لقد تنبأ أينشتاين بأن الفضاء منحني. الآن سيكون من الممكن قياسه
أوريل بريزون
الرابط المباشر لهذه الصفحة: https://www.hayadan.org.il/gravityprobeb.html
العلماء الأمريكيون على وشك إطلاق قمر صناعي للأبحاث إلى الفضاء من شأنه أن يؤكد نظرية النسبية العامة لأينشتاين. معادلات النسبية العامة هي أساس التفسير العلمي لحركة النجوم والمجرات وتكوين الكون.
وفقا لنظرية أينشتاين، فإن الفضاء نفسه ينحني بالقرب من الأجسام الكبيرة (مثل الأرض). وسيحاول القمر الصناعي - Gravity Probe B - قياس انحناء الفضاء، والذي يتجلى في وجود نوع من "الحفرة" المكانية حول الأرض. ولقياس التغيرات المكانية، تم تركيب أجهزة استشعار فريدة على القمر الصناعي، قادرة على إجراء قياسات بدقة غير مسبوقة. ويأتي إطلاق القمر الصناعي تتويجا لمشروع علمي وتكنولوجي ضخم يعتمد على أربعة عقود من البحث والتطوير.
تفسير جديد للجاذبية
في عام 1905، نشر ألبرت أينشتاين، الذي كان آنذاك كاتبًا في مكتب براءات الاختراع في برن، مقالًا أحدث ثورة في عالم الفيزياء. في مثل هذا اليوم، وُلدت ما أصبح يعرف فيما بعد بالنسبية الخاصة. وقد بحث أينشتاين في المشاكل التي نشأت من التجارب السابقة التي تم فيها اختبار سرعة الضوء. وأظهرت هذه التجارب أنه على عكس ما يحدث في الحركة العادية، فإن سرعة الضوء لا تتغير بالنسبة لحركة الراصد. إذا كان شخص يقود سيارة بسرعة 20 كم/ساعة وكان هناك شخص آخر يقود أمامه في سيارة بسرعة 10 كم/ساعة، فإنهما يتحركان تجاه بعضهما البعض بسرعة نسبية 30 كم/ساعة. ح. أشعة الضوء لا تتصرف بهذه الطريقة. الضوء يتحرك بسرعة أينشتاين.
حوالي مليار كيلومتر في الساعة، لا نسبة إلى سرعة المشاهد. وقد فشلت المحاولات المختلفة لتفسير هذه الظاهرة حتى اقترح أينشتاين تغيير الافتراضات الأساسية للفيزياء. وادعى أن سرعة الضوء ثابتة وأنه من المستحيل أن يتحرك بسرعة أكبر. ومن ناحية أخرى، فإن الكميات الأخرى مثل الطول والكتلة وحتى الزمن نفسه، والتي تعتبر ثابتة، هي التي تتغير أثناء الحركة.
السرعة ثابتة، والزمن متغير
وبسرعات تقترب من سرعة الضوء تحدث ظواهر غريبة. الطاقة المستثمرة في التسارع ستؤدي إلى زيادة في كتلة الجسم المتحرك. يمكنك أن تتخيل سيارة تتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء. في مثل هذه الظروف فإن الضغط على دواسة البنزين في السيارة لن يؤدي إلى زيادة في السرعة بل إلى زيادة في كتلة السيارة. بالنسبة للمشاهد من جانب الطريق، ستبدو السيارة أكثر آسيوية، وستبدو الحركات داخلها بطيئة بالنسبة له - فالوقت في السيارة سيتحرك بوتيرة أبطأ مما يراه المشاهد.
على الرغم من أن استنتاجات أينشتاين تبدو غير محتملة، إلا أن الظواهر التي تنبأت بها النسبية الخاصة قد تم قياسها في العديد من التجارب. ففي مسرعات الجسيمات، على سبيل المثال، تم قياس الزيادة في كتلة الجسيمات نتيجة حركتها السريعة بالإضافة إلى التغير في المعدل الزمني (من خلال الكشف عن انحراف في زمن نصف عمر الجسيمات). معادلة أينشتاين الشهيرة E=mc2 مستمدة مباشرة من النسبية الخاصة وتشكل أساس عمل مفاعلات الطاقة النووية والقنابل الذرية.
في عام 1915، بعد قضاء حوالي عقد من الزمن في توسيع النظرية النسبية الخاصة، نشر أينشتاين المقالة التأسيسية للنظرية النسبية العامة. في النسبية العامة، يطبق أينشتاين الرؤى الجديدة حول طبيعة المكان والزمان (اللذان تم توحيدهما في عامل يعرف باسم الزمكان) في إطار أوسع. اقترح أينشتاين تفسيرًا جديدًا للجاذبية، القوة المركزية في وصف سلوك الكون.
