«اینشتین، هنوز زنده است»
<p>دیوید شیگا و رابرت لی هولتز ـ مأموریت فضایی ِ «کاوشگر گرانشی ِ – B» یا به اختصار GP-B، پس از گذشت شش سال از آغاز به کارش؛ نهایتاً موفق به تشخیص ردپای محو ِ پدیده‌ای موسوم به «کشش چارچوب» (Frame Dragging) شد؛ که چندین دهه پیش، «آلبرت اینشتین» آن را در قالب نظریه‌ی نسبیت عام‌اش پیش‌بینی کرده بود.</p> <p> </p> <p>ناسا، این مأموریتِ ۷۵۰میلیون دلاری را در آوریل ۲۰۰۴ به فضا فرستاد و فضاپیما نیز در سپتامبر ۲۰۰۵ عملیات‌ِ محاسباتی‌اش را به اتمام رساند. هدف‌اش، آزمودن تئوری نسبیت عام اینشتین، از طریق تشخیص اعوجاجات ظریف موجود در پهنه‌ی پیوستار «فضا-زمان» بود؛ نظریه‌ای که هم‌اکنون پذیرفته‌ترین توضیح از رفتار نیروی گرانش را با پیش‌بینی ِ وجود همین اعوجاجات، ارائه می‌دهد. طبق تعبیر ِ هندسی ِ نسبیت عام، یک جسم سنگین همچون زمین؛ همانند سنگی که در یک پارچه‌ی کشیده بیفتد، انحنایی را در پهنه‌ی یک پیوستار فرضی موسوم به «فضا-زمان» ایجاد می‌کند؛ که اجسام سبک‌تر را به‌سمت مرکز انحنا هدایت می‌کند.</p> <p><br /> GP-B، به‌منظور انجام آزمایشات دقیق‌اش، مجهز به چهار گویِ ابررسانا از جنس کوارتز و نیز عنصر نیوبیوم؛ به ابعاد تقریبی ِ یک توپ پینگ‌پونگ بود. این کره‌ها می‌چرخیدند و انتظار می‌رفت که محور چرخشیشان در نتیجه‌ی وجود این اعوجاجات، در طول زمان دستخوش تغییراتی شدیداً جزئی شود. اما داده‌ها، مشوش‌تر از آن چیزی بود که انتظارش می‌رفت و همین مسأله باعث شد که در وهله‌ی اول، تشخیص فوریِ چنین آثاری ناممکن شود.</p> <p><br /> در آوریل ۲۰۰۷ و پس از تحلیل یک ساله‌ی داده‌های دریافتی؛ گروهِ پژوهشی، وجود یک مورد از این اعوجاجات را موسوم به «اثر ژئودتیک» (Geodetic Effect) اعلام کرد؛ اثری که مربوط به‌‌ همان انحنایی‌ست که زمین در پهنه‌ی فضا-زمان ایجاد می‌کند. دومین اثری که GP-B درصدد شناسایی‌اش برآمده بود، فوق‌العاده ظریف‌تر از اولی‌ست. هنگامی‌که زمین به گرد خودش می‌چرخد؛ همچون قاشقی که در ظرف عسل می‌چرخانیم، فضای گرداگردش را به‌حالتی گرداب‌گون، دچار کششی افقی هم می‌کند که این پدیده به «کشش چارچوب»؛ یا اثر «لنز-تیرینگ» (Lence-Thirring Effect) مشهور است و میزان‌اش، معادل تغییری ۲. ۷۵ سانتیمتری در محیطی به ابعاد ۳۹۸۴۰ کیلومتر است.</p> <p><img width="250" height="191" align="left" alt="" src="http://zamanehdev.redbee.nl/u/wp-content/uploads/gp-b-2.jpg" /><br /> دانشمندان دانشگاه استنفورد کالیفرنیا، پس از چندین دهه آزمایش و خطا؛ موفق به غلبه بر ده‌ها مانع مهندسی، بودجه‌ای، موشکی، طبیعی و...