آیا سیب‌ها در بهار سریع تر می‌افتند؟

                                   

هر فردی درباره‌ی سیب نیوتن شنیده است. وی در یکی از روزهای پاییز ۱۶۶۶ میلادی به زمین افتادن سیب را مشاهده کرد و همین موضوع سؤالاتی را برای او مطرح کرد.

نیوتن با خود فکر کرد: "چرا سیب باید همیشه به طور عمودی به زمین بیفتد؟ چرا نباید به اطراف یا به طرف بالا برود و همواره به سمت مرکز زمین سقوط می‌کند؟"

سؤالی که نیوتن از خود نپرسید این بود که آیا سیب‌ها و پرتقال‌ها به طور متفاوتی می‌افتند؟ و یا این‌که آیا یک سیب در فصل بهار طور دیگری می‌افتد؟

اینها مسائل عجیبی به نظر می‌رسند ولی آلن کاستلسکی، فیزیکدان دانشگاه ایندیانا، تصور می‌کند که این نکات دارای اهمیت هستند. این فیزیکدان و یکی از دانشجویان سابق وی دریافته‌اند که چنین اشتباهات فاحشی درباره‌ی بهترین نظریه‌ی ما، یعنی جاذبه، باعث شده که به آسانی طی قرن‌ها از کشفیات جدید سرباز زده شود.

بررسی‌های بیشتر از جمله مقاله‌ای که در نشریه‌ی Physical Review Letters آمده نشان می‌دهد که چنین احتمالاتی به ما کمک می‌کند تا با شگفتی‌های بیشتری در جهان آفرینش آشنا شویم.

کاستلسکی می‌گوید: " ما به یک کشف اعجاب انگیز و لذت بخش دست یافتیم".

این اوج کار کاستلسکی در طول ۲۰ سال بود. در سال ۱۹۸۹ وی به این فکر افتاد که چه‌طور می‌توان به وجود یک اشتباه در بهترین ادراک ما از عالم در قالب دو نظریه‌ی بزرگ و مشهور پی برد.

اولی، نسبیت عام، نظریه‌ی اینشتین درباره‌ی چگونگی عملکرد جاذبه‌ی زمین بود. دیگری مدل استاندارد فیزیک ذرات اتمی بود که به شرح کوانتومی مواد اطراف ما و همه‌ی نیروهای دیگر به جز جاذبه می‌پردازد.

در حال حاضر نسبیت و مدل استاندارد ناقص هستند. هنگامی که جاذبه قوی باشد، نسبیت کارایی ندارد؛ برای مثال در مورد توصیف مه بانگ (بیگ بنگ) یا قلب یک سیاه چاله این مسئله صدق می‌کند.

مدل استاندارد هم باید آن قدر بسط داده شود تا به نقطه‌ای برسد که بتوان اجرام ذرات بنیادی جهان را محاسبه کرد.

این دو نظریه ناقص هستند و دارای مفاهیم زمانی کاملا" متفاوتی هستند . همین امر باعث شده که نتوان این دو را در قالب " نظریه‌ی کلی" یکی کرد.

مسئله این است که نسبیت و مدل استاندارد با وجود کاستی‌هایی که دارند، نظریه‌های بسیار خوبی هستند.

هر یک از آن‌ها به طور جداگانه به صور کامل‌ترین پدیده‌های فیزیکی معرفی شده به علم، وصف می‌شوند.


اگر ما بخواهیم بدانیم که نظریه‌ی پیوند دهنده‌ی آن‌ها چگونه است، باید چیزهایی را پیدا کنیم که آن‌ها نمی‌توانند توضیح دهند.

کاستلسکی می‌گوید: "چالش اصلی، پیدا کردن آن پدیده‌ها است." این چیزی است که وی فکر می‌کند قادر به انجام آن است.


آن‌ها با حمله به یک قضیه‌ی مهم و تقریبا" ثابت فیزیک به نام " تقارن لورنتس" ، کار خود را آغاز کردند.

این مطلب نشان می‌دهد که برای هر فردی که با سرعت یکنواختی نسبت به شما حرکت می‌کند، با هر جهت فضایی، قوانین فیزیک یکسان هستند.


یکی از نتایج تقارن لورنتس آن است جهان باید ایزوتروپیک باشد؛ یعنی به هر طرف که نگاه یا حرکت کنید همه‌ی اشیا کاملا" یکسان به نظر می‌رسد و به طور همانند رفتار می‌کنند.


هیچ بالا یا پایینی وجود ندارد و هیچ جهتی وجود ندارد که در آن نور، مردم یا سیارات بتوانند راحت‌تر حرکت کنند.

