يعتزم باحثو وكالة ناسا استخدام أشعة الليزر الموجهة نحو القمر لاختبار الافتراضات الأساسية للفيزياء الحديثة.
الدكتور توني فيليبس، باتريك ل. باري، ناسا
قبل أربعمائة عام، وفقًا للقصة، أسقط جاليليو جاليلي أشياء من برج بيزا: قذائف مدفع، وكرات بنادق، وأشياء من الذهب والفضة والخشب. ربما كان يتوقع سقوط الأجسام الثقيلة بشكل أسرع، لكن الأمر لم يكن كذلك. لقد ارتطموا جميعًا بالأرض في نفس الوقت، لذلك توصل إلى اكتشاف مهم. تعمل الجاذبية على تسريع جميع الأجسام بنفس المعدل، بغض النظر عن كتلتها أو تركيبها.
اليوم تسمى هذه الحقيقة "عالمية السقوط الحر" أو "مبدأ التكافؤ". وهو أحد أسس الفيزياء الحديثة. والحقيقة أن أينشتاين ابتكر نظريته في الجاذبية، أي النظرية النسبية العامة، مفترضًا أن مبدأ التكافؤ صحيح.
ولكن ماذا لو كان مخطئا؟
يقول جيم ويليامز، عالم الفيزياء في مختبر الدفع النفاث التابع لناسا (JPL): "هناك نظريات حديثة تدعي في الواقع أن تسارع السقوط الحر يعتمد إلى حد ما على التركيب المادي للجسم". إذا كان الأمر كذلك، فسيكون من الضروري إعادة كتابة النظرية النسبية، وستكون هناك ثورة في الفيزياء.
تعتزم مجموعة من الباحثين الممولين من وكالة ناسا اختبار مبدأ التكافؤ من خلال توجيه أشعة الليزر نحو القمر.
يقول سلافا توريشيف، عالم الأبحاث في JPL (مختبر الدفع النفاث) الذي يعمل مع جيم ويليامز وآخرين في المشروع: "يعد قياس المسافة باستخدام الليزر أحد أهم الأدوات التي لدينا للبحث عن العيوب في نظرية النسبية العامة لأينشتاين". .
التجربة ممكنة، لأنه منذ أكثر من 30 عامًا، ترك رواد فضاء أبولو مرايا على القمر - وهي مجموعة صغيرة من المرايا العاكسة، والتي عندما تضربها شعاع ليزر من الأرض، فإنها تعكسها بشكل مستقيم. وبمساعدة الليزر والمرايا، يتمكن الباحثون من متابعة حركة القمر حول الأرض بدقة.
هذه نسخة حديثة من تجربة برج بيزا المائل. وبدلا من إسقاط الكرات على الأرض، سيقوم الباحثون بمراقبة سقوط الأرض والقمر باتجاه الشمس. على غرار قذائف البنادق وقذائف المدفع، تتكون الأرض والقمر أيضًا من تركيبة مختلفة من العناصر، ولهما كتل مختلفة. هل تتسارع نحو الشمس بنفس المعدل؟ إذا كان الأمر كذلك، فإن مبدأ التكافؤ صحيح. إذا لم يكن الأمر كذلك، فاستعدوا للثورة.
ومخالفة مبدأ التكافؤ سيتم الكشف عنها تجريبيا كانحناء مدار القمر في اتجاه الشمس أو بعيدا عنها. يقول ويليامز: "من الممكن أنه باستخدام كتل كبيرة مثل الأرض والقمر، يمكننا رؤية هذا التأثير الصغير، إذا كان موجودًا".
يتتبع العلماء مدار القمر منذ أيام أبولو. وحتى الآن، حققت نظرية النسبية العامة لأينشتاين - ومبدأ التكافؤ - الاختبار التجريبي بدقة تبلغ حوالي عُشر أس 13، إلا أن هذه الدقة ليست عالية بما يكفي لاختبار النظريات المتنافسة على وراثة المكان. النسبية.