؛ به جهت انجام چنین آزمایش منحصربفردی شدند. ناسا چندین بار، گروه را تهدید به لغو برنامه کرد و با این‌ حساب؛ دستاورد نهایی ِ GP-B، در سایه‌ی کمک‌های ۵۰۰هزار دلاریِ بخش خصوصی؛ تلاشی تاریخی در استقامت بر تحقق یک هدف علمی را رقم زد. <br /> آلبرت اینشتین؛ تئوریِ نسبیت عام‌اش؛ که خود آن «خرسندکننده‌ترین اندیشه‌ی عمرش» می‌نامد را در سال ۱۹۱۶ منتشر نمود و با کمک‌اش شرحی نوین از ماهیت گرانش؛ فضا و زمان ارائه داد. فیزیکدانان، از آن پس مداوماً درصدد اثبات این نظریه برآمدند و در این راه، اعوجاجات امواج میکروویو، حین گذر از جوار خورشید؛ دگرگونی‌های درازمدت و توجیه‌ناپذیر مدار سیاره‌ی عطارد و امواج لیزریِ بازتابی از ماه و مریخ را مثلاً مورد بررسی قرار دادند. اما پروژه‌ی GP-B، به‌گفته‌ی چندین متخصص، هیچ رقیبی در این بین نداشت. این کاوشگر، حاصل هم‌اندیشی ِ سه دانشمند؛ به‌ نام‌های «لئونارد شیف» (Leonard Schiff)؛ «ویلیام فیربنک» (William Fairbank) و «رابرت کنون» (Robert Cannon) است.</p> <p><br /> GP-B در عین حالی که ظریف‌ترین کاوشگر فضایی از حیث مهندسی‌ست؛ ساده‌ترین آزمایش فضایی ِ تاریخ هم به‌شمار می‌رود. چهار گویِ نیوبیومی که نامشان به‌عنوان دقیق‌ترین گوی‌های ساخته‌شده به دست انسان‌ در کتاب رکوردهای گینس هم ثبت گشته و تنها ۴۰ لایه‌ی اتمی با یک کره‌ی کامل اختلاف دارند؛ در قلب کاوشگر جاخوش کرده‌اند. این کره‌ها، نقش ژیروسکوپ‌هایی را بازی می‌کنند که GP-B، به‌منظور حفظ تعادل‌اش در فضا نسبت به یک ستاره‌ی مرجع در صورت فلکی ِ «اسب بالدار» از آن‌ها بهره می‌گیرد. ایده‌ی چنین کاری نهایتاً پس از ۴۵ سال، با قرارگیریِ GP-B در مدار قطبی ِ زمین، عملی شد.</p> <p><br /> در بررسی‌هایی که ناسا تا سال ۲۰۰۸ انجام داد؛ دانشمندان امیدی به تشخیص پدیده‌ی کشش چارچوب، از میان داده‌های شلوغ و بدقلق ِ GP-B نبسته بودند. اما پژوهش‌ها، با بودجه‌ی بخش خصوصی که از جانب خانواده‌ی سلطنتی ِ عربستان سعودی تأمین شد؛ ادامه یافت. حال، پس از بررسی‌های بیشتر، دانشمندانِ این پروژه اعلام کرده‌اند که اثر کشش چارچوب را با دقت تقریبی ِ ۲۰درصد، تشخیص داده‌اند.</p> <p><br /> دکتر «فرانسیس اوریت» (Francis Everitt) از دانشگاه استنفورد و پژوهش‌گر ارشد این پروژه‌؛ طی کنفرانسی مطبوعاتی در روز چهارشنبه، گفت: «ما توانستیم، دو مورد از معنادار‌ترین آثار نسبیت عام را با روشی کاملاً جدید، محک بزنیم». این، نخستین باری‌ست که پدیده‌ی کشش چارچوب، از این طریق محاسبه می‌شود. با این‌حال؛ پیش‌تر در سال ۲۰۰۴، اثر این پدیده بر روی مدار دو ماهواره‌ی LAGEOS ۱ و ۲، با دقت ۱۰درصد؛ و همچنین از طریق ردگیریِ لیزریِ مدار ماه، با دقت ۰. ۱ درصد محاسبه شده بود. با توجه به این آزمون‌های پیشینی، پرسش‌هایی در رابطه با ارزش سهم GP-B در اثباتِ عملی ِ نسبیت عام همچنان باقی‌ست؛ که اوریت، در دفاع از این پروژه می‌گوید: «زیبایی ِ اصلی‌اش این است که ما آزمایش‌هایی در تکمیل نسبیت عام به ثمر رساندیم. ما با این پروژه‌ی ویژه‌ را با آزمودن جهان اینشتین، به پایان رساندیم... و اینشتین، هنوز زنده است».