اثر گرویتو-مغناطیسی. پژوهش‌های فردریک هنری-کوانیه، مارسی

اثر گرانشی-مغناطیسی. پژوهش‌های فردریک هنری-کوانیه، مارسی

آیا اثر گرانشی-مغناطیسی آشکار خواهد شد؟

۱۵ اوت ۲۰۰۵

فردریک هنری-کوانیه اکنون وب‌سایتی دارد که در آن پژوهش‌های خود را ارائه و توضیح می‌دهد:

http://toronto.dess-res.univ-mrs.fr/sitefred

منابع: http://einstein.stanford.edu و http://www.gravityprobeb.com

کاوشگر گرانشی پروب بی ناسا سال نخست مأموریت خود در فضا را به پایان می‌رساند

ابتدا تماشای پرتاب این دستگاه را به خود هدیه دهید. قسم می‌خورم، گویی خودتان در صحنه حضور دارید:

http://www.gravityprobeb.com/movies/launch01.mov

نسبیت عام جنبه‌ای بسیار خاص دارد که برای مثال می‌توان آن را در «متریک کر» که برای توصیف اجرام چرخان با جرم زیاد به کار می‌رود، تشخیص داد. هنگامی که یک جرم بسیار بزرگ وجود داشته باشد، پدیده‌ای به نام «کشش چارچوب» (frame-dragging) ظاهر می‌شود که به معنای «کشیده شدن دستگاه مختصات» است. این بدان معناست که چه؟ تصور کنید دستگاهی متشکل از دو جرم متصل به یک فنر را قرار می‌دهید. می‌توان این فنر را به دو روش کشید:

• با چرخاندن این دستگاه. در این حالت نیروی گریز از مرکز ظاهر خواهد شد.

• با «چرخاندن فضا».

جالب است که مردم این پرسش‌ها را حتی پیش از ظهور نظریه نسبیت عام مطرح کرده بودند. نیوتن ابتدا وجود یک فضای مطلق مستقل از هرگونه محتوا را فرض کرد. این همان آزمایش معروف سطل او است (که در کمیک‌استریپ «داستان کیهانی» من شرح داده شده است).

بعداً فیلسوف ماخ (۱۸۸۳) پیشنهاد کرد که فضا (یعنی «چارچوب مرجع لخت» که حرکت آب باید نسبت به آن در نظر گرفته شود تا اثرات مشاهده‌شده توجیه گردند) به‌صورت محلی «توسط محتوای مادی‌اش تعیین می‌شود» (موضع معکوس نیوتن). ماخ ادعا می‌کرد که اگر دستگاهی متشکل از دو جرم متصل به یک فنر را درون پوسته‌ای بسیار سنگین قرار دهیم و آن پوسته را با سرعت زیاد بچرخانیم، یک «نیروی گریز از مرکز» ظاهر خواهد شد، نه به این دلیل که جرم‌ها را می‌چرخانیم، بلکه به این دلیل که «فضای غوطه‌ور در آن را می‌چرخانیم». او در سال ۱۸۹۶ برادران فریدلندر را به انجام این آزمایش تشویق کرد، اما نتیجه قانع‌کننده‌ای به دست نیامد.

خوشبختانه، در دوران کنونی، آزمایشگران مجدداً این پرسش درباره رابطه بین فضا و ماده را مطرح می‌کنند. یک ستاره نوترونی زیربحرانی (یعنی دارای جرمی کمتر از ۲/۵ جرم خورشیدی) را در نظر بگیرید، شیئی که ما آن را مشاهده می‌کنیم («تپ‌اخترها»). در محیط فوری آن، فضا-زمان را می‌توان با «متریک کر» توصیف کرد، همان‌طور که «متریک شوارتزشیلد» فضا-زمان اطراف یک شیء غیرچرخان را توصیف می‌کند. تحلیل این جواب کر از معادله اینشتین به نتایج بسیار جالبی منجر می‌شود. برای مثال: اگر یک مدار دایره‌ای اطراف شیء را در نظر بگیریم که محور چرخش آن همان محور چرخش شیء باشد، سرعت نور بسته به اینکه همراه با چرخش شیء حرکت کنیم یا برخلاف جهت آن حرکت کنیم، مقدار یکسانی نخواهد داشت! در اینجا نیز فرض بر این است که گویی شیء «فضا-زمان را با خود می‌کِشَد». به این پدیده نام «کشش چارچوب» (frame-dragging) داده‌اند.