وتصل دقة القياسات الحالية للمسافة إلى القمر باستخدام الليزر - مسافة حوالي 385,000 ألف كيلومتر - إلى حوالي 1.7 سنتيمتر. وستعمل المنشأة الجديدة التي تمولها وكالة ناسا والمؤسسة الوطنية للعلوم، والتي ستبدأ العمل في الخريف، على زيادة الدقة بمقدار عشرة أضعاف إلى نطاق خطأ يبلغ حوالي ملليمتر أو اثنين. ستسمح الخطوة الدقيقة للعلماء باكتشاف انحرافات أصغر بعشر مرات من نظرية النسبية العامة لأينشتاين. قد يكون هذا المستوى من الدقة حساسًا بدرجة كافية لاكتشاف أول دليل على العيوب.
من أجل تحقيق هذه الدقة، يجب على المنشأة، التي تسمى أبولو (عملية تحديد المدى بالليزر القمرية لمرصد أباتشي)، قياس الوقت الذي تستغرقه نبضات الليزر للانتقال من القمر والعودة بدقة تبلغ بضع بيكو ثانية فقط. تريليون من الثانية (الثانية مقسومة على عشرة أس 12). وسرعة الضوء معروفة، وهي حوالي 300,000 ألف كيلومتر في الثانية، لذا فإن قياس الزمن يخبر العلماء بالمسافة بين تلسكوب أبولو والمرآة الموجودة على سطح القمر.
كيف وصل أبولو إلى تحسن عشرة أضعاف؟ في البداية، يستخدم تلسكوبًا أكبر من المنشأة السابقة في مرصد ماكدونالد في تكساس - 3.5 متر مقابل 0.7 متر. تسمح مرآة أبولو الأكبر حجمًا بالتقاط المزيد من فوتونات الضوء العائدة من القمر، كما يوضح توم مورفي، الأستاذ بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو ومصمم منشأة أبولو. يلتقط التلسكوب الأصغر في المتوسط فوتونًا واحدًا لكل 100 نبضة ليزر صادرة (تتضمن كل نبضة أكثر من عشرة أس 17!). سوف يلتقط تلسكوب أبولو حوالي خمسة فوتونات من كل نبضة، مما سيؤدي إلى تحسين القوة الإحصائية للنتائج بشكل كبير.
كان على المخططين التعامل مع العديد من الاضطرابات المحتملة. فالغلاف الجوي للأرض، على سبيل المثال، قد يميل مسار شعاع الضوء بطريقة مشابهة لكيفية تسبب وميض النجوم. كما أن الحركات التكتونية الصغيرة للأرض تحت مرصد أبولو، والتي يتم قياسها ببضعة سنتيمترات سنويًا، قد تؤدي إلى تحيز النتائج على المدى الطويل. ولهذا السبب اختار مديرو المشروع قمة جبلية بالقرب من وايت ساندز بولاية نيو مكسيكو. الجو في المنطقة هادئ للغاية، وكذلك الأرض تحت المرصد. بالإضافة إلى ذلك، تم تركيب مقياس جاذبية فائق التوصيل وجهاز استشعار لنظام تحديد المواقع (GPS) بالقرب من المرصد للكشف عن الحركات الدقيقة للأرض، وستقوم أجهزة البارومترات برسم خريطة لحالة الغلاف الجوي.
حصل ويليامز وتوريشيف مؤخرًا على منحة من مكتب الأبحاث البيولوجية والفيزيائية التابع لناسا لتوسيع نطاق برنامج تحليل المدى بالليزر الخاص بمختبر الدفع النفاث ليتناسب مع القدرات الجديدة للمنشأة في نيو مكسيكو. ويشير توريشيف إلى أنه "سيكون من الضروري التعامل مع جميع أنواع التأثيرات الصغيرة على مستوى المليمتر".
إن القياسات الدقيقة لمثل هذه التأثيرات الصغيرة قد تتسبب في سقوط عالمية السقوط الحر…
سوف يرحب العديد من علماء الفيزياء بالأخبار. لقد انزعجوا لسنوات من التناقض المثير للاهتمام بين النسبية العامة وميكانيكا الكم. وتتم مقارنة النظريتين، اللتين تعتبر كل منهما ناجحة جدًا في مجالها، بلغتين مختلفتين تصفان الكون بطريقتين مختلفتين بشكل أساسي. إن العثور على عيوب في النظرية النسبية العامة قد يؤدي إلى نظرية جديدة لكل شيء، والتي ستجمع بين فيزياء الكم والجاذبية في إطار نظري واحد متناغم.