</p> <p> </p> <p>منابع: <a href="http://www.newscientist.com/article/dn20444-beleaguered-mission-measures-swirling-spacetime-at-last.html?DCMP=OTC-rss&nsref=online-news">NewScientist </a>و <a href="http://online.wsj.com/article/SB10001424052748703849204576303393134261736.html?mod=googlenews_wsj">Wall Street Journal</a></p> <p> </p> <p><strong>در همین زمینه:</strong></p> <p><br /> <a href="http://zamaaneh.com/science/2010/09/post_218.html">هبوط نسبیت </a><br /> <a href="http://zamaaneh.com/science/2010/03/post_125.html">در ستایش مردی که زیاد می‌دانست</a><br /> <a href="http://zamaaneh.com/science/2010/03/post_130.html">غبارروبی از نسبیت </a><br /> <a href="http://zamaaneh.com/science/2010/03/post_135.html)">در جهان نسبی ِ اینشتین، همیشه حق با ناظر است</a><br /> <a href="http://zamaaneh.com/science/2009/11/post_49.html)">خدا هیچ‌وقت تاس نمی‌اندازد</a></p> <p> </p> <p><strong>توضیح تصویر:</strong></p> <p><br /> ۱- یکی از گوی‌های کواتز-نیوبیومی ِ به‌کاررفته در کاوشگر GP-B (پیش از پرتاب به فضا) در برابر عکسی از آلبرت اینشتین / ناسا</p> <p><br /> ۲- طرحی از کاوشگر GP-B در فضا / ناسا</p>
دیوید شیگا و رابرت لی هولتز ـ مأموریت فضایی ِ «کاوشگر گرانشی ِ – B» یا به اختصار GP-B، پس از گذشت شش سال از آغاز به کارش؛ نهایتاً موفق به تشخیص ردپای محو ِ پدیده‌ای موسوم به «کشش چارچوب» (Frame Dragging) شد؛ که چندین دهه پیش، «آلبرت اینشتین» آن را در قالب نظریه‌ی نسبیت عام‌اش پیش‌بینی کرده بود.
ناسا، این مأموریتِ ۷۵۰میلیون دلاری را در آوریل ۲۰۰۴ به فضا فرستاد و فضاپیما نیز در سپتامبر ۲۰۰۵ عملیات‌ِ محاسباتی‌اش را به اتمام رساند. هدف‌اش، آزمودن تئوری نسبیت عام اینشتین، از طریق تشخیص اعوجاجات ظریف موجود در پهنه‌ی پیوستار «فضا-زمان» بود؛ نظریه‌ای که هم‌اکنون پذیرفته‌ترین توضیح از رفتار نیروی گرانش را با پیش‌بینی ِ وجود همین اعوجاجات، ارائه می‌دهد. طبق تعبیر ِ هندسی ِ نسبیت عام، یک جسم سنگین همچون زمین؛ همانند سنگی که در یک پارچه‌ی کشیده بیفتد، انحنایی را در پهنه‌ی یک پیوستار فرضی موسوم به «فضا-زمان» ایجاد می‌کند؛ که اجسام سبک‌تر را به‌سمت مرکز انحنا هدایت می‌کند.
