گوى ايستاده چرخان - تحقيق نظريه نسبيت عام
تحقيق نظريه نسبيت عام توسط پاتريك بارى
ترجمه: مهدى صارمى فر-مريم افضلى
كاوشگر گرانش B ماهواره اى است كه به تازگى در مدار قرار گرفته و مامور آزمايش يكى از پيش بينى هاى نسبيت عام است.
مهندسان معمولاً درباره چيز هايى كه ساخته اند مبالغه نمى كنند، پس بى گمان ماهواره «گاوشگر گرانش B (GP-B) منحصر به فرد است كه دانشمندان براى توصيف آن از لغات «زيبا» و «هنرمندانه» استفاده مى كنند.
اين ماهواره كه در بيستم آوريل براى تحقيق يكى از پيش بينى هاى نسبيت عام اينشتين به فضا پرتاب شد، دليل واضحى بر نبوغ و كاردانى بشر است. اگرچه نظريه ساخت GP-B از دهه 1950 مطرح بوده اما از لحاظ فنى امكان ساخت آن به تازگى فراهم شده است. «جف كولد زيجزاك» رئيس پروژه در مركز پرواز هاى فضايى «مارشال» ناسا درباره GP-B مى گويد: «اگر علم تجربى يك هنر است پس من هم به GP-B به عنوان يك شاهكار رنسانس نگاه مى كنم.» زيبايى و عظمت طراحى GP-B در اين است كه اين ماهواره بايد در اطراف سياره زمين كه مملو از اجرام گوناگون است به كشفياتى بسيار دقيق بپردازد كه اثر هر كدام از اين اجرام ممكن است در نتيجه آزمايش تاثير داشته باشد. دانشمندان اميدوارند كه به وسيله اين ماهواره خميدگى فضا _ زمان در اطراف زمين را بسنجند و اين عمل آن چنان دقيق بايد انجام شود كه حتى لحظه اى دخالت يك نيروى خارجى ديگر يا يك نقص كوچك و ميلى مترى در داخل ماهواره موجب ايجاد يك خطاى سيستماتيك در نتيجه آزمايش شده و باعث پنهان شدن تاثيرى مى شود كه دانشمندان به دنبال آن هستند. (نظريه نسبيت عام كه در سال 1916 توسط اينشتين تدوين شد، پيش بينى مى كند كه زمين با حركت وضعى به دور خود، فضا _ زمان را به همراه خود مى كشد و يك مارپيچ از فضا _ زمان در اطراف زمين تشكيل مى شود.م) دانشمندان به اين پديده «كشيدگى چارچوب» مى گويند. با توجه به اثبات بسيارى از پيش بينى هاى نظريه نسبيت عام، اكثر فيزيكدانان معتقدند كه چنين وضعيت گردابى در فضا _ زمان حقيقت دارد. اما پيش از اين هيچ آزمايشى براى تاييد اين پيش بينى نظريه انجام نشده بود.
كاوشگر گرانش B
ايده آزمايش بسيار ساده است. ژيروسكوپ در حال دوران كه محور دوران در چارچوب ستاره هاى ثابت وضعيت مشخصى را دارد، در مدار زمين قرار مى دهيم و تلاش مى كنيم كه نيرو هاى خارجى بر آن تاثير نداشته باشند. بنابراين محور دوران ژيروسكوپ نبايد تغيير جهت دهد و همواره بايد ثابت باشد. اما اگر فضا _ زمان در اثر جرم و حركت دورانى زمين به صورت يك مارپيچ درآمده باشد، محور دوران بايد تحت تاثير خميدگى فضا _ زمان به آرامى تغيير جهت بدهد و با اندازه گيرى اين تغييرات كوچك مى توان نظريه نسبيت عام را تحقيق كرد. اصول آزمايش ساده است ولى مشكل در نحوه انجام آن است. طبق محاسبات محور ژيروسكوپ بايد 0/420 ثانيه قوسى در سال نسبت به چارچوب ثوابت تغيير زاويه بدهد. (هر ثانيه قوسى يك سه هزار و ششصد درجه است.) براى تحقيق اين چرخش بايد دقت اندازه گيرى GP-B كمتر از 0005/0 ثانيه قوسى باشد.