تاکنون هیچ چیز در دنیا نتوانسته است تقارن لورنتس را نقض کند، ولی این به معنای آن نیست که قانون لورنتس نقض ناشدنی است. این فقط بدان معنا است که ما تاکنون در جای اشتباهی جست و جو کرده‌ایم و یا این که آزمایش‌های صورت گرفته در مورد نقض تقارن به اندازه‌ی کافی دقیق نبوده‌اند.

کاستلسکی به طور تصادفی به خرده‌گیری از تقارن لورنتس نپرداخته است. تلاش‌های متفاوت برای ایجاد یک نظریه‌ی کلی نشان داده که تقارن لورنتس قابل نقض است.

نظریه ی ریسمان و گرانش کوانتومی حلقوی از جمله معروف‌ترین این دستاوردها هستند.

کاستلسکی امید خود را به یک نظریه‌ی خاص و کلی محدود نکرده، بلکه در عوض رویکرد بازتری اتخاذ کرده که به باور او به ما این ایده را می‌دهد که در کجا به دنبال موارد نقض تقارن لورنتس بگردیم و نظریه‌های جدید ارائه دهیم.

کاستلسکی و همکارانش از نظریه‌ی نسبیت و مدل استاندارد به عنوان نقطه‌ی شروع استفاده کردند و سپس راه‌های نقض تقارن را نشان دادند.

آن‌ها مسئله را این گونه مطرح می‌کنند که جهان با میدان‌های نیرویی که تاکنون ناشناخته مانده پر شده که این نیرو به فضا یک جهت مرجع می‌دهد و بنابراین تقارن را نقض می‌کند.

نتیجه، نظریه‌ای بود که کاستلسکی آن را مدل استاندارد بسط یافته یا SME می‌نامد.

SMEبا در برداشتن همه‌ی نیروها و ذرات شناخته شده و بیان چگونگی تعامل آن‌ها با میدان‌های جدید نیرو، نشان دهنده‌ی مجموعه‌ای از پدیده‌های ناشناخته‌ای است که می‌توانند یک نقض قابل مشاهده از تقارن لورنتس را ارائه دهند.

کاستلسکی می‌گوید: "در حال حاضر، آزمایشگران مسیر کار خود را از طریق فهرست ادامه می‌دهند."

تاکنون آن‌ها چیزی به‌دست نیاورده و نتیجه‌ی عکس گرفته‌اند. محققان بررسی می‌کنند که آیا ساعت‌ها در جهت‌های خاص فضایی سریع تر حرکت می‌کنند، یا این‌که میدان مغناطیسی یک ماده که توسط میدان الکترون‌های آن به‌وجود می‌آید؛ با تغییر جهت محور چرخش عوض می‌شود یا خیر.

با این حال این امر به معنای آن نیست که تصور کنیم میدان‌های نیرو در SME وجود ندارند. برخی از میدان‌ها ممکن است در فوتون‌ها نامرئی باشند ولی در ذرات دیگری مانند نوترون قابل مشاهده باشند.

یا این‌که ممکن است یک میدان به شدت با جاذبه‌ی تعامل نشان دهد ولی با الکترومغناطیس خیر.

برای این‌که ببینید این نظریه چه‌طور عمل می‌کند، به میدان‌های SME مورد نظر کاستلسکی بیندیشید؛ که آن را "میدان X " می‌نامیم که در منظومه‌ی شمسی جاری است.

میدان X، مانند یک میدان مغناطیسی یا الکتریکی، دارای جهتی است که می‌توان آن را به صورت یک سری پیکان نشان داد.

هنگامی که یک نوترون یا پروتون از آن عبور می کند چه اتفاقی می افتد؟

در آغاز، این میدان می‌بایست یک اثر نافذ بر چرخش ذره داشته باشد یا در خطر سیر آن تغییر فازی کوچکی ایجاد کند یا این‌که می‌تواند به صورت انواع پاسخ‌های مختلفی باشد که ذره به میدان می‌دهد.

ما هرگز به چنین تأثیراتی توجه نکرده‌ایم و بنابراین هیچ وقت چنین میدانی را کشف نکردیم. اما کاستلسکی متذکر می‌شود که شاید علت، آن است که ما در مسیر درست جست و جو نکرده‌ایم.

اگر میدان X و جاذبه‌ی خورشید بر یکدیگر اثر کنند، ممکن است اثرات مثبتی داشته باشد که به آن توجه نکرده‌ایم.

چنین تعاملی میان میدان X و جاذبه‌ی خورشید می‌تواند معدن بزرگی برای تحقیقات دانشمندان باشد.

