آزمون اتمی اصل هم ارزی در ایستگاه فضایی تیانگونگ چین

دو توده شبح‌گون از اتم‌ها را تصور کنید که به‌زحمت دیده می‌شوند و درون یکی از ماژول‌های ایستگاه فضایی تیانگونگ شناورند، در حالی که زمین در پایین آن‌ها می‌چرخد. این دو با هم سقوط می‌کنند، نه فقط برای یک ثانیه، بلکه به‌اندازه‌ای طولانی که یکی از بنیادی‌ترین فرض‌های فیزیک را بیازمایند.

این آزمایش ذهنی اکنون به واقعیت تبدیل شده است. پژوهشگران گونه‌ای از آزمایش مشهور منسوب به گالیله را بازآفرینی کردند، اما این بار در مقیاس اتمی و در مدار زمین. به‌جای گلوله‌های سربی یا آهنی که از برج کج رها شوند، دانشمندان دو ابر از اتم‌های روبیدیوم فوق‌سرد را درون تیانگونگ آزاد کردند و سقوط آن‌ها را تحت اثر گرانش زیر نظر گرفتند. نکته متفاوت این بود که این دو ابر ترکیب هسته‌ای یکسانی نداشتند. یکی از آن‌ها شامل اتم‌های روبیدیوم با نوترون‌های بیشتر نسبت به دیگری بود. اگر جرم گرانشی و جرم لختی یکسان نبودند، این ابرها باید با شتاب‌های متفاوتی حرکت می‌کردند. اما چنین نشد.

آزمایش مداری چگونه انجام شد

در عمل، این تیم با استفاده از سرمایش لیزری دو مجموعه سرد از اتم‌های روبیدیوم ساخت و آن‌ها را درون ایستگاه در حالت سقوط آزاد قرار داد. حسگرها حرکت نسبی آن‌ها را ردیابی کردند، در حالی که محیط ایستگاه فضایی یک آزمایشگاه ریزگرانش تقریبا ایده‌آل فراهم می‌کرد. روی زمین، مقاومت هوا، نویز لرزه‌ای و فاصله کوتاه سقوط، دقت اندازه‌گیری را محدود می‌کنند. در مدار پایین زمین، یک جسم می‌تواند برای مدت طولانی در سقوط آزاد پیوسته باقی بماند و همین موضوع حساسیت آزمایش را چندین مرتبه افزایش می‌دهد.

نتیجه چشمگیر بود. شتاب دو ابر اتمی با دقتی در حد ۰٫۰۵ درصد با هم سازگار بود. این اختلاف کسری بسیار کوچک، یا بهتر است بگوییم نبودِ چنین اختلافی، از اصل هم‌ارزی ضعیف پشتیبانی می‌کند: جرم گرانشی با جرم لختی برابر است. این دو مفهوم در ظاهر شبیه‌اند، اما در فیزیک معنای جداگانه‌ای دارند. جرم گرانشی نشان می‌دهد یک جسم تا چه اندازه تحت تأثیر گرانش قرار می‌گیرد. جرم لختی تعیین می‌کند جسم هنگام وارد شدن نیرو چقدر در برابر شتاب گرفتن مقاومت می‌کند. اگر این دو اثر یکدیگر را خنثی کنند، جرم از معادلات شتاب حذف می‌شود و جرم‌های متفاوت با هم سقوط می‌کنند.

آزمون‌های اصل هم‌ارزی صرفا پژوهش‌هایی دانشگاهی و انتزاعی نیستند. این اصل زیربنای نسبیت عام اینشتین است؛ نظریه‌ای که گرانش را به‌صورت خمیدگی فضا زمان توصیف می‌کند. هرگونه نقض این اصل می‌تواند نشانه‌ای از نیروها یا ذرات تازه فراتر از مدل استاندارد باشد، یا راهی به سوی نظریه کوانتومی گرانش نشان دهد. آزمایش‌های فضایی پیشین استوانه‌های فلزی و جرم‌های آزمون ماکروسکوپی دیگر را رها کرده بودند. این مطالعه تازه با استفاده از اتم‌ها، مرز آزمایش را به قلمرو کوانتومی می‌برد؛ زیرا اتم‌ها هم از مکانیک کوانتومی پیروی می‌کنند و هم تحت گرانش کلاسیک قرار می‌گیرند.

چرا اتم‌ها اهمیت دارند

اتم‌ها کوچک و کوانتومی هستند. رفتار موج‌مانند آن‌ها می‌تواند اثراتی را آشکار کند که در اجسام حجیم پنهان می‌مانند. اگر گرانش با حالت‌های کوانتومی مختلف یا با اجزای هسته به شکل متفاوتی جفت شود، تداخل‌سنجی اتمی دقیق ممکن است آن را ثبت کند. تاکنون آزمایش تیانگونگ هیچ انحرافی نیافته است. بنابراین این مشاهده، محدودیت‌ها را بر نظریه‌هایی که اثرات گرانشی وابسته به ترکیب ماده را پیش‌بینی می‌کنند، سخت‌تر می‌کند.

این پژوهش در مجله Science Advances منتشر شد و به مجموعه رو‌به‌رشدی از اندازه‌گیری‌های دقیق انجام‌شده در فضا پیوست. زمان‌های طولانی سقوط آزاد، شرایط آرام و روش‌های پیشرفته‌تر سنجش، مدار زمین را به مکانی بسیار جذاب برای فیزیک بنیادی تبدیل کرده است. باید انتظار مأموریت‌های بیشتر تداخل‌سنجی اتمی، حساسیت بالاتر و آزمون‌هایی را داشت که اتم‌های سنگین‌تر، پادماده یا حالت‌های درهم‌تنیده را بررسی می‌کنند.

فعلا شهود ساده گالیله پس از تغییری صدبرابری در مقیاس همچنان پابرجاست. دو ابر متفاوت روبیدیوم با هم سقوط می‌کنند، گویی گرانش با همه انواع ماده یکسان رفتار می‌کند. این توافق، نسبیت عام را استوار نگه می‌دارد، اما هم‌زمان فضای پنهان شدن فیزیک جدید را محدودتر می‌کند.