آزمونِ درستیِ نظریه‌ی نسبیت با استفاده از حرکت زمین !

[∆ MeRzaD ∆]

به تازگی آزمونِ جدیدی در دست انجام است که با دقتی بی‌سابقه، مواردِ نقضِ نسبیت را جست‌وجو می‌کند. این آزمون می‌تواند راه‌های نوینی برای بررسیِ پدیده‌هایی که فراتر از نظریه‌های استانداردِ فیزیک رخ می‌دهند، به دست دهد. در این آزمون با به کارگیریِ بیناب‌سنجیِ دیسپروزیمِ اتمی در بسامدهای رادیویی می‌توان حدهای دقیق‌تری برروی میزانِ نقضِ تقارنِ لورنتس و اصلِ هم‌ارزیِ اینشتین گذاشت.

بسیاری از نظریه‌هایی که از مدلِ استانداردِ فیزیکِ ذراتِ بنیادی فراتر می‌روند، هم‌چون نظریه‌های ریسمان، نقضِ نسبیت را پیش‌بینی می‌کنند. بنابر گزارشی که در Physical Review Letters به چاپ رسیده، گروهی از دانشمندان با به‌کارگیریِ ترفندی تازه و بسیار دقیق در بررسیِ عنصرِ دیسپروزیم، در جست‌وجوی دو گونه‌ی متفاوت از نقضِ نسبیت هستند. در واقع این گروه در جست‌وجوی دگرگونی‌های طولانی‌مدت در انرژیِ مربوط به یک گذارِ اتمیِ ویژه بودند، اما هیچ نشانه‌ای از این دگرگونی‌ها نیافتند. با این حال اعضای این گروه افزوده‌اند که در حالِ انجامِ به‌سازی‌هایی بر روی آزمایشِ خود هستند که در پایان، اندازه‌گیری‌ها را ۱۰۰۰بار دقیق‌تر از اندازه‌گیری‌های امروزی خواهد کرد. این افزایشِ دقت می‌تواند راهی به سوی کاوشِ نشانه‌هایی از فیزیکِ ورای مدلِ استاندارد بگشاید.

انجامِ آزمونی بسیار حساس برای یافتنِ مواردِ نقضِ نظریه‌ی نسبیت نیازمندِ به کارگیریِ عنصرِ دیسپروزیم، یعنی یکی از عناصرِ بسیار کم‌یاب برروی کره‌ی زمین است.

نسبیتِ عام و مدلِ استانداردِ ذراتِ بنیادی، دو بنیانِ اصلی در پیکره‌ی فیزیکِ قرنِ بیستم، بر پایه‌ی فرضیه‌هایی اساسی درباره‌ی سرشت فضا و زمان استوار شده‌اند. به عنوانِ نمونه یکی از نمودهای ناورداییِ لورنتس آن است که سرعتِ نور یک ثابتِ جهانی بوده و بیشینه‌ی سرعتِ یک جسم به هنگامِ حرکت در هر راستایی، سرعتِ نور است (MAS). اگر بیشینه‌ی سرعت در یک راستا کم‌تر از دیگرراستاها بود، آن‌گاه یک جسم برای آن‌که در آن راستا شتاب گرفته و به سرعتِ مشخصی برسد، انرژیِ بیشتری در مقایسه با حرکت با همان سرعت در راستاهای دیگر نیاز داشت. به بیانِ دیگر، جسمی که با سرعتی معین در آن راستای مشخص حرکت می‌کند باید انرژیِ جنبشیِ بیش‌تری داشته باشد. هم‌چنین اگر اصلِ دیگری در نسبیتِ عام که «ناورداییِ موضعیِ مکان» خوانده می‌شود نقض می‌شد، آنگاه انرژیِ جنبشی به مکانِ قرارگیریِ جسم در میدانِ گرانشی نیز بستگی داشت. هرگونه نقضِ این اصول، به طورِ غیرِ مستقیم به پدیده‌هایی اشاره دارد که تنها به کمکِ نظریه‌های ورای مدلِ استاندارد قابل توصیف هستند.

جست‌وجو‌های گذشته برای یافتنِ چنین انحراف‌هایی (از اصولِ نسبیت و مدلِ استاندارد) شامل تلاش برای آشکارسازیِ این موضوع بود که آیا سرعتِ نور با تغییرِ راستا تغییر می‌کند یا خیر. از میانِ راه‌های بسیاری که برای بررسیِ این موضوع به‌کار گرفته می‌شود، یکی از راه‌ها مطالعه‌ی تابش‌های گسیل‌شده از الکترون‌های پرانرژیِ موجود در فضا است. به تازگی مایکل هوهِنس (Michael Hohensee) از دانش‌گاهِ کالیفرنیا، بِرکلی، به همراهِ همکارانش ره‌یافتِ نوینی را به‌کار بسته‌اند: این افراد در طولِ یک دوره‌ی دوساله، انرژیِ گذار میانِ دو حالتِ کوانتومیِ الکترون در عنصرِ دیسپروزیم (که آن حالت‌ها را A و B نامیده‌اند) را اندازه‌گیری کرده‌اند. در این اندازه‌گیری‌ها پژوهشگران به دنبالِ یافتنِ هرگونه انحرافی (در اندازه‌ی انرژیِ گذارِ الکترون میانِ دو حالتِ A و B) بودند که بتوان آن را به سوگیری، مکان و یا راستای حرکتِ کره‌ی زمین نسبت داد.

