آيا زمين در یک چاله فضا-زمان واقع شده است؟

به زودي جواب را به دست خواهيم آورد: آزمايش فيزيكي مشتركی بين سازمان فضايي آمريكا(ناسا) و دانشگاه استنفورد ، به نام “ گرانش کاو B” (Gravity Probe B)  اخيرا به نخستین نتایج رسیده است. اکنون اولين سال جمع آوري اطلاعات این ماهواره در مدار زمين به پايان رسیده است. نتايج‌، كه تجزيه و تحليل آنها يك سال ديگر طول خواهد كشيد ، شكل انحنای فضا-زمان را در نزديكي زمين مشخص خواهد كرد.

زمان و فضا –بر طبق نظريه نسبيت اينشتين –به يكديگر بافته شده اند و ساختار تار و پودي چهاربعدي به نام فضا-زمان را به وجود آورده اند.جرم قابل توجه زمين ، اين ساختار را به شكل يك گودي در مي آورد.مانند شخص سنگيني كه وسط يك تشك بادي نشسته باشد (هر چند که چنین خمیدگیهای فضا-زمان را اغلب در محیط اطراف اجرام بسیار پر جرم تر و فشرده تری مانند سیاهچاله ها، ستاره های نوترونی، و کوتوله های سفید سراغ داریم اما اگر با دقت کافی محیط اطراف اجرام بسیار کم جرم تری مانند زمین را نیز بررسی کنیم خمیدگی فضا-زمان ناشی از جرم زمین را می توانیم بیابیم). 

بر طبق نظريه نسبيت عام اينشتين ، حركت اجسام در ساختار تار و پودي فضا-زمان صورت مي گيرد. يعني جسم در حال حركت تابع شكل فضا-زماني است كه در آن واقع شده است. بر اساس اين نظريه، گرانش باعث تغيير شكل ساختار فضا-زمان می شود و در نتيجه حركت جسم نيز بر اثر میدان گرانشی تغيير مي كند. مي توان گفت كه به زبان اینشتین گرانش در اصل حركت اجسام در مسير خمیدگی ساختار فضا-زمان در اطراف جسم پرجرم است. یعنی وقتی زمین ر مداری به دور خورشید در گردش است از دید نسبیتی به دلیل انحنای فضا-زمان اطراف خورشید در این مسیر هدایت می شود.

اگر زمين ثابت بود، ضرورتي براي انجام اين كاوش نبود، ولي از آنجا كه زمين به دور خود حركت دوراني دارد ، اين خمیدگی نيز بايد همراه با زمين بچرخد.زمين با پیچ و تاب دادن ساختار فضا-زمان به دور خود به آرامي آن را به صورت يك ساختار چرخشي ۴ بعدي در مي آورد.اين همان چيزي است كه ماهواره گرانش کاو یا GP-B  براي آزمايش آن به فضا فرستاده شده است.

اين آزمايش براساس فكر بسيار ساده اي انجام مي شود: يك ژيروسكوپ (گردش نما) در حال چرخش در مداري در نزديكي زمين قرار مي دهند ، در حالي كه محور چرخش آن به سمت يك ستاره بسيار دور -در نقش يك مرجع ثابت و بدون حركت- نشانه رفته است. بدون وجود نيروهاي خارجي، محور ژيروسكوپ بايد تا ابد به سمت همان ستاره ثابت بماند.ولي چون فضا-زمان در نزديكي زمين خميده است، جهت محور ژيروسكوپ به مرور زمان تغيير مي كند.با اندازه گيري بسیار دقیق تغييرات جهت محور ژيروسكوپ نسبت به ستاره، مي توان ميزان خميدگي فضا-زمان را در نزديكي زمين اندازه گرفت.

اما در عمل این آزمايش بسيار دشوار است: ۴ ژيروسكوپي كه درGP-B  كار گذاشته شده اند، كامل ترين كره هايي هستند كه تا به حال به دست بشر ساخته شده اند.اين كره ها كه هر کدام به اندازه يک توپ پينگ پونگ اند (به قطر حدود ۴ سانتی متر)، از جنس سيليكون و كوارتز هستند. هيچ گاه اختلاف آنها با يك كره كامل بيش از ۴۰ لايه اتمي نيست. اگر ژيروسكوپ ها كاملا كروي نبودند، محور چرخش آنها حتي بدون اثرات نسبيتي ‌، حركت مي كرد.

بر طبق محاسبات فضا-زمان انحنا پيدا كرده در نزديكي زمين باعث مي شود تا محور ژيروسكوپ در طول يك سال به اندازه ي ۰.۰۴۱ ثانيه قوس جابه جا شود. يك ثانيه قوس ۳۶۰۰/۱ يك درجه است. براي اندازه گيري دقيق اين زاويه، GP-B  به دقت سنجش فوق العاده ۰.۰۰۰۵ ثانيه قوس نياز دارد.اين عمل مانند آن است كه بخواهيم قطر يك ورق كاغذ را از فاصله ي ۱۵۰ کیلومتری اندازه بگيريم.
 

محققان GP-B  فناوري هاي كاملا جديدي را براي اين اندازه گيري اختراع كرده اند. آنان ماهواره گرانش کاو را کاملا “بدون لرزش” ساخته اند تا در هنگام حركت ماهواره در لايه هاي بالايي جو به ژيروسكوپ ها لرزشي وارد نشود. آنها دريافتند كه چگونه از نفوذ ميدان مغناطيسي زمين به داخل فضاپيما جلوگيري كنند و همچنين دستگاهي را براي اندازه گيري چرخش ژيروسكوپ ، بدون تماس با آن، اختراع كردند.

فرانسيس اوريت ، استاد فيزيك دانشگاه استنفورد و محقق اصلي پروژه GP-B  مي گويد: “در جريان انجام آزمايش هيچ حادثه غافلگير كننده اي اتفاق نيفتاده است.” اكنون كه مرحله جمع آوري اطلاعات پايان يافته است ، او مي گويد : “دانشمندان GP-B  با اشتياق و علاقه بيشتري به كار خود ادامه مي دهند و كار سخت پيش روي خود را ناديده نمي گيرند.”

در مرحله بعدي آنها بايد اطلاعات گرفته شده را به طور دقيق و كامل بررسي كنند.اوريت توضيح مي دهد كه دانشمندان GP-B اين كار را در سه مرحله انجام مي دهند: در مرحله اول آنان اطلاعات را به صورت روز به روز بررسي مي كنند تا بي نظمي هاي موجود در آنها را بيابند. سپس اطلاعات را به صورت ماه به ماه در مي آورند و در نهايت آنها را به صورت يك مجموعه كامل به دست آمده در طول يك سال، تحليل مي كنند. بدين ترتيب دانشمندان ايرادات موجود در اطلاعات را ، كه از طريق يك روش تجزيه و تحليل ساده نمي توان پيدا كرد، مي يابند.

نهايتا دانشمندان از سراسر دنيا نتايج را به دقت بررسي مي كنند.اوريت مي گويد: “بدين طريق به سخت ترين منتقدان، اجازه شركت در اين پروژه داده مي شود.” اگر GP-B  بتواند به طور دقيق چاله فضا-زمانی را كه انتظار مي رود مشخص كند، بدين معني است كه بر اساس باور عمومی فیزیکدانان نظريه اينشتين حقيقت داشته است ولي اگر اين گونه نشود، چه اتفاقي رخ خواهد داد؟ شايد ايرادي در نظريه نسبيت عام اينشتين يافته شود. اختلاف كوچكي كه ظهور انقلابي بزرگ را در فيزيك عصر جديد اعلام خواهد كرد.