ساعتهای اتمی هنوز بهترین اندازهگیری را از نسبیت زمان دارند
مجله علمی ایلیاد - ساعتهای دقیق ما در جستجوی کلیدی از نظریهی نسبیت انیشتن هستند؛ این ایده که زمان مطلق نیست. هر اختلافی در این اصل، نظریهای را به ما یادآور میسازد که برای مدتی طولانی است به دنبال آن هستیم و ایدههای انیشتن را با مکانیک کوانتوم متحد خواهد کرد.
نسبیت خاص ثابت کرد که قوانین فیزیک برای دو مشاهدهگری که با سرعتی ثابت نسبت به یکدیگر در حال حرکت هستند، یکسان است. تقارنی که تغییرناپذیری لورنتس نامیده میشود. نتیجه این است که آنها ساعتهای یکدیگر را مشاهده خواهند کرد که با سرعتهای متفاوتی حرکت میکنند. هر مشاهدهگر خودش را ساکن و بیحرکت در نظر میگیرد و ساعت مشاهدهگر دیگر را در حالتی میبیند که آهستهتر حرکت میکند، اثری که «اتساع زمان» نامیده میشود.
نسبیت عام انیشتن این اثر را ترکیب میکند. «اگر ساعتها نیروهای گرانشی متفاوتی را تجربه کنند، بهطور متفاوتی حرکت خواهند کرد.» برای دو دهه، مقایسهی ساعتهای اتمی روی ماهوارههای GPS و ساعتهای روی زمین، کمک کرده است تا این اثر را مورد بررسی قرار دهند و همیشه این اثر ثابت بوده است. اما از آنجایی که هر اختلافی از نسبیت بسیار اندک خواهد بود و اندازهگیری آن کار آسانی نیست، ما برای یافتن آن، ابزار قدرتمندتری نیاز داریم.
هنگامی که الکترونها در اتمهای سزیم-۱۳۳ وضعیت انرژی را تغییر میدهند، اکثر ساعتهای اتمی روی تناوب تشعشعات ریزموجهای ساتع شده، تکیه دارند. ساعتهای نسل بعد که از اتمهای استرونسیوم استفاده میکنند، حداقل سه برابر دقیقتر از ساعتهای سزیمی هستند و حتی در طول 15 میلیارد سال به زحمت یک ثانیه عقب یا جلو میافتند. حال، «پاکوم دلوا» و همکارانش در رصدخانهی پاریس به منظور مورد آزمایش قرار دادن اتساع زمان، از ساعتهای استرانسیوم استفاده کردند. دو پیوند فیبر نوری، یکی بین لندن و پاریس و دیگری بین پاریس و براونشوایگ آلمان، استفاده شد تا دستگاههای این مکانها را مقایسه کنند.
به دلیل موقعیت این ساعتها در سطح زمین، آنها با سرعتهای متفاوتی حرکت میکنند و نسبیت پیشبینیهای دقیقی در مورد حد اتساع زمانی که آنها تجربه میکنند، دارد. برای مثال، ساعت نزدیک به خط استوا میبایست آهستهتر از ساعت نزدیک به قطب شمال حرکت کند. پس از یک روز، ساعتها در پاریس و لندن میبایست، تفاوت ۵ نانوثانیهای را نشان دهند. برای مقایسهی آنها، گروهی از لیزرهای متناوب تشعشعات اتمهای استرنسیوم هر ساعت را هماهنگسازی کرد. سپس پرتوها را بالای پیوندهای فیبری نوری فرستادند که به آنها اجازه میداد با اضافه شدن به لیزرها هر تفاوت واضحی در این تناوب را بیایند که نشان دهندهی حرکت سریعتر یک ساعت نسبت به دیگری است.
با اندازهگیریهای انجام شده، این گروه نتیجه گرفت که اگر هیچ اختلافی در تغییرناپذیری لورنتس وجود ندارد، پارامتری به نام آلفا میبایست صفر باشد. آخرین نتایج نشان میدهد که آلفا کمتر از ۸-۱۰ است و دوباره با بهترین حد دقت قبلی که با مطالعهی انتقالهای الکترونیکی یونهای لیتیومی بهدست آمد که با یکسوم سرعت نور حرکت میکنند. یکی از اعضای گروه به نام «جوچن کرونجاگر» از آزمایشگاه فیزیک ملی تدینگتون بریتانیا، اظهار کرد: «انجام این آزمایشها برای مدتزمان طولانیتر، میزان دقت را بهبود خواهد بخشید.»
نتیجهی این آزمایشها تا به حال در مورد نسبیت خوب بوده است؛ اما اگر اختلافی در تغییرناپذیری لورنتس اندازهگیری شود، فیزیکدانان چه واکنشی خواهند داشت؟ «سابین هوسنفلدر» متخصص علوم نظری در مرکز فرانکفورت برای مطالعات پیشرفته در آلمان میگوید: «واکنش فوری این خواهد بود که کسی آن را باور نخواهد کرد.» با این حال اگر اختلافی تایید شود، مفهوم عظیمی خواهد داشت. او میگوید: «کوانتومی کردن گرانش، ماده تاریک و انرژی تاریک سه سوال اساسی برای چیزی هستند که اختلافات تغییرناپذیری لورنتس اشارهای به شدت مهم راجع به طبیعت آن نظریهی اساسی خواهد بود.»
نوشته: آنیل آنانتاسوانی
ترجمه: مینا آذری - مجله علمی ایلیاد