آنچه برای یک ستاره نوترونی صادق است، باید در نسبیت عام برای هر جرم چرخان دیگری نیز صادق باشد، از جمله خود زمین، با این تفاوت که اثرات آن بسیار ناچیز هستند. تاکنون اندازه‌گیری چنین اثراتی غیرممکن به نظر می‌رسید، اما از تاریخ بسیار اخیر، راهی برای آشکارسازی این اثرات یافته شده و همین دلیل پرتاب کاوشگر «گرانشی پروب بی» بود. به این پدیده‌ها نام «گرانشی-مغناطیسی» داده‌اند و این تنها یک آنالوژی ساده است. یک بار الکتریکی متحرک یک اثر مغناطیسی (یک میدان مغناطیسی) ایجاد می‌کند. در نسبیت عام تصمیم گرفته شد که گفته شود یک جرم متحرک نیز باید یک اثر گرانشی-مغناطیسی ایجاد کند (که به صورت تغییری در میدان گرانشی تجلی می‌یابد).

آزمایشی که توسط ناسا با همکاری دانشگاه استنفورد انجام شده، دقت لازم برای آشکارسازی اثرات پیش‌بینی‌شده توسط نسبیت عام را دارد؛ اثراتی که به صورت تغییر بسیار ناچیزی در محور چرخش ژیراسکوپ‌هایی که در مدار قطبی (عبورکننده از قطب‌ها) در ارتفاع ۷۲۰ کیلومتری زمین می‌گردند، ظاهر می‌شوند. هدف این آزمایش نشان دادن این است که چگونه حضور زمین و چرخش آن، فضا-زمان را می‌کِشَد و کج می‌کند. (در مقاله سایت dragg: کشیدن، warp: کج کردن).

پیش‌بینی‌های دیگر.

فردریک هنری-کوانیه استاد دانشگاه مدیترانه است. او در یک سال گذشته انتشارات زیر را ارائه کرده است:

gr-qc/0410055

gr-qc/0404110

gr-qc/0507065

انتشار در مجله‌ای دارای هیئت تحریریه: مجله بین‌المللی فیزیک مدرن A
[ذرات و میدان‌ها؛ گرانش؛ کیهان‌شناسی؛ فیزیک هسته‌ای]، جلد ۲۰، شماره ۱۱ (۲۰۰۵) ۲۳۴۱- ۲۳۴۵
ارائه‌ها در کنگره‌های بین‌المللی: ششمین سمینار بین‌المللی الکساندر فریدمن درباره گرانش و کیهان‌شناسی ۲۸ ژوئن - ۳ ژوئیه ۲۰۰۴ کارگِز هنری-کوانیه فردریک انرژی‌های منفی در نظریه میدان کوانتومی و نسبیت عام، روی تاریک گرانش پنجمین دیدار ویتنام فیزیک ذرات و اخترفیزیک هانوی ۵ تا ۱۱ اوت هنری-کوانیه فردریک انرژی‌های منفی در نظریه میدان کوانتومی و نسبیت عام، روی تاریک گرانش گروه تحقیقاتی SUSY ژوئیه ۲۰۰۴ کلرمون-فِران هنری-کوانیه فردریک انرژی‌های منفی در نظریه میدان کوانتومی و نسبیت عام، روی تاریک گرانش کنفرانس صد سالگی آلبرت اینشتین ۱۸ تا ۲۲ ژوئیه ۲۰۰۵ پاریس تقارن‌های گسسته و نسبیت عام، روی تاریک گرانش هجدهمین نشست نسبیت اسپانیا «یک قرن فیزیک نسبیت»، ۶-۱۰ سپتامبر ۲۰۰۵، اوویدو، اسپانیا، تقارن‌های گسسته و نسبیت عام، روی تاریک گرانش پیش‌چاپ‌های ثبت‌شده در arxiv: «تقارن‌های گسسته و نسبیت عام: روی تاریک گرانش»

: «انرژی‌های منفی و بازگشت زمان در نظریه میدان کوانتومی و نسبیت عام: روی تاریک گرانش»

: «انرژی‌های منفی و یک جهان تخت با شتاب ثابت»

مقالات منتشرشده توسط فردریک هنری-کوانیه به افق‌های متعددی منجر می‌شوند. در مقاله‌ای که با رنگ قرمز مشخص شده، پیش‌بینی‌هایی مرتبط با این اندازه‌گیری‌های انجام‌شده توسط کاوشگر گرانشی پروب بی وجود دارد که تحلیل آن‌ها در حال انجام است (انتشار نتایج مشاهدات انجام‌شده در طول یک سال به‌طور اصولی نزدیک است). این پیش‌بینی‌ها تفاوت محسوسی با آن‌هایی که از نسبیت عام نتیجه می‌شوند، دارند.