وبحسب النظرية النسبية العامة، فإن الأجسام لا تنجذب إلى بعضها البعض بفعل قوة تنشأ من كل جسم له كتلة (كما يعتقد نيوتن)، بل تتحرك في فضاء منحني. ويمكن توضيح الفكرة من خلال الصورة التالية: لنفترض أن كرة معدنية ثقيلة تستقر على مرتبة ناعمة. تخلق الكرة نوعًا من الثقب في المرتبة. تحاكي الحفرة المنخفض الذي أحدثته الأجسام الضخمة في الفضاء. قطعة رخامية صغيرة تتحرك على المرتبة في خط مستقيم باتجاه الكرة سوف "تسقط" عليها. سوف تقوم بتسريع سقوطها كلما اقتربت من الكرة لأن جوانب الحفرة ستكون أكثر انحدارًا. بالنسبة لشخص لا يستطيع رؤية الحصيرة (لنفترض أنها شفافة) ستبدو كما لو أن قطعة الرخام الصغيرة يتم سحبها نحو الكرة بواسطة قوة ما تؤدي إلى تسريع حركتها. وبالمثل، فإن الأجسام التي تسقط على الأرض تتحرك في الواقع في نوع من الحفرة المكانية؛ يتم تحديد حركتها من خلال انحناء الفضاء الذي ليس "مسطحًا" ولكنه منحني حول الأجسام الضخمة.
على مر السنين، تم العثور على العديد من الأدلة على النظرية النسبية الخاصة. من ناحية أخرى، من الصعب جدًا تأكيد معادلات النسبية العامة. تجارب هامة، منها قياس التغير في مواقع النجوم أثناء كسوف الشمس وقياس التغير الطفيف في مدار كوكب عطارد الأقرب إلى الشمس وجاذبيته جيدا، تناولت جوانب محدودة من النسبية العامة ولذلك لم يرضي العلماء.
انحراف قدره 1.8 ألف من الدرجة
في عام 1959، اقترح ليونارد شيف، عالم الفيزياء من جامعة ستانفورد، تجربة من شأنها أن تجعل من الممكن قياس انحناء الفضاء حول الأرض بشكل مباشر. واقترح شيف استخدام الجيروسكوب، وهو مكون ميكانيكي موجود في أجهزة الملاحة المختلفة وله كتلة مركزية تدور بسرعة وتحافظ على اتجاه محور الدوران بدقة كبيرة. وكانت الفكرة هي قياس انحناء الزمكان عن طريق قياس الانحراف في محور حركة الجيروسكوب بدقة كبيرة. وزعم شيف أن اتجاه محور حركة الجيروسكوب سيتغير تبعا لانحناء الفضاء المحيط به، ويمكن قياس الانحراف عن طريق مقارنته بنقطة بعيدة لا تتأثر بانحناء الفضاء المحلي .
اقترح شيف إرسال قمر صناعي مزود بجيروسكوب إلى مدار حول الأرض وقياس الانحراف الزاوي الذي قد يحدث في محور حركته بعد عام. لقد قام بالحساب ووجد أنه في مدار على ارتفاع 640 كيلومترًا فوق إسرائيل، يجب أن يحدث انحراف يبلغ حوالي 1.8 جزء من الألف من الدرجة على مدار عام. بالإضافة إلى ذلك، حسب شيف أنه يجب إنشاء انحراف آخر، أصغر بمائة مرة، على المحور المتعامد مع محور الانحراف الأول. أما الانحراف الثاني فسيكون بسبب ظاهرة تعرف باسم "سحب الإطار". يحدث السحب المكاني بسبب حركة الأرض حول محورها. الحركة "تسحب" الفضاء بالقرب من الأرض وتخلق نوعًا من الدوامة المكانية. سيُعتبر قياس السحب الفضائي بمثابة دفعة كبيرة بشكل خاص للنظرية النسبية العامة لأنها ظاهرة فريدة جدًا للنظرية.
