آیا سیب ها در بهار سریع تر می افتند؟

 
هر فردی درباره ی سیب نیوتن شنیده است. وی در یکی از روزهای پاییز 1666 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 می کند؟"
سؤالی که نیوتن از خود نپرسید این بود که آیا سیب ها و پرتقال ها به طور متفاوتی می افتند؟ و یا این که آیا یک سیب در فصل بهار طور دیگری می افتد؟ اینها مسائل عجیبی به نظر می رسند ولی آلن کاستلسکی (2)، فیزیکدان دانشگاه ایندیانا، تصور می کند که این نکات دارای اهمیت هستند. این فیزیکدان و یکی از دانشجویان سابق وی دریافته اند که چنین اشتباهات فاحشی درباره ی بهترین نظریه ما، یعنی جاذبه، باعث شده که به آسانی طی قرن ها از کشفیات جدید سرباز زده شود.
بررسی های بیشتر از جمله مقاله ای که در نشریه ی Physical Review Letters آمده، نشان می دهد که چنین احتمالاتی به ما کمک می کند تا با شگفتی های بیشتری در جهان آفرینش آشنا شویم.
کاستلسکی می گوید: "ما به یک کشف اعجاب انگیز و لذت بخش دست یافتیم".

فصل های جاذبه

این اوج کار کاستلسکی در طول 20 سال بود. در سال 1989 وی به این فکر افتاد که چطور می توان به وجود یک اشتباه در بهترین ادراک ما از عالم در قالب دو نظریه ی بزرگ و مشهور پی برد. اولی، نسبیت عام، نظریه ی اینشتین درباره ی چگونگی عملکرد جاذبه زمین بود. دیگری، مدل استاندارد فیزیک ذرات اتمی بود که به شرح کوانتومی مواد اطراف ما و همه ی نیروهای دیگر به جز جاذبه می پردازد.
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) (3)، یا قلب یک سیاه چاله این مسئله صدق می کند. مدل استاندارد هم باید آن قدر بسط داده شود تا به نقطه ای برسد که بتوان اجرام ذرات بنیادی جهان را محاسبه کرد. این دو نظریه ناقص هستند و دارای مفاهیم زمانی کاملاً متفاوت اند. همین امر باعث شده که نتوان این دو را در قالب "نظریه ی کلی" یکی کرد.
مسئله این است که نسبیت و مدل استاندارد با وجود کاستی هایی که دارند، نظریه های بسیار خوبی هستند. هر یک از آنها به طور جداگانه به صور کامل ترین پدیده های فیزیکی معرفی شده به علم، وصف می شوند. اگر ما بخواهیم بدانیم که نظریه ی پیوند دهنده آنها چگونه است، باید چیزهایی را پیدا کنیم که آنها نمی توانند توضیح دهند. کاستلسکی می گوید: "چالش اصلی، پیدا کردن آن پدیده ها است." این چیزی است که وی فکر می کند قادر به انجام آن است. آنها با حمله به یک قضیه ی مهم و تقریباً ثابت فیزیک به نام "تقارن لورنتس" (4)، کار خود را آغاز کردند. این مطلب نشان می دهد که برای هر فردی که با سرعت یکنواختی نسبت به شما حرکت می کند، با هر جهت فضایی، قوانین فیزیک یکسان هستند.
یکی از نتایج تقارن لورنتس آن است جهان باید ایزوتروپیک باشد: به هر طرف که نگاه یا حرکت کنید، همه ی اشیا کاملاً یکسان به نظر می رسد و به طور همانند رفتار می کنند. هیچ "بالا" یا "پایینی" وجود ندارد و هیچ جهتی وجود ندارد که در آن نور، مردم یا سیارات بتوانند راحت تر 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 کرده ایم و یا این که آزمایش های صورت گرفته در مورد نقض تقارن به اندازه ی کافی دقیق نبوده اند.
کاستلسکی به طور تصادفی به خرده گیری از تقارن لورنتس نپرداخته است. تلاش های متفاوت برای ایجاد یک نظریه ی کلی نشان داده که تقارن لورنتس قابل نقض است. "نظریه ی ریسمان" و "گرانش کوانتومی حلقوی" از جمله معروف ترین این دستاوردها هستند.
کاستلسکی امید خود را به یک نظریه ی خاص و کلی محدود نکرده، بلکه در عوض رویکرد بازتری اتخاذ کرده که به باور او به ما این ایده را می دهد که در کجا به دنبال موارد نقض تقارن لورنتس بگردیم و نظریه های جدید ارائه دهیم.
کاستلسکی و همکارانش از نظریه ی نسبیت و مدل استاندارد به عنوان نقطه ی شروع استفاده کردند و سپس راه های نقض تقارن را نشان دادند. آنها مسئله را این گونه مطرح می کنند که جهان با میدان های نیرویی که تاکنون ناشناخته مانده پر شده، که این نیرو به فضا یک جهت "مرجع" می دهد و بنابراین تقارن را نقض می کند. نتیجه، نظریه ای بود که کاستلسکی آن را مدل استاندارد بسط یافته یا SME می نامد.