اصل بنیادینی در نسبیت عام وجود دارد که غیرقابل‌انکار تلقی می‌شود و آن اصل هم‌ارزی است. این اصل فرض می‌کند که هیچ چارچوب مرجع ممتازی وجود ندارد. به بیان دیگر: قوانین فیزیک در تمام چارچوب‌های مرجع شکل یکسانی دارند. «چارچوب مرجع» چیست؟ سیستمی برای مکان‌یابی فضا و زمان است که به یک ناظر خاص وابسته است. اصل هم‌ارزی فرض می‌کند که هیچ ناظر ممتازی وجود ندارد. اما فردریک هنری-کوانیه این ستون فیزیک را به چالش می‌کشد، که به معنای ادعای وجود یک «فضای مطلق» (که در گذشته «اتر» نامیده می‌شد) است. این به معنای ... حق دادن به نیوتن، در برابر اینشتین، با پیش‌بینی اثراتی مرتبط با حرکت اجسام نسبت به این فضای مطلق است.

آن فضای مطلق که آنگاه «فضای کیهان‌شناسی» خواهد بود، چه می‌تواند باشد؟ («کاسموتوپ»، جایی که جهان در آن قرار دارد، تیرزیاس می‌گفت). در جهان، خلأ مطلق وجود ندارد. اگر یک متر مکعب از جهان را دور از هر ستاره، ابر ماده بین‌ستاره‌ای یا کهکشانی، بخشی از جهان که ظاهراً «هیچ‌چیز» در آن نیست، در نظر بگیریم، در واقع پر از فوتون‌هایی است که «خاکستر بیگ‌بنگ» را تشکیل می‌دهند. آزمایشی انجام دهیم (که واقعاً انجام شده است). یک استوانه با پیستون برداریم. درزبندی پیستون-استوانه عالی است. پیستون را به‌شدت به عقب می‌کشم تا حدی که، با در نظر گرفتن نشت بسیار ناچیز درز، می‌توانم فرض کنم حجم آزادشده «خالی» است. در واقع، این حجم بلافاصله پر از فوتون‌های ساطع‌شده از دیواره‌ها می‌شود. اگر دیواره من در دمای معمولی باشد، این فوتون‌ها مادون قرمز هستند. برای اینکه هیچ فوتونی وجود نداشته باشد، استوانه باید در صفر مطلق باشد.

چگونه می‌دانیم که چنین است؟ زیرا اگر پیستون را رها کنیم، کاملاً به ته استوانه بازنمی‌گردد، زیرا «فشار تابشی» در برابر آن مقاومت می‌کند. این ... فیزیک است.

برای جهان نیز تا حدی همین‌طور است. اگرچه جهان «دیواره‌ای ندارد»، اما حاوی یک «گاز فوتونی» متناظر با دمای ۳ درجه کلوین است. (طول موج آن‌ها ۵ میلی‌متر است). اگر ناظری نسبت به این ابر عظیم فوتونی ساکن باشد، آنگاه این فوتون‌ها «همان رنگ» را خواهند داشت، صرف‌نظر از اینکه به کدام جهت نگاه کند. جهان برای او همسانگرد به نظر خواهد رسید. بنابراین یک چارچوب مرجع خاص (انتخاب یک ناظر خاص) وجود دارد که نسبت به آن جهان همسانگرد به نظر می‌رسد. برعکس، اگر نسبت به این گاز فوتونی حرکت کنیم، همیشه سرخ‌به‌رنگی فوتون‌ها در یک جهت، به دلیل اثر داپلر، و آبی‌به‌رنگی در جهت مخالف خواهیم داشت. زمین نسبت به این «CMB» (پس‌زمینه ریزموج کیهانی) با سرعت ۳۰۰ کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کند.

مدار کاوشگر قطبی است. آن در صفحه‌ای ثابت قرار دارد. زمین نسبت به این صفحه به دور خود می‌چرخد. اثر گرانشی-مغناطیسی مورد انتظار ناشی از کشش «فضا-زمان» توسط زمین است.

در نسبیت عام «اثر گرانشی-مغناطیسی کشش چارچوب» (frame-dragging effect) به حرکت نسبی چرخشی زمین نسبت به دستگاه اندازه‌گیری وابسته است. این همان اثری است که انتظار می‌رود با گرانشی پروب بی اندازه‌گیری شود. فردریک هنری-کوانیه پیش‌بینی می‌کند که این اثر اندازه‌گیری نخواهد شد و می‌گوید اگر اثری اندازه‌گیری شود، ناشی از حرکت ژیراسکوپ-دستگاه اندازه‌گیری نسبت به یک چارچوب مرجع ممتاز، مانند چارچوب CMB، خواهد بود.