علتِ آن‌که این پژوهشگران برای انجامِ این آزمایش، عنصرِ دیسپروزیم را برگزیده‌اند آن است که این اتم دارای یک‌جفت ترازِ انرژی‌است که بسیار نزدیک به هم قرار گرفته‌اند. هر یک از این ترازها دارای اوربیتال‌هایی هستند که سرعتِ حرکتِ الکترون در آن‌ها بسیار با یک‌دیگر متفاوت است. متفاوت‌بودنِ سرعتِ حرکتِ الکترون در این ترازها به این معناست که اگر به دلیلِ تغییر در سوگیریِ اتم، انرژیِ جنبشیِ الکترون تغییر کند (که در این صورت ناورداییِ لورنتس نقض خواهد شد) آن‌گاه چنین تغییری، این دو تراز را به صورت‌های کاملاً متفاوتی تحتِ تاثیر قرار خواهد داد. پژوهشگران در این آزمایش دو پرتویِ لیزر را به اتم‌های دیسپروزیم می‌تابانند تا آن‌ها را (از ترازِ A) به ترازِ B برانگیزانند. سپس با یک پرتوی میکروموج که بسیار دقیق تنظیم شده، گذار از ترازِ B به A را سبب می‌شوند. برای اندازه‌گیریِ انرژیِ گذار کافی‌است پژوهشگران موثرترین بسامدِ میکروموج که سببِ رخ‌دادِ گذار می‌شود را بیابند. این گروه در طولِ بازه‌ای دوساله از ۲۰۱۰ تا ۲۰۱۲ این آزمایش را با شمارِ بسیاری تکرار کرده‌اند.

در این آزمایش اوربیتال‌های اتم‌های دیسپروزیم به دلیلِ قطبشِ پرتوی لیزرهای برانگیزاننده، تا حدودی از سوگیریِ ویژه‌ای برخوردار بوده‌اند. اگر انرژیِ جنبشیِ الکترون‌ها به راستای حرکت‌شان وابسته بود (که در این صورت ناورداییِ لورنتس نقض می‌شد)، آن‌گاه با توجه به گردشِ زمین در طولِ شبانه‌روز، این گروه می‌بایست به طورِ روزانه نوسان‌هایی در اندازه‌ی انرژیِ گذار مشاهده می‌کردند. به همین ترتیب، اگر محلِ قرارگیریِ کره‌ی زمین در میدانِ گرانشیِ خورشید، تاثیری (بر روی انرژیِ جنبشیِ الکترون‌ها) می‌گذاشت (که در این صورت ناورداییِ موضعیِ مکان نقض می‌شد) آن‌گاه باید به صورتِ سالانه نوسان‌هایی در اندازه‌ی انرژیِ گذار مشاهده می‌شد.

راه‌های متفاوت و بسیاری برای نقضِ تقارنِ لورنتس وجود دارد. به همین دلیل پژوهشگرانی که در این زمینه فعالیت می‌کنند مجموعه‌ای استاندارد از پارامترها را گردآوری کرده‌اند تا گونه‌های متفاوتِ نقضِ لورنتس را مشخصه‌بندی کرده و از هم متمایز کنند. Hohensee و همکارانش ۸ پارامتر از این مجموعه‌ی ۹ پارامتری را اندازه‌گیری کرده‌اند. چنان‌چه میانِ بیشینه‌ی سرعتِ دست‌رس‌پذیر برای الکترون‌ها و راستا یا سرعتِ حرکتِ چارچوبِ مرجعِ آزمایشگاه، هرگونه وابستگی وجود داشته باشد این ۸ پارامتر آن را نشان می‌دهند. این گروهِ پژوهشی، حدگذاری بر روی چند پارامتر را نسبت به آزمایش‌های پیشین، به طرزِ چشم‌گیری بهبود بخشیده‌اند. به عنوانِ نمونه، حدگذاری بر روی ۴تا از این پارامترها، هریک ۱۰بار دقیق‌تر شده و حدِ جدیدی که این گروه برای ناورداییِ موضعیِ مکان برای الکترون‌ها تعیین کرده، ۱۶۰ بار دقیق‌تر از حدهای پیشین است.

اما بنا به گفته‌ی آلَن کوستِلِسکی (Alan Kostelecky) از دانش‌گاهِ ایندیانا در بلومینگتُن، چشم‌گیرترین پیش‌رفتی که رخ داده، خودِ اندازه‌گیری‌ها نیستند، بلکه این ترفندِ نوین در به‌کارگیریِ عنصرِ دیسپروزیم است. از آن‌جا که این آزمایش در ابتدا برای هدفِ دیگری طراحی شده بود، چندان بهینه نبود. اما اعضای این گروهِ پژوهشی اعلام کرده‌اند که با دردست‌داشتنِ داده‌های بیش‌تر و ابزارهایی با تنظیمِ بهتر می‌توانند به دقتی نزدیک به یک در ۱۰۲۰ برسند. چنین دقتی ۱۰۰۰بار بیش‌تر از دقتِ اندازه‌گیری‌های کنونیِ این گروهِ پژوهشی‌است. Kostelecky می‌افزاید: «پیشرفت‌های موردِ انتظار چنان پُرشور و شگرف هستند که زمینه‌ای جدی برای پژوهش و اکتشاف را پیشِ روی ما می‌نهند».