GP-B، به‌منظور انجام آزمایشات دقیق‌اش، مجهز به چهار گویِ ابررسانا از جنس کوارتز و نیز عنصر نیوبیوم؛ به ابعاد تقریبی ِ یک توپ پینگ‌پونگ بود. این کره‌ها می‌چرخیدند و انتظار می‌رفت که محور چرخشیشان در نتیجه‌ی وجود این اعوجاجات، در طول زمان دستخوش تغییراتی شدیداً جزئی شود. اما داده‌ها، مشوش‌تر از آن چیزی بود که انتظارش می‌رفت و همین مسأله باعث شد که در وهله‌ی اول، تشخیص فوریِ چنین آثاری ناممکن شود.
در آوریل ۲۰۰۷ و پس از تحلیل یک ساله‌ی داده‌های دریافتی؛ گروهِ پژوهشی، وجود یک مورد از این اعوجاجات را موسوم به «اثر ژئودتیک» (Geodetic Effect) اعلام کرد؛ اثری که مربوط به همان انحنایی‌ست که زمین در پهنه‌ی فضا-زمان ایجاد می‌کند. دومین اثری که GP-B درصدد شناسایی‌اش برآمده بود، فوق‌العاده ظریف‌تر از اولی‌ست. هنگامی‌که زمین به گرد خودش می‌چرخد؛ همچون قاشقی که در ظرف عسل می‌چرخانیم، فضای گرداگردش را به‌حالتی گرداب‌گون، دچار کششی افقی هم می‌کند که این پدیده به «کشش چارچوب»؛ یا اثر «لنز-تیرینگ» (Lence-Thirring Effect) مشهور است و میزان‌اش، معادل تغییری ۲. ۷۵ سانتیمتری در محیطی به ابعاد ۳۹۸۴۰ کیلومتر است.
دانشمندان دانشگاه استنفورد کالیفرنیا، پس از چندین دهه آزمایش و خطا؛ موفق به غلبه بر ده‌ها مانع مهندسی، بودجه‌ای، موشکی، طبیعی و...؛ به جهت انجام چنین آزمایش منحصربفردی شدند. ناسا چندین بار، گروه را تهدید به لغو برنامه کرد و با این حساب؛ دستاورد نهایی ِ GP-B، در سایه‌ی کمک‌های ۵۰۰هزار دلاریِ بخش خصوصی؛ تلاشی تاریخی در استقامت بر تحقق یک هدف علمی را رقم زد.
آلبرت اینشتین؛ تئوریِ نسبیت عام‌اش؛ که خود آن «خرسندکننده‌ترین اندیشه‌ی عمرش» می‌نامد را در سال ۱۹۱۶ منتشر نمود و با کمک‌اش شرحی نوین از ماهیت گرانش؛ فضا و زمان ارائه داد. فیزیکدانان، از آن پس مداوماً درصدد اثبات این نظریه برآمدند و در این راه، اعوجاجات امواج میکروویو، حین گذر از جوار خورشید؛ دگرگونی‌های درازمدت و توجیه‌ناپذیر مدار سیاره‌ی عطارد و امواج لیزریِ بازتابی از ماه و مریخ را مثلاً مورد بررسی قرار دادند. اما پروژه‌ی GP-B، به‌گفته‌ی چندین متخصص، هیچ رقیبی در این بین نداشت. این کاوشگر، حاصل هم‌اندیشی ِ سه دانشمند؛ به نام‌های «لئونارد شیف» (Leonard Schiff)؛ «ویلیام فیربنک» (William Fairbank) و «رابرت کنون» (Robert Cannon) است.
