گالیله در مدار زمین

دانشمندان با انجام آزمایشی در ایستگاه فضایی تیانگونگ چین، نسخه‌ای اتمی از آزمایش مشهور گالیله درباره سقوط اجسام را اجرا کردند. نتایج نشان می‌دهد دو ابر از اتم‌های با جرم متفاوت، تقریباً با شتاب یکسان سقوط می‌کنند؛ یافته‌ای که بار دیگر یکی از اصول بنیادی نظریه نسبیت عام اینشتین را تأیید می‌کند.

به گزارش سیناپرس، آزمایشی که به گالیله، دانشمند ایتالیایی قرن هفدهم، نسبت داده می‌شود، این بار به مقیاس اتمی منتقل شده و در مدار زمین انجام شده است. در روایت مشهور، هرچند احتمالاً از نظر تاریخی کاملاً مستند نیست، گالیله برای نشان دادن اینکه اجسام با جرم‌های متفاوت با نرخ یکسان سقوط می‌کنند، وزنه‌هایی را از برج کج پیزا رها کرد.

اکنون پژوهشگران نسخه‌ای بسیار کوچک‌تر از این آزمایش را در فضا انجام داده‌اند. آنها دو ابر از اتم‌ها را در ایستگاه فضایی تیانگونگ چین بررسی کردند که هنگام گردش به دور زمین در حالت سقوط آزاد قرار داشتند.

نتایج نشان داد شتاب این دو ابر اتمی تقریباً یکسان است. پژوهشگران نتایج این آزمایش را ۲۸ اوت در نشریه Science Advances گزارش کردند.آزمایش با اتم‌های روبیدیومپژوهشگران شتاب نسبی دو ابر از اتم‌های سرد روبیدیوم را اندازه‌گیری کردند. اتم‌های موجود در این دو ابر جرم‌های متفاوتی داشتند؛ این تفاوت ناشی از تعداد متفاوت نوترون‌ها در هسته اتم‌ها بود.با وجود تفاوت جرم، شتاب دو ابر اتمی با دقت ۰.۰۵ هزارم درصد با یکدیگر مطابقت داشت.

این نتیجه نشان می‌دهد دو روش متفاوت برای تعریف جرم، در این آزمایش معادل یکدیگر عمل می‌کنند. یکی از این مفاهیم، جرم گرانشی است که تعیین می‌کند یک جسم چگونه به کشش گرانش پاسخ دهد. مفهوم دیگر، جرم لختی است که مشخص می‌کند یک جسم در برابر اعمال نیروی مشخص چه میزان شتاب می‌گیرد.اگر جرم گرانشی و جرم لختی معادل باشند، اثر جرم در معادلات حرکت از بین می‌رود و اجسام با جرم‌های متفاوت در خلأ باید با نرخ یکسان سقوط کنند.

این مفهوم به اصل هم‌ارزی ضعیف معروف است و یکی از پایه‌های نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین محسوب می‌شود؛ نظریه‌ای که گرانش را حاصل خمیدگی فضا-زمان توصیف می‌کند.

چرا آزمایش در فضا اهمیت دارد؟

دانشمندان پیش از این نیز اصل هم‌ارزی ضعیف را با رها کردن اجسام مختلف روی زمین آزمایش کرده‌اند؛ از جمله آزمایش‌هایی با استفاده از اتم‌ها.اما آزمایش‌های زمینی یک محدودیت اساسی دارند: اجسام روی زمین فقط می‌توانند مسافت محدودی را سقوط کنند و همین مسئله دقت آزمایش را محدود می‌کند.در مدار زمین، شرایط متفاوت است.

سقوط آزاد می‌تواند عملاً برای مدت بسیار طولانی ادامه داشته باشد و این امکان را فراهم می‌کند که اندازه‌گیری‌های مربوط به حرکت و شتاب با دقت بیشتری انجام شوند.پیش از این نیز آزمایش‌های فضایی با استفاده از استوانه‌های فلزی روی یک ماهواره، اصل هم‌ارزی ضعیف را تأیید کرده بودند.

با این حال، اتم‌ها ویژگی مهمی دارند که اجسام بزرگ‌تر فاقد آن هستند: آنها از قوانین فیزیک کوانتومی پیروی می‌کنند.به همین دلیل، دانشمندان می‌خواهند بدانند آیا اتم‌ها در شرایط گرانشی به شکل متفاوتی رفتار می‌کنند یا خیر.

آزمایش گالیله در قلمرو کوانتومی

آزمایش جدید، اصل هم‌ارزی ضعیف را به قلمرویی وارد می‌کند که در آن قوانین مکانیک کوانتومی نیز اهمیت دارند.در این آزمایش، پژوهشگران رفتار دو ابر اتمی با جرم متفاوت را هنگام سقوط آزاد در مدار مقایسه کردند. یکسان بودن شتاب این دو ابر نشان می‌دهد که تفاوت جرم آنها باعث تفاوت قابل اندازه‌گیری در نرخ سقوطشان نشده است.

این یافته بار دیگر از اصل هم‌ارزی ضعیف پشتیبانی می‌کند؛ اصلی که نقش مهمی در نظریه نسبیت عام دارد.در واقع، پژوهشگران با انتقال آزمایش کلاسیک گالیله به مقیاس اتمی و محیط مدار زمین، امکان آزمودن این اصل را در شرایطی فراهم کرده‌اند که هم گرانش و هم ماهیت کوانتومی اتم‌ها در آزمایش حضور دارند.

مترجم:ندا جوادهراتی