من بيزا، إيطاليا، إلى القمر، إلى وايت ساندز، نيو مكسيكو: هذه تجربة واسعة النطاق، تمتد لمئات السنين ومئات الآلاف من الأميال. قريبا قد نحصل على الجواب.
ترجمة: ديكلا أورين
تعليقات 3
وحتى لو تبين أن الأرض والقمر يسقطان بمعدل مختلف تجاه الشمس، فإن السبب سيكمن في عملية تكوينهما وكمية الطاقة المستخدمة أثناء تكوينهما.
ألون، هل تفهم أي شيء عن الفيزياء؟ لأنه إذا لم يكن الأمر كذلك، فإن تعليقك لا معنى له.
على مر السنين، ظهرت مئات النظريات المختلفة، التي تتعارض مع بعضها البعض. فكما تؤمن بالنظرية النسبية، كذلك يؤمن الناس بتلك التعاليم المختلفة.
إذا درست الفيزياء في الجامعة (وأنا أفترض أنك لا تفعل ذلك)، فسوف تتعرض لعدد من النظريات، كل واحدة منها تبدو منطقية للغاية، ولكنها مختلفة عن بعضها البعض.
النظرية، بحكم كونها نظرية، هي مجرد فرضية مبنية على أساس جيد. ومع مرور السنين، ظهرت نظريات عديدة، كل واحدة منها كانت "حقيقة" البشر، حتى ظهرت نظرية جديدة تناقضها.
حتى كعالم فيزياء، لا يمكنك معرفة ما إذا كانت النظرية صحيحة أم لا، ولكنك فقط تفترض أنها صحيحة. وعلى أية حال، يجب ألا تستبعد النظرية. في الفيزياء، كل شيء دقيق للغاية، لذلك حتى جزء من المليون من الثانية قد يكون اكتشافًا جديدًا. قبل ظهور النسبية، هل تعتقد أن أحدًا كان يتخيل أن المادة يمكن أن تتحول إلى طاقة؟ ففي نهاية المطاف، يعتبر نيوتن أبو الفيزياء، ومن القضايا التي ناقشها ودافع عنها هو قانون حفظ المادة، ونظرية أينشتاين تناقض هذا القانون. لذا، لديك هنا مثال مثالي للنظريات باعتبارها نظريات، وهي صحيحة فقط حتى يثبت شخص ما عكس ذلك.
هؤلاء العلماء الذين تضحكون عليهم هم أشخاص ذوو رتبة عالية فما فوق، يحملون درجة الدكتوراه والأستاذية. إنهم يفهمون الفيزياء أكثر من أي شخص آخر، وخاصة أكثر مني أو منك أو كاتب المقال. فإذا قالوا شيئا فإن له أصلا قد لا تتعرض له، ولكنه حي معافى.
هناك الكثير من الأسئلة التي لم يتم حلها اليوم، وعلى الأقل لا أستطيع حتى أن أتخيل حلها، ولكن في يوم من الأيام سيأتي شخص ما بنظرية ستحل المشكلة وحينها سيكون واضحًا للجميع أن هذا هو الحل، ولكن اليوم ما زلنا لا نستطيع العثور عليه. وفي الختام، قد يكونون على حق، وقد لا يكونون كذلك. من المستحيل تحديد ذلك. وفي كلتا الحالتين، ليس من حقك الحكم على أي شخص. إن الخطأ بمقدار جزء من المليون من الثانية هو خطأ فادح، لأنه إذا كانت النظرية صحيحة، فإن الحسابات يجب أن تخرج كاملة، وليس تقريبًا أو تقريبًا.
إنه أمر سخيف ومحزن بعض الشيء كيف يتمسكون بخطأ في الدقة يبلغ جزءًا من المليون من الثانية لدحض ادعاءات راسخة مثل توراة أينشتاين وجاليليو.