بعد اقتراح التجربة، أدرك شيف أن التكنولوجيا في عام 1959 لم تسمح بإجراءها. لاحقًا، في عام 1976، أطلق علماء من وكالة الفضاء الأمريكية القمر الصناعي البحثي Gravity Probe A. وكان الغرض منه قياس التغير في معدل الوقت في نقاط مختلفة في مجال الجاذبية الأرضية (التغير في الوقت المصاحب لانحناء الفضاء ، وهو تأثير تنبأت به النسبية العامة). وبقي القمر الصناعي، الذي تم تركيب ساعة ذرية دقيقة فيه، في الفضاء لمدة 115 دقيقة فقط، ووصل خلال تلك الفترة إلى ارتفاع حوالي عشرة آلاف كيلومتر. عند الابتعاد عن مركز مجال جاذبية الأرض، تم قياس التغيرات في معدل الوقت ووجد أنها متوافقة مع التوقعات. لكن العلماء لم يكتفوا بذلك واستهدفوا إجراء قياس مباشر لانحناء الفضاء.
وفي عام 1980، أجرت وكالة ناسا مراجعة متجددة للاستعداد التكنولوجي لتنفيذ تجربة شيف، وتقرر البدء بالمشروع. وبعد سنوات من دراسة ورفض البدائل المختلفة، تم اتخاذ القرار بشأن هيكل القمر الصناعي. مكوناته المهمة هي أربعة جيروسكوبات حساسة وتلسكوب ذو دقة عالية. وتقرر أن يدور القمر الصناعي بالفعل حول الأرض على ارتفاع 640 كيلومترا، وتم تحديد مدة المهمة لمدة عامين.
سيستهدف تلسكوب القمر الصناعي النجم المرشد - IM Pegasi في كوكبة Pegasus. سيكون النجم بمثابة نقطة مرجعية خارجية، وبالتالي سيحافظ القمر الصناعي على اتجاهه الدقيق طوال مدة المهمة. في بداية التجربة سيكون محور دوران الجيروسكوبات موازيا لمحور التلسكوب وجسم القمر الصناعي. وبعد عام سيتم قياس فرق الزاوية بين محوري حركة التلسكوب وجسم القمر الصناعي ومحور حركة الجيروسكوب. يجب أن يشير الانحراف المراد قياسه إلى انحناء الفضاء.
يشبه مسبار الجاذبية B جرة معدنية ويبلغ طوله 2.74 مترًا. سيتم ملء جسم القمر الصناعي بحوالي 2,500 لتر من الهيليوم السائل، والذي يتم الاحتفاظ به عند درجة حرارة ثابتة تبلغ 1.8 درجة فوق الصفر المطلق (ناقص 273.15 درجة مئوية). يعد الحفاظ على درجة الحرارة منخفضة أمرًا ضروريًا لتشغيل أجهزة الاستشعار الموجودة في مركز القمر الصناعي، ويجب أن يمنع نظام معقد من العوازل والمرشحات تغير درجة الحرارة عندما يتعرض القمر الصناعي لأشعة الشمس أثناء حركته حول الأرض.
ولضمان إجراء قياسات دقيقة، فإن الأسطح داخل التلسكوب والكرات الدوارة في الجيروسكوبات مصنوعة من الكوارتز النقي. اختار العلماء استخدام المواد التي تم استخراجها في البرازيل، في منجم معروف باحتوائه على كوارتز عالي الجودة. وبعد تكرير المادة في المختبرات في ألمانيا، تم الحصول على الكوارتز بدرجة نقية لدرجة أن المنظمة الدولية للمعايير (ISO) قررت تغيير التعريفات المتعلقة بنقاء المواد وتوحيدها. وسيتم قياس الانحراف الزاوي داخل الجيروسكوبات بواسطة أجهزة استشعار شديدة الحساسية، وستسمح درجة الحرارة المنخفضة في جسم القمر الصناعي لهذه المستشعرات بالإبلاغ عن التغيرات الزاوية التي تصل إلى جزء من عشرة ملايين من الدرجة الواحدة.
ويعد Gravity Probe B، الذي تبلغ تكلفته حوالي 650 مليون دولار، مشروعًا مشتركًا بين وكالة ناسا وجامعة ستانفورد وشركة لوكهيد مارتن. وكان الموعد الأصلي للإطلاق محددا لهذه الأيام، إلا أن عطلا في أحد محولات الجهد بالقمر الصناعي تسبب في تأخيره، وبحسب التقديرات فإن الإطلاق سيتم خلال الأسابيع المقبلة. وإذا قام القمر الصناعي بقياس الانحرافات المتوقعة، فسيكون ذلك بمثابة دليل رصدي مباشر سيؤكد نظرية النسبية العامة وسيتلقى العلماء في جميع أنحاء العالم تعزيزًا للمعادلات التي توجه أبحاثهم. وإذا لم يتم قياس الانحرافات المتوقعة فسيشعر بإحراج كبير. سيضطر العديد من العلماء إلى إعادة تقييم عملهم وقد تتسرع النظريات الجديدة لملء الفراغ الذي سينشأ في مجال البحث.
