانتز استفاده شوند. در حال حاضر، محاسبات مدارها را با استفاده از قانون نیوتون انجام داده و سپس با در نظر گرفتن اثر نسبیت عام تصحیح‌هایی انجام می‌شود. در صورت تخطی از قانون هموردایی لورانتز مدارها با همدیگر متفاوت بوده و این اختلاف زاویه قابل اندازه‌گیری خواهد بود.

با این حال همان مدارها برای اثبات درستی نظریه‌ی نسبیت عام به کار گرفته شدند. در سال ۱۸۵۹ ستاره‌شناسان به این نکته پی بردند که جهت‌گیری مدار مشتری در طول زمان تغییر می‌کند. (این پدیده را precession یا انحراف محور می‌نامند).

همه‌ی سیاره‌ها در مدارهایی غیر دایروی و تقریبا بیضی‌شکل به دور زمین خورشید گردش می کنند و محور بلندتر بیضی به آرامی می‌چرخد. درست مثل اینکه سیارات هم‌دیگر را می‌کشند. اما در این میان مسئله‌ این بود که مدار مشتری سریع‌تر از آن مقداری که با معادلات نیوتون پیش‌بینی شده بود انحراف پیدا می‌کرد. این موضوع حتی وقتی که اثرات کششی ناشی از همه‌ی سیارات منظومه‌ی شمسی را در نظر گرفتند، باز هم قابل توجیه نبود. با اینکه مقدار اختلاف بسیار کوچک بود و در حد یک صدم درجه در هر قرن اختلاف وجود داشت، ولی به هر حال وجود داشت و باید توجیه می‌شد.

در همان دوره، بعضی از دانشمندان پیش‌بینی کردند که شاید سیاره‌ی دیگر هم روی مدار مشتری وجود داشته باشد و این سیاره را با اسم غیر رسمی Volcan نامگذاری کردند. اما در ادامه هیچ کس موفق به کشف سیاره‌ی Volcan گفته شده نشده و در نتیجه مشخص بود که یک جای کار می‌لنگد. در سال ۱۹۱۵ اینیشتین بدون نیاز به در نظر گرفتن سیاره‌ی فرضی بر روی مدار مشتری، مسئله را حل کرد. قانون نسبیت عام قادر بود تفاوت کوچک مشاهده شده در محاسبات انجام شده با معادلات نیوتون را توجیه کند.

شکل مدارهای ستارکی

برای بررسی تخطی از قانون هموردایی لورانتز، گروه هیز داده‌ها و تحلیل‌های به دست آمده از سال‌ها تحقیق در مورد فواصل بین سیارات و ماه که توسط کاوشگر‌های فضایی، مشاهدات زمینی و آزمایشات فاصله‌سنجی لیزری را مورد استفاده قرار داد. داده‌ی آزمایشات فاصله‌سنجی لیزری از INPOP به دست آمدند. موضوع جالب توجه این بود که چگونه مدارهای بیضوی سیارات در طول زمان منحرف می شوند.

مدارهای دور خورشید (یا گردش ماه به دور زمین) همگی به اندازه‌ی کمی نسبت به مدار زمین منحرف می‌شوند. نقاطی که در آن سیاره با مدار زمین به صورت جنوب به شمال تلاقی می‌کند را نقطه‌ی اعتدالین صعودی مورد بررسی قرار دادند. این زاویه به اندازه‌ی کوچکی تغییر می‌کند و دلیل آن هم اثری همانند کشیده شدن یک سیاره توسط گرانش سیاره‌های دیگر است.

این پدیده همان اتفاقی بود که وجود ناهماهنگی در مدار مشتری را در قرن نوزدهم آشکار ساخت و در ادامه‌ی آن بسیاری از دانشمندان موفق به مشاهده‌ی اثرات به مراتب کوچکتری از تاثیر نسبیت عام بر روی سیارات دیگری همچون زهره، مریخ، عطارد، زحل و حتی زمین شدند. اکنون دانشمندان می‌توانند با استفاده از نسبیت عام تصحیحات کوچکی را بر روی محاسبات نیوتونی اعمال کنند.

برای سنجش تفاوت بین پیش‌بینی‌های اخیر در مورد نسبیت عام با مشاهدات حقیقی، فیزیک‌دان از اعدادی موسوم به بسط مدل استاندارد یا SME) Standard Model Extension) استفاده می‌کنند. این اعداد باید در صورت احتساب هم‌زمان نسبیت و قوانین نیوتون در حرکت سیارات صفر شوند.

اعداد SME الزاما صفر نبودند، اگرچه مقدار آن در عمل بسیار کوچک بود و در بازه‌ای بین ^۹-۱۰ (یک در میلیارد) تا ^۱۲-۱۰ (یک در تریلیون) قرار داشتند. این امر بدین معنی است که این نتایج به اندازه‌ی یک در ده هزار تا یک در صد هزار با نسبیت عام سازگاری دارند. مسئله‌ی مهمی که مورد توجه هیز واقع شد و وی به آن اشاره داشت این است که این بازه به شما می‌گوید که محدوده‌های موجود در فیزیک نظری جدید تا کجاها هستند. او در این مورد گفت که ما واقعا نمی‌دانیم  دلیل این انحراف‌های خیلی کوچک چیست و کجا رخ می‌دهد. او همچنان اشاره کرد که در عمل باید از این محدوه ها هم کوچک‌تر باشد.

فیزیک جدید

شاید به نظر برسد که اثبات مجدد یک آزمایش که بارها و بارها صحت آن مورد تایید قرار گرفته است کار بیهوده‌ای باشد. با این وجود، این آزمایش‌ها برای دستیابی به تئوری‌های جدیدتری که به عقیده‌ی دانشمندان مسلما ورای قوانین نیوتون و قوانین نسبیت قرار دارند مفید خواهد بود. پائول ام. ساتر (Paul M. Sutter) متخصص فیزیک نجومی در دانشگاه ایالتی اوهایو می‌گوید:

آن‌ها اطلاعات ده‌ها سال حرکت مداری را بازبینی کرده‌اند تا دلایل انحراف از قانون لورانتز را (که سنگ بنای نسبیت عام و خاص است.) بیابند و به یک مدل استاندارد از ذرات فیزیک دست یابند.

ساتر با این گروه و کار تحقیقاتی ارتباطی نداشته است. وی همچنین در ادامه گفت:

اگر کسی دلیل مستدل برای این مقدار اختلاف بیابد بدون شک شایسته‌ی جایزه‌ی نوبل خواهد بود.