حقوق الصورة: NASA / JPL
عاجلاً أم آجلاً ، سينتهي عهد آينشتاين ، مثل عهد نيوتن قبله. يعتقد معظم العلماء أن حدوث اضطراب في عالم الفيزياء من شأنه أن يطيح بمفاهيمنا عن الواقع الأساسي أمر لا مفر منه ، وفي الوقت الحالي يجري سباق الخيل بين حفنة من النظريات التي تتنافس على أن تكون خليفة العرش.
في الجري هناك مثل هذه الأفكار المنحنية مثل كون 11-الأبعاد ، "الثوابت" العالمية (مثل قوة الجاذبية) التي تختلف عبر المكان والزمان وتبقى ثابتة فقط في البعد الخامس غير المرئي ، سلاسل اهتزازية متناهية الصغر مثل مكونات أساسية للواقع ، ونسيج من المكان والزمان ليس سلسًا ومستمرًا ، كما يعتقد آينشتاين ، ولكنه مقسم إلى قطع منفصلة غير قابلة للتجزئة ذات حجم صغير يتلاشى. ستحدد التجربة في النهاية أي انتصارات.
يتم تطوير مفهوم جديد لتجربة لاختبار تنبؤات النسبية لأينشتاين بشكل أكثر دقة من أي وقت مضى من قبل العلماء في مختبر الدفع النفاث (JPL) التابع لناسا. إن مهمتهم ، التي تستخدم نظامنا الشمسي بشكل فعال كمختبر عملاق ، ستساعد في تضييق مجال نظريات التنافس وتقربنا خطوة واحدة نحو الثورة القادمة في الفيزياء.
بيت منقسم
قد لا يلقي بثقله على عقول معظم الناس ، لكن الانقسام الكبير لطالما ابتلي بفهمنا الأساسي للكون. توجد طريقتان لشرح طبيعة وسلوك المكان والزمان والمادة والطاقة حاليًا: النسبية النسبية لآينشتاين و "النموذج القياسي" لميكانيكا الكم. كلاهما ناجحان للغاية. نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، على سبيل المثال ، لن يكون ممكنًا بدون نظرية النسبية. في غضون ذلك ، تعتبر أجهزة الكمبيوتر والاتصالات والإنترنت منبثقة عن ميكانيكا الكم.
لكن النظريتين تشبهان لغات مختلفة ، ولا أحد يعرف حتى الآن كيفية الترجمة بينهما. تشرح النسبية الجاذبية والحركة من خلال توحيد المكان والزمان في نسيج واقع مرن وديناميكي رباعي الأبعاد يسمى الزمكان ، والذي ينحني ويشوه بواسطة الطاقة التي يحتوي عليها. (الكتلة هي أحد أشكال الطاقة ، لذلك فهي تخلق الجاذبية عن طريق تشويه الزمكان.) من ناحية أخرى ، تفترض ميكانيكا الكم أن الفضاء والزمان يشكلان "مرحلة" مسطحة وغير قابلة للتغيير حيث تتكشف دراما العديد من عائلات الجسيمات . يمكن أن تتحرك هذه الجسيمات إلى الأمام والخلف في الوقت المناسب (وهو أمر لا تسمح به النسبية) ، وتفسر التفاعلات بين هذه الجسيمات القوى الأساسية للطبيعة - باستثناء الجاذبية الصارخة.
لقد استمر الجمود بين هاتين النظريتين لعقود. يفترض معظم العلماء أنه بطريقة ما ، في نهاية المطاف ، سيتم تطوير نظرية موحدة تجمع بين الاثنين ، وتبين كيف يمكن للحقائق التي يحتوي عليها كل منها أن تتناسب تمامًا مع إطار واحد شامل للجميع للواقع. إن مثل هذه "نظرية كل شيء" ستؤثر بعمق على معرفتنا بالولادة والتطور والمصير النهائي للكون.
سلافا توريشيف ، عالم في مختبر الدفع النفاث ، وزملاؤه فكروا في طريقة لاستخدام محطة الفضاء الدولية (ISS) وساتلين صغيرين يدوران على الجانب البعيد من الشمس لاختبار نظرية النسبية بدقة غير مسبوقة. مفهومهم ، الذي تم تطويره جزئيًا من خلال التمويل من مكتب ناسا للأبحاث البيولوجية والفيزيائية ، سيكون حساسًا لدرجة أنه يمكن أن يكشف عن عيوب في نظرية آينشتاين ، وبالتالي توفير أول البيانات الثابتة اللازمة لتمييز أي من النظريات المتنافسة في كل شيء تتوافق مع الواقع و التي هي مجرد عمل طباشيري فاخر.
ستدرس التجربة ، المسماة بالاختبار الفلكي لقياس النسبية بالليزر (LATOR) ، كيف تنحرف جاذبية الشمس عن أشعة ضوء الليزر المنبعثة من السواتل المصغرة. تثني الجاذبية مسار الضوء لأنها تشوه المساحة التي يمر من خلالها الضوء. القياس القياسي لهذا الالتواء في الزمكان عن طريق الجاذبية هو تخيل الفضاء كورقة مسطحة من المطاط تمتد تحت وزن أجسام مثل الشمس. قد يتسبب الاكتئاب في الورقة في مرور جسم (حتى جزيء ضوئي بلا كتلة) بالقرب من الشمس ليتحول قليلاً عند مرورها.