كولد زيجزاك مى گويد: «اين آزمايش بايد از هر نظر كامل باشد. زيرا 40 سال برنامه ريزى، تحقيق و تلاش دانشمندان و مهندسين دانشگاه استانفورد مركز پرواز هاى، فضايى مارشال و شركت هواپيماسازى لاكهيد مارتين را به همراه دارد. تيم سازنده GP-B توانستند كروى ترين گوى هايى را كه تاكنون بشر ساخته است براى ژيروسكوپ هاى اين ماهواره بسازند. اين گوى ها بايد در مدار زمين در يك محفظه اى كه با پوششى فلزى از نفوذ هرگونه ميدان الكترومغناطيسى جلوگيرى مى كند، قرار بگيرند. حركات چرخشى ماهواره هم اثرات گرانش زمين را خنثى مى كند. بنابراين محور چرخش گوى ها تحت تاثير هيچ نيروى خارجى نيست و تنها خميدگى فضا _ زمان است كه مى تواند روى آن تاثير بگذارد. اين محفظه را محفظه بدون لرزش (drag-free) مى گويند. ساخت چنين محفظه اى بسيار مشكل است. زيرا ميدان مغناطيسى زمين چنان گسترده است كه GP-B را كه 400 كيلومتر بالاى سطح زمين قرار دارد احاطه مى كند. گوى هاى ژيروسكوپ به اندازه يك توپ پينگ پنگ با قطر 5/1 اينچ هستند كه از جنس آلياژ كوارتز و سيليسيم ساخته شده اند. اين گوى ها توخالى هستند و بدنه آنها به حدى نازك است كه اگر گوى ها به اندازه كره زمين بودند ضخامت جدار آنها تنها حدود 10 متر مى شد! اگر اين جدار نازك كاملاً كروى نباشد، محور دوران آن خود به خود دچار تغيير جهت مى شود (در اثر گرانش زمين) و تمام تلاش هاى آزمايشگران از بين مى رود. قرار گرفتن در مدار موجب مى شود كه گوى ها به حالت بى وزنى در محفظه خود شناور شوند اما بدون كنترل ممكن است گوى هاى چرخان چنان منحرف شوند كه به بدنه ماهواره برخورد كنند. ماهواره توسط تاثيرات آيروديناميك كندرو در حالت بى وزنى قرار دارد. در حالى كه گوى هاى شناور در داخل سفينه اين گونه نيستند. براى جلوگيرى از برخورد ژيروسكوپ با بدنه ماهواره تيم GP-B از يك بدنه ماهواره ضدلرزش استفاده كرده اند. در درون ماهواره دستگاه هاى اندازه گيرى فاصله ژيروسكوپ تا بدنه محفظه با دقتى حدود يك نانومتر در حال كنترل آن هستند و موتور هاى ماهواره كوچك ترين تغييرى در اين فاصله را تصحيح مى كنند. در نتيجه در حقيقت گوى هاى ژيروسكوپ در حالى به دور زمين مى چرخند كه درون يك محفظه اى قرار دارند كه هيچ گونه تماسى با آن ندارند اما اين محفظه همواره آنها را از شر هر نيروى خارجى در امان نگه مى دارد. براى جلوگيرى از نفوذ ميدان مغناطيسى زمين كه باعث به هم خوردن محور دوران ژيروسكوپ ها مى شود چه بايد كرد؟ ميدان هاى الكترومغناطيسى در داخل فلزات نفوذ نمى كنند به همين دليل ژيروسكوپ ها در محفظه اى سربى قرار دارند كه پيرامون آن را حدود 400 گالون هليم مايع فراگرفته كه دماى محيط را به حدود 7/1 كلوين (271 _ درجه سانتى گراد) مى رساند. اين امر باعث ايجاد خاصيت ابررسانايى در سرب مى شود و به اين ترتيب از نفوذ هرگونه ميدان الكترومغناطيسى از جمله ميدان مغناطيسى زمين و يا ميدان هاى تابشى خورشيد، به درون محفظه ژيروسكوپ ها، جلوگيرى مى كند، در حقيقت ميدان مغناطيسى در مدارى كه اين ماهواره در آن قرار دارد حدود 003/0 گاوس است (در سطح زمين اين ميزان 5/0 گاوس است) اما اثر همين مقدار كم هم بايد از بين برود تا نتايج كاملاً صحيح باشند. سرماى شديد ناشى از هليم مايع فايده ديگرى هم دارد و آن اين است كه باعث ايجاد خلا با حداقل فشار ممكن در درون محفظه مى شود. بعد از خارج كردن هوا از محفظه آن ميزان از مولكول هاى گاز كه در محيط باقى مى مانند، در اثر سرماى ايجاد شده (7/1 كلوين) عملاً به سختى حركت مى كنند و مشكلى براى چرخش ژيروسكوپ ها به وجود نمى آورند. تجهيزات ايجاد خلأ بالا (High _ Va) محفظه قادرند با سرعت 10 هزار دور در دقيقه به مدت هزار سال بدون كاهش حتى 1 درصد در سرعتش بچرخد. نكته مهم بعدى اندازه گيرى محور دوران ژيروسكوپ ها است كه اين عمل بايد بدون كوچك ترين ضربه به آن انجام شود. اين بار نيز از خواص ابررسانا استفاده مى شود. وقتى يك گوى رسانا مى چرخد ميدان مغناطيسى ضعيفى توليد مى كند. به همين دليل گوى ها از لايه نازكى از فلز «نيوبيوم» پوشيده شده است. در دماى محفظه فلز نيوبيوم خاصيت رسانايى دارد و در اثر چرخش ميدانى ايجاد مى شود كه توسط SQUID هاى به كار رفته در بدنه محفظه قابل رديابى هستند.
SQUID ها وسيله اى براى سنجش ميدان هاى مغناطيسى هستند كه قادرند ميدان مغناطيسى به كوچكى 50 ميلياردم يك ميكروگاوس (1014*5 گاوس) را آشكار كنند. در اثر تغيير هوا چرخش ژيروسكوپ، تغييرات ايجاد شده در ميدان مغناطيسى در همين حدود اند و قابل رديابى توسط SQUID ها هستند. در داخل ماهواره يك تلسكوپ كار گذاشته شده كه به سمت يك ستاره دوردست و تقريباً ثابت (در مدت دو سال ماموريت GP-B به نام IM-Pegasus نشانه گير شده است. اگرچه اين ستاره كاملاً ثابت نيست اما كيهان شناسان تمام حركات آن را كنترل مى كنند. اين ستاره به عنوان يك نقطه مرجع خارجى براى اندازه گيرى انحراف محور ژيروسكوپ ها به كار مى رود. ژيروسكوپ ها محفظه اى سربى ابررسانا SQUID ها، تلسكوپ ها و ساير تجهيزات GP-B كاوشگر گرانش B باعث شده كه فيزيكدانان به اين نتيجه برسند كه اين ماهواره واقعاً شاهكار فرد بشرى است.
به نقل از سي پي اچ تئوري
پاسخ با نقل قول
علاقه مندی ها (بوک مارک ها)