جدیدترین محاسبات کاستلسکی نشان می‌دهد که این تعاملات می‌تواند موارد نقضی در تقارن ایجاد کند که مقدار آن ۳۰^۱۰ برابر بزرگ‌تر از مواردی است که محققان تاکنون تلاش کرده‌اند بیابند.

اگرچه در مقایسه با سایر نیروهای بنیادی، جاذبه به‌طور حیرت‌آوری ضعیف است، ولی باز هم کشف موارد نقض دشوار است؛ بنابراین اختلافات ناشی از میدان X هنوز به سختی قابل اندازه‌گیری هستند.

یکی از راه‌هایی که می‌توان شاهدی برای میدان X پیدا کرد، تفاوت‌های کوچکی است که در قدرت جاذبه در زمان‌های مختلف سال به وجود می‌آید.

	کاستلسکی می‌گوید: "سیب در فصل‌های مختلف ممکن است با سرعت‌های متفاوت به زمین بیفتد و این می‌تواند یک تأثیر چرخه‌ای باشد".

کشش گرانشی خورشید می‌تواند میدان X را اندکی منحرف کند. طبق محاسبات کاستلسکی، جاذبه باعث می‌شود نوک پیکان‌های میدان X به سمت خورشید باشد که مقدار آن به قدرت میدان گرانشی در آن مکان بستگی دارد (شکل ... را ببینید).

به وسیله‌ی آزمایش‌هایی که طرح‌ریزی مناسبی دارند، می‌توان کشف کرد که چگونه در اثر گردش زمین به دور خورشید و به علت دگرگونی در میدان X در مکان‌های مختلف در فضا، رفتار یک ذره تغییر می‌کند.

احتمال دیگری که کاستلسکی مطرح می‌کند، آن است که میدان X، ذره‌ها را به شیوه‌های مختلف تحت تأثیر قرار می‌دهد.

برای مثال، هر نوع کوارک (۶) ممکن است میدان X را با درجات متفاوتی حس کند. یا این که تعداد الکترون‌های یک اتم تعیین کنند که آن اتم چگونه با میدان نیز با جاذبه جفت شود.

این موضوع هم‌چنین می‌تواند ترکیبی از چند عامل باشد. برای مثال ذرات سازه‌ای اتم‌ها و جایگاه آن‌ها در فضا - که جزئیات دقیق‌تری از چگونگی ترکیب اجزا با میدان X و جاذبه و اثرات پیش بینی شده را ارائه می‌دهد.

کاستلسکی می‌گوید: "سیب‌ها و پرتقال‌ها ممکن است با سرعت‌های متفاوتی بیفتند."

فصل‌های جاذبه

آغاز تحقیق
مایک توبار، فیزیکدان دانشگاه استرالیا واحد غرب، می‌گوید اگرچه احتمال تأیید آن کم است ولی مقاله‌ی کاستلسکی یک دیدگاه جدید و هیجان انگیز ارائه می‌دهد.

وی می‌گوید: " این یک پیشرفت مهم است." رونالد ولور از دانشگاه هاروارد در تأیید این مطلب می‌گوید: "من پیش‌بینی می‌کنم که هم اکنون گروه‌های آزمایشی متعددی در حال بررسی اثرات پیشنهادی کاستلسکی هستند."

بنابراین آن‌ها از کجا شروع می‌کنند؟ از آن‌جا که تأثیرات به صورت ناهنجاری در واکنش ذرات به جاذبه نمایان می‌شوند، کاستلسکی و دستیارش پیشنهاد کرده‌اند که نسخه‌ی اصلاح شده‌ای از قانون جهانی جاذبه‌ی نیوتن مورد آزمایش قرار گیرد. موضوع آن است که ببینیم آیا این قانون هنگامی که در مورد ترکیبات مختلف ذرات- پروتون، نوترون و الکترون- به‌کار می‌رود ثابت و سازگار است یا خیر.

تاکنون بخش ناچیزی از این گستره‌ی جدید از تأثیرات احتمالی مورد تحقیق قرار گرفته است. یک نمونه از چنین تحقیقاتی توسط گروه اریک آدلبرگر در دانشگاه واشنگتن واقع در سیاتل صورت گرفته، که در آن به تفاوت در شیوه‌های واکنش تیتانیوم و بریلیوم نسبت به جاذبه‌ی پرداخته شده است.

کاستلسکی می‌گوید: " آزمایش آدلبرگر به مقایسه‌ی افتادن هم زمان یک سیب و یک پرتقال می‌پردازد."