في الواقع ، من خلال قياس انحناء ضوء النجوم بواسطة الشمس خلال كسوف الشمس في عام 1919 ، قام السير آرثر إدينجتون باختبار نظرية النسبية العامة لأينشتاين لأول مرة. من الناحية الكونية ، تكون جاذبية الشمس ضعيفة إلى حد ما ؛ مسار شعاع من الضوء يتخطى حافة الشمس لن ينحني إلا بحوالي 1.75 ثانية قوسية (الثانية قوسية 1/3600 من الدرجة). ضمن حدود دقة معدات القياس الخاصة به ، أظهر إدينجتون أن ضوء النجوم قد انحنى بالفعل بهذا المبلغ - وبهذه الطريقة أعاق نيوتن بشكل فعال.
سيقيس LATOR هذا الانحراف بمليار (109) مرة من دقة تجربة Eddington و 30،000 مرة من دقة حامل الرقم القياسي الحالي: قياس مصادفة باستخدام إشارات من مركبة كاسيني الفضائية في طريقها لاستكشاف زحل.
يقول كليفورد ويل ، أستاذ الفيزياء في جامعة واشنطن الذي قدم مساهمات كبيرة في فيزياء ما بعد نيوتن ولا يشارك بشكل مباشر مع LATOR: "أعتقد أن [LATOR] سيكون تقدمًا مهمًا للغاية للفيزياء الأساسية". "يجب أن نستمر في محاولة الضغط لمزيد من الدقة في اختبار النسبية العامة ، ببساطة لأن أي نوع من الانحراف يعني أن هناك فيزياء جديدة لم نكن على علم بها من قبل."
مختبر الطاقة الشمسية
ستعمل التجربة على هذا النحو: سيتم إطلاق قمرين صناعيين صغيرين ، يبلغ عرض كل منهما حوالي متر واحد ، في مدار يدور حول الشمس على نفس المسافة تقريبًا مع الأرض. يدور هذا الزوج من الأقمار الصناعية المصغرة بشكل أبطأ من الأرض ، لذلك بعد حوالي 17 شهرًا من الإطلاق ، ستكون الأقمار الصناعية المصغرة والأرض على جانبي الشمس المعاكسين. على الرغم من أن القمرين سيكونان على بعد حوالي 5 مليون كيلومتر ، فإن الزاوية بينهما كما تُرى من الأرض ستكون صغيرة ، حوالي درجة واحدة فقط. سيشكل كل من الأقمار الصناعية والأرض معًا مثلثًا نحيفًا ، مع أشعة ليزر على طول جوانبها ، ويمر أحد تلك الحزم بالقرب من الشمس.
تخطط Turyshev لقياس الزاوية بين الأقمار الصناعية باستخدام مقياس التداخل المثبت على محطة الفضاء الدولية. مقياس التداخل هو جهاز يلتقط أشعة الضوء ويجمعها. من خلال قياس كيفية تداخل موجات الضوء من السواتل المصغرة مع بعضها البعض ، يمكن لمقياس التداخل قياس الزاوية بين السواتل بدقة استثنائية: حوالي 10 مليار جزء من القوس الثاني ، أو 0.01؟ عندما تؤخذ في الاعتبار دقة الأجزاء الأخرى من تصميم LATOR ، فإن هذا يعطي دقة شاملة لقياس مقدار الجاذبية الذي ينحني شعاع الليزر بحوالي 0.02؟ كما هو الحال بالنسبة لقياس واحد.
يشرح توريشيف: "إن استخدام محطة الفضاء الدولية يمنحنا بعض المزايا". "من ناحية ، إنها فوق تشوهات الغلاف الجوي للأرض ، وهي أيضًا كبيرة بما يكفي للسماح لنا بوضع عدستين مقياس التداخل بعيدًا (عدسة واحدة على كل نهاية من دعامات الألواح الشمسية) ، مما يحسن دقة ودقة النتائج."
0.02؟ كدقة LATOR جيدة بما يكفي للكشف عن الانحرافات عن النسبية النسبية لآينشتاين التي تنبأت بها نظريات كل شيء الطموحة ، والتي تتراوح من 0.5 إلى 35 تقريبًا كما. سيكون الاتفاق مع قياسات LATOR بمثابة دفعة كبيرة لأي من هذه النظريات. ولكن إذا لم يتم العثور على أي انحراف عن آينشتاين حتى من قبل LATOR ، فإن معظم المتنافسين الحاليين - إلى جانب أبعادهم الـ 11 ، والمساحة المعبدة ، والثوابت غير الثابتة - سيعانون من ضربة قاتلة و "ينتقلون" إلى كومة المكتبة المتربة الكبيرة في السماء .
لأن المهمة تتطلب فقط التقنيات الموجودة ، يقول Turyshev أن LATOR يمكن أن تكون جاهزة للطيران بمجرد عام 2009 أو 2010. لذلك قد لا يستغرق الأمر وقتًا طويلاً قبل أن يتم كسر الجمود في الفيزياء ، وتستغرق نظرية جديدة عن الجاذبية والفضاء والوقت عرش.
المصدر الأصلي: وكالة ناسا / قصة العلوم