SME با در برداشتن همه ی نیروها و ذرات شناخته شده و بیان چگونگی تعامل آنها با میدان های جدید نیرو، نشان دهنده ی مجموعه ای از پدیده های ناشناخته ای است که می توانند یک نقض قابل مشاهده از تقارن لورنتس را ارائه دهند. کاستلسکی می گوید: "در حال حاضر، آزمایشگران مسیر کار خود را از طریق فهرست ادامه می دهند."
تاکنون آنها چیزی بدست نیاورده و نتیجه عکس گرفته اند. محققان بررسی می کنند که آیا ساعت ها در جهت های خاص فضایی سریع تر حرکت می کنند، یا این که میدان مغناطیسی یک ماده که توسط میدان الکترون های آن به وجود می آید، با تغییر جهت محور چرخش عوض می شود یا خیر.
با این حال، این امر به معنای آن نیست که تصور کنیم میدان های نیرو در SME وجود ندارند. برخی از میدان ها ممکن است در فوتون ها نامرئی باشند ولی در ذرات دیگری مانند نوترون قابل مشاهده باشند. یا این که ممکن است یک میدان به شدت با جاذبه تعامل نشان دهد ولی با الکترومغناطیس خیر.
برای این که ببینید این نظریه چطور عمل می کند، به میدان های SME مورد نظر کاستلسکی بیندیشید - که آن را "میدان X" می نامیم- که در منظومه شمسی جاری است.
میدان X، مانند یک میدان مغناطیسی یا الکتریکی، دارای جهتی است که می توان 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 می بایست یک اثر نافذ بر چرخش ذره داشته باشد یا در خطر سیر آن تغییر فازی کوچکی ایجاد کند. یا این که می تواند به صورت انواع پاسخ های مختلفی باشد که ذره به میدان می دهد.
ما هرگز به چنین تأثیراتی توجه نکرده ایم و بنابراین هیچ وقت چنین میدانی را کشف نکردیم. اما کاستلسکی متذکر می شود که شاید علت، آن است که ما در مسیر درست جست و جو نکرده ایم. اگر میدان X و جاذبه ی خورشید بر یکدیگر اثر کنند، ممکن است اثرات مثبتی داشته باشد که به آن توجه نکرده ایم. چنین تعاملی میان میدان X و جاذبه ی خورشید می تواند معدن بزرگی برای تحقیقات دانشمندان باشد. جدیدترین محاسبات کاستلسکی نشان می دهد که این تعاملات می تواند موارد نقضی در تقارن ایجاد کند که مقدار آن 30^10 برابر بزرگ تر از مواردی است که محققان تاکنون تلاش کرده اند بیابند.
اگرچه در مقایسه با سایر نیروهای بنیادی، جاذبه به طور حیرت آوری ضعیف است، ولی باز هم کشف موارد نقض دشوار است؛ بنابراین اختلافات ناشی از میدان X هنوز به سختی قابل اندازه گیری هستند.
یکی از راه هایی که می توان شاهدی برای میدان X پیدا کرد، تفاوت های کوچکی است که در قدرت جاذبه در زمان های مختلف سال به وجود می آید. کاستلسکی می گوید: "سیب در فصل های مختلف ممکن است با سرعت های متفاوت به زمین بیفتد و این می تواند یک تأثیر چرخه ای باشد".
این موضوع به علت آن است که کشش گرانشی خورشید می تواند میدان X را اندکی منحرف کند. طبق محاسبات کاستلسکی، جاذبه باعث می شود نوک پیکان های میدان X به سمت خورشید باشد که مقدار آن به قدرت میدان گرانشی در آن مکان بستگی دارد (شکل ... را ببینید). به وسیله ی آزمایش هایی که طرح ریزی مناسبی دارند، می توان کشف کرد که چگونه در اثر گردش زمین به دور خورشید و به علت دگرگونی در میدان X در مکان های مختلف در فضا، رفتار یک ذره تغییر می کند.
احتمال دیگری که کاستلسکی مطرح می کند، آن است که میدان X، ذره ها را به شیوه های مختلف تحت تأثیر قرار می دهد. برای مثال، هر نوع کوارک (6) ممکن است میدان X را با درجات متفاوتی حس کند. یا این که تعداد الکترون های یک اتم تعیین کنند که آن اتم چگونه با میدان نیز با جاذبه جفت شود.
این موضوع همچنین می تواند ترکیبی از چند عامل باشد- برای مثال ذرات سازه ای اتم ها و جایگاه آنها در فضا- که جزئیات دقیق تری از چگونگی ترکیب اجزا با میدان X و جاذبه و اثرات پیش بینی شده را ارائه می دهد. کاستلسکی می گوید: "سیب ها و پرتقال ها ممکن است با سرعت های متفاوتی بیفتند."


