الساعات والجاذبية وحدود النسبية

التقطت هذه الصورة لمختبر كولومبوس الفضائي في أوروبا بواسطة رائد الفضاء إيسا لوكا بارميتانو أثناء سيره في الفضاء في 9 يوليو 2013. الصورة عبر وكالة الفضاء الأوروبية / ناسا.

عبر وكالة الفضاء الأوروبية

ستستضيف محطة الفضاء الدولية الساعات الأكثر دقة لمغادرة الأرض. دقيقة إلى ثانية في 300 مليون سنة ، ستدفع الساعات قياس الوقت لاختبار حدود نظرية النسبية وفهمنا للجاذبية.

تنبأت نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين بأن الجاذبية والسرعة تؤثر على الوقت ؛ كلما زادت سرعة السير كلما زاد الوقت ببطء ، ولكن كلما زادت قوة الجاذبية كلما زاد الوقت الذي يتباطأ.

الصورة السلبية للكسوف الشمسي لعام 1919. الصورة عن طريق الجمعية الفلكية الملكية.

في 29 مايو 1919 ، تم اختبار نظرية أينشتاين لأول مرة عندما لاحظ آرثر إدينجتون الضوء "المنحني" حول الشمس أثناء كسوف الشمس. بعد أربعين عامًا ، قاست تجربة باوند-ريبكا أولاً تأثير الانزياح نحو الأحمر الناتج عن الجاذبية في المختبر ـ لكن بعد قرن من الزمان ما زال العلماء يبحثون عن حدود النظرية.

أوضح لويجي كاشيابوتي ، عالم مشروع مجموعة الساعة الذرية في الفضاء (ACES):

تصف نظرية النسبية كوننا على نطاق واسع ، ولكن على الحدود مع المقياس الصغير اللانهائي ، لا تفسد النظرية وتظل غير متسقة مع ميكانيكا الكم. محاولات اليوم لتوحيد النسبية العامة وميكانيكا الكم تتنبأ بانتهاكات مبدأ معادلة أينشتاين.

يشرح مبدأ أينشتاين كيف تتداخل الجاذبية مع الزمان والمكان. واحدة من مظاهره الأكثر إثارة للاهتمام هو تمدد الوقت بسبب الجاذبية. وقد ثبت هذا التأثير من خلال مقارنة الساعات على ارتفاعات مختلفة مثل الجبال والوديان والفضاء. تظهر الساعات على ارتفاعات أعلى أن الوقت يمر بسرعة أكبر فيما يتعلق بساعة على سطح الأرض ، حيث تقل خطورة الأرض عن بُعد من كوكبنا.

تحلق مجموعة Atomic Clock Ensemble في الفضاء على ارتفاع 250 ميلاً (400 كم) في المحطة الفضائية ، وستقوم بإجراء قياسات أكثر دقة من أي وقت مضى.

ايس على مدار الساعة. الصورة عبر CNES.

الإنترنت من الساعات

ستعمل ACES على إنشاء "إنترنت من الساعات" ، تربط الساعات الذرية الأكثر دقة في جميع أنحاء العالم ومقارنة وقتهم مع تلك الموجودة في مختبر الجنس الذي ينعدم فيه الوزن عند ذهابه في سماء المنطقة.

تتطلب مقارنة الوقت بالاستقرار لمئات الفمتوثانية - مليون من المليار من الثانية - تقنيات تتطلب الحد الأقصى للتكنولوجيا الحالية. لدى ACES طريقتان للساعات لنقل البيانات الخاصة بهم ، وصلة الميكروويف ورابط بصري. يتبادل كلا الوصلتين إشارات توقيت ثنائية الاتجاه بين المحطات الأرضية ومحطة الفضاء ، عندما تتجه إشارة التوقيت صعودًا إلى المحطة الفضائية وعندما تعود إلى الأرض.

توفر الدقة غير المسبوقة التي يوفرها هذا الإعداد بعض المكافآت اللطيفة لتجربة ACES. ستُقارن الساعات على الأرض فيما بينها بتوفير قياسات محلية للاختلافات الجيوتقنية ، مما يساعد العلماء على دراسة كوكبنا وخطورته.

ستساعد ترددات الليزر والمايكرويف في فهم كيف تنتشر موجات الضوء والراديو عبر التروبوسفير والأيونوسفير ، مما يوفر معلومات عن المناخ. أخيرًا ، سيسمح إنترنت الساعات للعلماء بتوزيع الوقت ومزامنة ساعاتهم في جميع أنحاء العالم لإجراء تجارب واسعة النطاق قائمة على الأرض وللتطبيقات الأخرى التي تتطلب توقيتًا دقيقًا.

وحدة كولومبوس مع ACES. الصورة عبر ESA – D. دوكرو.

قال لويجي:

يمكن استخدام الجيل التالي من الساعات الذرية وتقنيات الارتباط التي نقوم بتطويرها في يوم من الأيام لمراقبة موجات الجاذبية نفسها باعتبارها مهمة LISA لوكالة الفضاء الأوروبية (ESA) المقترحة ، ولكن ACES الآن ستساعدنا على اختبار نظرية أينشتاين حول النسبية العامة ، والبحث عن انتهاكات صغيرة ، إذا وجدت ، قد تفتح نافذة لنظرية جديدة للفيزياء يجب أن تأتي.

تم اختبار الساعات ودمجها في الحمولة النافعة لـ ACES ويخضع رابط الميكروويف الخاص بـ ACES لاختبارات قبل التكامل النهائي مع التجربة الكاملة. ستكون إيس جاهزة للإطلاق إلى المحطة الفضائية بحلول عام 2020.

خلاصة القول: تم اختبار نظرية الجاذبية لآينشتاين لأول مرة عندما لاحظ آرثر إدينجتون الضوء "ينحني" حول الشمس أثناء كسوف الشمس. بعد مرور قرن ، لا يزال العلماء يبحثون عن حدود النظرية.