GP-B در عین حالی که ظریف‌ترین کاوشگر فضایی از حیث مهندسی‌ست؛ ساده‌ترین آزمایش فضایی ِ تاریخ هم به‌شمار می‌رود. چهار گویِ نیوبیومی که نامشان به‌عنوان دقیق‌ترین گوی‌های ساخته‌شده به دست انسان در کتاب رکوردهای گینس هم ثبت گشته و تنها ۴۰ لایه‌ی اتمی با یک کره‌ی کامل اختلاف دارند؛ در قلب کاوشگر جاخوش کرده‌اند. این کره‌ها، نقش ژیروسکوپ‌هایی را بازی می‌کنند که GP-B، به‌منظور حفظ تعادل‌اش در فضا نسبت به یک ستاره‌ی مرجع در صورت فلکی ِ «اسب بالدار» از آن‌ها بهره می‌گیرد. ایده‌ی چنین کاری نهایتاً پس از ۴۵ سال، با قرارگیریِ GP-B در مدار قطبی ِ زمین، عملی شد.
در بررسی‌هایی که ناسا تا سال ۲۰۰۸ انجام داد؛ دانشمندان امیدی به تشخیص پدیده‌ی کشش چارچوب، از میان داده‌های شلوغ و بدقلق ِ GP-B نبسته بودند. اما پژوهش‌ها، با بودجه‌ی بخش خصوصی که از جانب خانواده‌ی سلطنتی ِ عربستان سعودی تأمین شد؛ ادامه یافت. حال، پس از بررسی‌های بیشتر، دانشمندانِ این پروژه اعلام کرده‌اند که اثر کشش چارچوب را با دقت تقریبی ِ ۲۰درصد، تشخیص داده‌اند.
دکتر «فرانسیس اوریت» (Francis Everitt) از دانشگاه استنفورد و پژوهش‌گر ارشد این پروژه؛ طی کنفرانسی مطبوعاتی در روز چهارشنبه، گفت: «ما توانستیم، دو مورد از معنادار‌ترین آثار نسبیت عام را با روشی کاملاً جدید، محک بزنیم». این، نخستین باری‌ست که پدیده‌ی کشش چارچوب، از این طریق محاسبه می‌شود. با این‌حال؛ پیش‌تر در سال ۲۰۰۴، اثر این پدیده بر روی مدار دو ماهواره‌ی LAGEOS ۱ و ۲، با دقت ۱۰درصد؛ و همچنین از طریق ردگیریِ لیزریِ مدار ماه، با دقت ۰. ۱ درصد محاسبه شده بود. با توجه به این آزمون‌های پیشینی، پرسش‌هایی در رابطه با ارزش سهم GP-B در اثباتِ عملی ِ نسبیت عام همچنان باقی‌ست؛ که اوریت، در دفاع از این پروژه می‌گوید: «زیبایی ِ اصلی‌اش این است که ما آزمایش‌هایی در تکمیل نسبیت عام به ثمر رساندیم. ما با این پروژه‌ی ویژه را با آزمودن جهان اینشتین، به پایان رساندیم... و اینشتین، هنوز زنده است».
منابع: NewScientist و Wall Street Journal
در همین زمینه:
هبوط نسبیت
در ستایش مردی که زیاد می‌دانست
غبارروبی از نسبیت
در جهان نسبی ِ اینشتین، همیشه حق با ناظر است
خدا هیچ‌وقت تاس نمی‌اندازد
توضیح تصویر:
۱- یکی از گوی‌های کواتز-نیوبیومی ِ به‌کاررفته در کاوشگر GP-B (پیش از پرتاب به فضا) در برابر عکسی از آلبرت اینشتین / ناسا
۲- طرحی از کاوشگر GP-B در فضا / ناسا
نظرها
نیلوفر شیدمهر
<p>چند سوال:<br /> آیا انشتین به تنهایی / در تنهایی خودش به نظریه نسبیت خاص و عام رسید؟<br /> چه فیزیکدانان و متفکران دیگری در این نظریه سهیمند؟<br /> آیا این نظریه برای فرموله شدن به ریاضیات دیگری غیر از ریاضیات اقلیدسی نیاز داشت؟ اگر بلی چه ریاضی دانانی راه را برای نظریه نسبیت عام هموار کردند<br /> تبار شناسی / جنولوئوجی این نظریه چیست؟</p> <p>با احترام<br /> نیلوفر شیدمهر</p>