آغاز تحقیق

مایک توبار، (7) فیزیکدان دانشگاه استرالیا واحد غرب، می گوید اگرچه احتمال تأیید آن کم است ولی مقاله ی کاستلسکی یک دیدگاه جدید و هیجان انگیز ارائه می دهد. وی می گوید: "این یک پیشرفت مهم است." رونالد ولور (8) از دانشگاه هاروارد در تأیید این مطلب می گوید: "من پیش بینی می کنم که هم اکنون گروه های آزمایشی متعددی در حال بررسی اثرات پیشنهادی کاستلسکی هستند."
بنابراین آنها از کجا شروع می کنند؟ از آنجا که تأثیرات به صورت ناهنجاری در واکنش ذرات به جاذبه نمایان می شوند، کاستلسکی و دستیارش پیشنهاد کرده اند که نسخه ی اصلاح شده ای از قانون جهانی جاذبه ی نیوتن مورد آزمایش قرار گیرد. موضوع آن است که ببینیم آیا این قانون هنگامی که در مورد ترکیبات مختلف ذرات- پروتون، نوترون و الکترون- به کار می رود ثابت و سازگار است یا خیر. تاکنون بخش ناچیزی از این گستره ی جدید از تأثیرات احتمالی مورد تحقیق قرار گرفته است.
یک نمونه از چنین تحقیقاتی توسط گروه اریک آدلبرگر (9) در دانشگاه واشنگتن واقع در سیاتل صورت گرفته، که در آن به تفاوت در شیوه های واکنش تیتانیوم و بریلیوم نسبت به جاذبه پرداخته شده است.
کاستلسکی می گوید: "آزمایش آدلبرگر به مقایسه ی افتادن هم زمان یک سیب و یک پرتقال می پردازد."
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 (10) هستند و بدین وسیله، با اندازه گیری کشش گرانشی بین دو جرم، به بررسی وضعیت آنها می پردازند.
به منظور انجام چنین آزمایشی، آنها همچنین باید ترازویشان را از میدان های مغناطیسی و لرزش های آزمایشگاه های اطراف دور نگاه می داشتند، و همچنین می بایست کشش های گرانشی ناشی از سطح ایستایی آب های زیر زمینی را نیز که در زمان های مختلف سال متفاوت است، جبران می کردند.
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 100 میلیارد.
کاستلسکی بی باک عمل می کند. آزمایش آدلبرگر تنها به بررسی یک نوع تعامل بین میدان فرضی و جاذبه پرداخته است. کاستلسکی باور دارد که آزمایش های انجام شده در زمان های مختلف سال می توانند جنبه ی دیگری از جفت شدگی را نشان دهند. با تغییر فصل ها، جهت گیری نسبی سرعت زمین و پیکان های میدان جاذبه به طور چشمگیری تغییر می کنند.
اگر این طرح شکست بخورد، گزینه های دیگری وجود دارد مانند میدان پاد الکترون برای جداسازی تقارن جهان، کاستلسکی می گوید: "سیب ها و میوه هایی غیر از سیب، با سرعت های متفاوتی می افتند. بررسی این نظریه حتی سخت تر هم هست: برای مثال در حال حاضر ما برای جمع آوری پاد الکترون کافی جهت تهیه ی جرم یک سیب، قابلیت های لازم را نداریم. گرچه اتم های پاد هیدروژن ساخته شده اند و تلاش هایی در این جهت صورت گرفته که آیا این نوع اتم ها با سرعتی متفاوت نسبت به هیدروژن سقوط می کنند یا خیر." کاستلسکی می گوید: "در دهه ی آینده به نتایجی دست خواهیم یافت."
کاستلسکی به آزمایش های دیگری اشاره می کند که ممکن است میدان های فرضی SME را نمایان سازند. حسگرهای جاذبه ابررسانا، لیزرهایی که فاصله ها را تا ماه بررسی می کنند، تداخل سنج های اتمی و آزمایش های گرانشی ماهواره ای مانند microSCOPE و STEP یا هر اقدامی از این دست، می تواند به ما کمک کند که دریابیم این تقارن سخت در کجا قابل در هم شکستن است و نیز این که آن نظریه ی نهایی و دل فریب جهان آفرینش در چه موقعیتی خود را نمایان می کند.
بسیار خوب، این امیدبخش است. گرچه ولور موافق است که چنین آزمایش هایی مهم هستند، ولی هنوز متقاعد نشده است که موارد نقضی از تقارن را نشان می دهند. وی می گوید: "به هیچ وجه نمی توان مطمئن شد نقض تقارن ها وجود دارند، یا این که بشر هرگز بتواند آنها را بیابد."
آدلبرگر درباره ی موارد قابل پیش بینی نیز دقت نظر دارد، ولی فکر می کند به هر حال بهتر است به جست و جو ادامه دهیم. وی باور دارد که وفق دادن نسبیت با نظریه ی کوانتومی به قدری مهم است که ما نمی توانیم هیچ یک از اصول اساسی را آزمایش نشده رها کنیم. آدلبرگر می گوید: "به نظر می رسد به احتمال زیاد ما داریم مسئله ی مهمی را در فیزیک از دست می دهیم." وی ادامه می دهد: "اگر اثرات بزرگ نقض تقارن لورنتس وجود داشته باشند برای من شگفت آور خواهد بود. ولی بررسی این که آیا طبیعت به پیش داوری های ما اهمیت می دهد یا خیر، قطعاً ارزشمند است."