اگر تفاوتی در کشش جاذبه برای این عنصرهای مختلف وجود داشته باشد، خیلی کم است. دلیل تلاش محققان واشنگتن این است که آن‌ها متخصص به کارگیری بسیار دقیق ترازو‌های پیچشی هستند و بدین وسیله، با اندازه‌گیری کشش گرانشی بین دو جرم، به بررسی وضعیت آن‌ها می‌پردازند.

به منظور انجام چنین آزمایشی، آن‌ها هم‌چنین باید ترازویشان را از میدان‌های مغناطیسی و لرزش‌های آزمایشگاه‌های اطراف دور نگاه می‌داشتند و هم‌چنین می‌بایست کشش‌های گرانشی ناشی از سطح ایستایی آب‌های زیر زمینی را نیز که در زمان‌های مختلف سال متفاوت است، جبران می‌کردند.

با این همه در پایان آن‌ها دریافتند که هیچ تفاوتی در جفت شدن بریلیوم و تیتانیوم با جاذبه وجود ندارد؛ دست کم در یک جزء از ۱۰۰ میلیارد.

کاستلسکی بی‌باک عمل می‌کند. آزمایش آدلبرگر تنها به بررسی یک نوع تعامل بین میدان فرضی و جاذبه پرداخته است.

کاستلسکی باور دارد که آزمایش‌های انجام شده در زمان های مختلف سال می‌توانند جنبه‌ی دیگری از جفت شدگی را نشان دهند.

با تغییر فصل‌ها، جهت‌گیری نسبی سرعت زمین و پیکان‌های میدان جاذبه به طور چشمگیری تغییر می‌کنند.

اگر این طرح شکست بخورد، گزینه‌های دیگری وجود دارد مانند میدان پاد الکترون برای جداسازی تقارن جهان.

کاستلسکی می‌گوید: "سیب‌ها و میوه‌هایی غیر از سیب، با سرعت‌های متفاوتی می‌افتند."

بررسی این نظریه حتی سخت‌تر هم هست؛ برای مثال در حال حاضر ما برای جمع آوری پاد الکترون کافی جهت تهیه‌ی جرم یک سیب، قابلیت‌های لازم را نداریم. گرچه اتم‌های پاد هیدروژن ساخته شده‌اند و تلاش‌هایی در این جهت صورت گرفته که آیا این نوع اتم‌ها با سرعتی متفاوت نسبت به هیدروژن سقوط می‌کنند یا خیر.

کاستلسکی می‌گوید: "در دهه‌ی آینده به نتایجی دست خواهیم یافت."

کاستلسکی به آزمایش‌های دیگری اشاره می‌کند که ممکن است میدان‌های فرضی SME را نمایان سازند.

حسگرهای جاذبه ابررسانا، لیزرهایی که فاصله‌ها را تا ماه بررسی می‌کنند، تداخل سنج‌های اتمی و آزمایش‌های گرانشی ماهواره‌ای مانند microSCOPE و STEP یا هر اقدامی از این دست، می‌تواند به ما کمک کند که دریابیم این تقارن سخت در کجا قابل در هم شکستن است و نیز این‌که آن نظریه‌ی نهایی و دل فریب جهان آفرینش در چه موقعیتی خود را نمایان می‌کند.

بسیار خوب، این امیدبخش است. گرچه ولور موافق است که چنین آزمایش‌هایی مهم هستند، ولی هنوز متقاعد نشده است که موارد نقضی از تقارن را نشان می‌دهند.

وی می گوید: "به هیچ وجه نمی‌توان مطمئن شد نقض تقارن‌ها وجود دارند، یا این‌که بشر هرگز بتواند آن‌ها را بیابد."

آدلبرگر درباره‌ی موارد قابل پیش بینی نیز دقت نظر دارد، ولی فکر می‌کند به هر حال بهتر است به جست و جو ادامه دهیم.

وی باور دارد که وفق دادن نسبیت با نظریه‌ی کوانتومی به قدری مهم است که ما نمی‌توانیم هیچ یک از اصول اساسی را آزمایش نشده رها کنیم.


آدلبرگر می‌گوید: "به نظر می‌رسد به احتمال زیاد ما داریم مسئله‌ی مهمی را در فیزیک از دست می‌دهیم."


وی ادامه می‌دهد: " اگر اثرات بزرگ نقض تقارن لورنتس وجود داشته باشند برای من شگفت آور خواهد بود. ولی بررسی این که آیا طبیعت به پیش داوری‌های ما اهمیت می‌دهد یا خیر، قطعا" ارزشمند است."