احسان سنایی
<p>با سلام؛<br /> در خصوص متفکرین و دانشمندانی که راه را برای ظهور این نظریات هموار کردند؛ بایستی نخست به کسانی اشاره کرد که تا پیش از فرمول‌بندیِ معادلات چهارگانه‌ی «جیمز کلارک مکسول» (که به‌شکل نظری سرعت دقیق نور را به دست دادند)؛ در محاسبه‌ی عملی ِ سرعت نور و در نتیجه اثبات شهودیِ الکترومگنتیسم ِ مکسول، موفق شدند. از آن جمله می‌توان به کسانی چون «اوله رومر»، ستاره‌شناس دانمارکی؛ «جیمز برادلی»، ستاره‌شناس انگلیسی؛ «هیپولیت فیزو»، فیزیکدان فرانسوی؛ و «لئون فوکو»، فیزیکدان فرانسوی اشاره کرد. «هنریش هرتز»، فیزیکدان آلمانی؛ با تولید امواج رادیویی ِ VHF و UHF، موفق به تولید امواج الکترومغناطیسی و در نتیجه اثباتِ نهایی ِ الکترومگنتیسم ِ مکسول شد که میادین الکتریکی و مغناطیسی را تحت فرمول‌های واحدی توجیه می‌کرد. طبق معادلات چهارگانه‌ی مکسول، سرعت نور در خلأ، سرعتی ثابت است که در نظریه‌ی نسبیت خاص اینشتین، به «سرعت مطلق» طبیعت بسط داده شد. اینشتین برای توجیهِ نسبیت خاص، نیازمند رد مفهوم «اتر» بود که دانشمندان قرن هفدهم؛ به‌منظور توجیه وجودِ بستر مادی‌ای که امواج نوری بتوانند بر رویش نوسان کنند، آن را معرفی کرده؛ ولی وجودش را اثبات نکرده بودند. «آبراهام مایکلسون» و «ادوارد مورلی»؛ فیزیکدانان آمریکایی، با انجام آزمایش «مایکلسون-مورلی»، وجود اتر را رد کردند. «هنریک لورنتز»؛ با هدف توجیه ثبات سرعت نور نسبت به چارچوب‌های مرجع ِ هر ناظر ِ متحرک؛ با ارائه‌ی معادلات چهارگانه‌ای نشان داد که تبیین‌های مختلف هر ناظر از مفاهیم ِ زمان و مکان، در حقیقت وجوه متفاوتی از یک مرجع مطلق است. آلبرت اینشتین هم با تعمیم این معادلات به اصل نسبیت گالیله که می‌گفت در یک اتاق ِ دربسته ناظر نمی‌فهمد که ثابت ایستاده یا با سرعتی ثابت در حرکت است؛ نظریه‌ی نسبیت خاص‌اش را فرمول‌بندی کرد. نظریه‌ی نسبیت عام هم تعمیم همین نظریه‌ به مفاهیم جرم، گرانش و اینرسی بود که مستقلاً توسط اینشتین صورت پذیرفت. در این زمینه همچنین نظریات دانشمندانی چون «هنری پوآنکاره» و «هرمان مینکوفسکی» نیز دخیل است.<br /> ریاضیات به‌کاررفته در نسبیت از هندسه‌ی غیراقلیدسی پیروی می‌کند که توسط «کارل فردریش گاوس» و «برنارد ریمان» بسط داده می‌شود و اعوجاجات فضا-زمانی ِ تشریح‌شده در نظریه‌ی نسبیت عام از آن پیروی می‌کند.</p> <p>با سپاس</p>
نیلوفر شیدمهر
<p>جناب آقای سنایی<br /> با سپاس فراوان از پاسخ های کاملتان<br /> با این پاسخ ها بهتر بود مقاله نام دیگری داشت برای مثال پارادایم نسبیت هنوز زنده است.<br /> با احترام<br /> نیلوفر شیدمهر</p>