طبق نسبیت عام، اثر کشش (dragging effect) اندازه‌گیری‌شده به صورت پیش‌روی محور ژیراسکوپ ظاهر می‌شود که با گذشت زمان به‌طور مداوم افزایش می‌یابد. این اثر در حد چند صدم ثانیه قوسی در سال خواهد بود.

اگر یک «اثر چارچوب مرجع ممتاز» («اثر هنری-کوانیه») وجود داشته باشد، پدیده دوره‌ای خواهد بود، با دامنه چهار صدم ثانیه قوسی (اگر چارچوب مرجع ممتاز همان CMB باشد). این موضع از یک بازنگری کامل نسبیت عام نتیجه می‌شود.

۱۸ اوت ۲۰۰۵. ایمیلی از فردریک هنری-کوانیه، که مایل است موضع خود را روشن کند:

ژان-پیر عزیز،

اعلانی که در وب‌سایت خود درباره اثر گرانشی-مغناطیسی غیرعادی که مدل من پیش‌بینی می‌کند، خواندم و می‌خواهم چند توضیح به آن بیفزایم، ضمن اینکه باید به این اعلان درجه‌ای از احتیاط نیز بیفزایم، زیرا بخش گرانشی-مغناطیسی در مدل من کاملاً روشن نشده است. تنها در برخی موارد، برای مثال اگر تنها یک چارچوب مرجع ممتاز وجود داشته باشد (آن که CMB در آن ساکن است)، من با نسبیت عام اختلاف‌نظر دارم. بنابراین آزمون گرانشی پروب بی حیاتی خواهد بود، زیرا به من امکان می‌دهد تعداد چارچوب‌های مرجع ممتاز و حجم مشخصی که هر چارچوب در آن معتبر است را روشن کنم. علاوه بر این، ژیراسکوپ باید در منطقه‌ای بچرخد که بخش گرانش غیرموضعی من در آن اعمال می‌شود، که این نیز بدیهی نیست.

باور من همچنان این است که تنها آزمونی که می‌تواند به‌طور قطعی این مدل را در وضعیت فعلی رد کند، آزمون پارامتر پس‌پس‌نیوتنی جواب استاتیک است. با این حال، «برای سرگرمی» شرط‌بندی روی یک اثر گرانشی-مغناطیسی غیرعادی در وب‌سایت تو را می‌پذیرم، زیرا مدل‌های نظری بسیار کمی وجود دارند که چنین پیش‌بینی‌هایی می‌کنند و اگر نسبیت عام به چالش کشیده شود، جایزه بزرگ خواهد بود.

به‌زودی این ایده‌ها و پیامدهای شگفت‌انگیز آن‌ها را در وب‌سایت شخصی خود به زبان ساده بیان خواهم کرد.

با دوستی،

ژان-پیر عزیز،

اعلانی که در وب‌سایت خود درباره اثر گرانشی-مغناطیسی غیرعادی که مدل من پیش‌بینی می‌کند، خواندم و می‌خواهم چند توضیح به آن بیفزایم، ضمن اینکه باید به این اعلان درجه‌ای از احتیاط نیز بیفزایم، زیرا بخش گرانشی-مغناطیسی در مدل من کاملاً روشن نشده است. تنها در برخی موارد، برای مثال اگر تنها یک چارچوب مرجع ممتاز وجود داشته باشد (آن که CMB در آن ساکن است)، من با نسبیت عام اختلاف‌نظر دارم. بنابراین آزمون گرانشی پروب بی حیاتی خواهد بود، زیرا به من امکان می‌دهد تعداد چارچوب‌های مرجع ممتاز و حجم مشخصی که هر چارچوب در آن معتبر است را روشن کنم. علاوه بر این، ژیراسکوپ باید در منطقه‌ای بچرخد که بخش گرانش غیرموضعی من در آن اعمال می‌شود، که این نیز بدیهی نیست.

باور من همچنان این است که تنها آزمونی که می‌تواند به‌طور قطعی این مدل را در وضعیت فعلی رد کند، آزمون پارامتر پس‌پس‌نیوتنی جواب استاتیک است. با این حال، «برای سرگرمی» شرط‌بندی روی یک اثر گرانشی-مغناطیسی غیرعادی در وب‌سایت تو را می‌پذیرم، زیرا مدل‌های نظری بسیار کمی وجود دارند که چنین پیش‌بینی‌هایی می‌کنند و اگر نسبیت عام به چالش کشیده شود، جایزه بزرگ خواهد بود.

به‌زودی این ایده‌ها و پیامدهای شگفت‌انگیز آن‌ها را در وب‌سایت شخصی خود به زبان ساده بیان خواهم کرد.

با دوستی،

بازگشت به راهنما بازگشت به صفحه اصلی

تعداد بازدیدها از ۱۵ اوت ۲۰۰۵: