تحقق یک پیش‌بینی دیگر از نظریه نسبیت عام

اما حدود 8 ماه دیگر زمان احتیاج است تا درستی پیش‌بینی دیگر اینشتین تأیید شود. این کاوشگر در 20 آوریل سال 2004 به مدار زمین پرتاب شد.

ماهواره «گاوشگر گرانش B» بى گمان یکی از بی‌نظیرترین ساخته‌های دست بشر است و مهندسان ناسا براى توصیف آن از لغات «زیبا» و «هنرمندانه» استفاده مى‌کنند. ساخت GP-B از دهه ۱۹۵۰ مطرح بوده اما از لحاظ فنى امکان ساخت آن به تازگى فراهم شده است.

«جف کولد زیجزاک» رئیس پروژه در مرکز پروازهاى فضایى «مارشال» ناسا درباره GP-B مى‌گوید: «اگر علم تجربى یک هنر است پس من هم به GP-B به عنوان یک شاهکار رنسانس نگاه مى‌کنم.» زیبایى و عظمت طراحى GP-B در این است که این ماهواره در اطراف سیاره زمین که مملو از اجرام گوناگون است کشفیاتى بسیار دقیق پرداخته که اثر هر کدام از این اجرام ممکن است در نتیجه آزمایش تأثیر داشته باشد.

دانشمندان به‌وسیله این ماهواره خمیدگى فضا _ زمان در اطراف زمین را سنجیده‌اند. این عمل باید آن چنان دقیق انجام شود که حتى لحظه‌اى دخالت یک نیروى خارجى دیگر یا یک نقص کوچک و میلى مترى در داخل ماهواره موجب ایجاد یک خطاى سیستماتیک در نتیجه آزمایش شده و باعث پنهان شدن تأثیرى مى‌شود که دانشمندان به دنبال آن هستند. نظریه نسبیت عام که در سال ۱۹۱۶ توسط اینشتین تدوین شد،  پیش‌بینى مى‌کند که زمین با حرکت وضعى به دور خود،  فضا _ زمان را به همراه خود مى‌کشد و یک مارپیچ از فضا _ زمان در اطراف زمین تشکیل مى‌شود.

دانشمندان به این پدیده «کشیدگى چارچوب» مى‌گویند. با توجه به اثبات بسیارى از پیش‌بینى‌هاى نظریه نسبیت عام، اکثر فیزیکدانان منتظر بودند که چنین وضعیت  گردابى در فضا _ زمان مشاهده‌ شود. اما پیش از این هیچ آزمایشى براى تایید این پیش بینى نظریه انجام نشده بود.

ایده آزمایش بسیار ساده است. ژیروسکوپ (یک کره) در حال دوران که محور دوران در چارچوب ستاره‌هاى ثابت وضعیت مشخصى را دارد، در مدار زمین قرار مى‌دهیم و تلاش مى‌کنیم که نیروهاى خارجى بر آن تأثیر نداشته باشند. بنابراین محور دوران ژیروسکوپ نباید تغییر جهت دهد و همواره باید ثابت باشد. اما اگر فضا زمان در اثر جرم و حرکت دورانى زمین به صورت یک مارپیچ درآمده باشد، محور دوران باید تحت  تأثیر خمیدگى فضا _ زمان به آرامى تغییر جهت بدهد و با اندازه‌گیرى این تغییرات کوچک مى‌توان نظریه نسبیت عام را تحقیق کرد. اصول آزمایش ساده است ولى مشکل در نحوه انجام آن است. طبق محاسبات محور ژیروسکوپ باید 042/0 ثانیه قوسى در سال نسبت به چارچوب ثوابت تغییر زاویه بدهد. هر ثانیه قوسى یک سه‌هزار و ششصدم درجه است! براى تحقیق این چرخش باید دقت اندازه گیرى GP-B کمتر از 0005/0 ثانیه قوسى باشد.

۴۰ سال برنامه‌ریزى، تحقیق و تلاش دانشمندان و مهندسین دانشگاه استانفورد مرکز پروازهاى فضایى مارشال و هواپیماسازى لاکهید مارتین باعث خلق این شاهکار شده‌است. تیم سازنده GP-B توانستند کروى‌ترین گوى‌هایى را که تاکنون بشر ساخته است براى ژیروسکوپ‌هاى این ماهواره بسازند. این گوى‌ها باید در مدار زمین در یک محفظه‌اى که با پوششى فلزى از نفوذ هرگونه میدان الکترومغناطیسى جلوگیرى مى‌کند، قرار بگیرند. حرکات چرخشى ماهواره هم اثرات گرانش زمین را خنثى مى‌کند.

بنابراین محور چرخش  گوى‌ها تحت تأثیر هیچ نیروى خارجى نیست و تنها خمیدگى فضا زمان است که مى‌تواند روى آن تأثیر بگذارد. این محفظه را محفظه بدون لرزش (drag-free) مى‌گویند. ساخت چنین محفظه‌اى بسیار مشکل است. زیرا میدان مغناطیسى زمین چنان گسترده است که GP-B را که ۴۰۰ کیلومتر بالاى سطح زمین قرار دارد احاطه مى‌کند. گوى‌هاى ژیروسکوپ به اندازه یک توپ پینگ پنگ با قطر 5/1 اینچ هستند که از جنس آلیاژ کوارتز و سیلیسیم ساخته شده‌اند. این گوى‌ها توخالى هستند و بدنه آنها به حدى نازک است که اگر گوى‌ها به اندازه کره زمین بودند ضخامت جدار آنها تنها حدود ۱۰ متر مى‌شد! اگر این جدار نازک کاملاً کروى نبود، محور دوران آن خود به خود دچار تغییر جهت مى‌شد (در اثر گرانش زمین) و تمام تلاش‌هاى آزمایش‌گران از بین مى‌رفت.

قرار گرفتن در مدار موجب مى‌شود که گوى‌ها به حالت بى‌وزنى در محفظه خود شناور شوند، اما بدون کنترل ممکن است گوى‌هاى چرخان چنان منحرف شوند که به بدنه ماهواره برخورد کنند. ماهواره هم در حالت بى‌وزنى قرار دارد. براى جلوگیرى از برخورد ژیروسکوپ با بدنه ماهواره تیم GP-B از یک بدنه ماهواره ضدلرزش استفاده کرده‌اند. در درون ماهواره دستگاه‌هاى اندازه‌گیرى فاصله ژیروسکوپ تا بدنه محفظه با دقتى حدود یک نانومتر در حال کنترل آن هستند و موتورهاى ماهواره کوچک‌ترین تغییرى در این فاصله را تصحیح مى‌کنند.

در نتیجه در حقیقت گوى‌هاى ژیروسکوپ در حالى به دور زمین مى‌چرخند که درون یک محفظه‌اى قرار دارند که هیچ گونه تماسى با آن ندارند اما این محفظه همواره آنها را از شر هر نیروى خارجى در امان نگه مى‌دارد.

براى جلوگیرى از نفوذ میدان مغناطیسى زمین که باعث به هم خوردن محور دوران ژیروسکوپ ها مى‌شود چه باید کرد؟ میدان‌هاى الکترومغناطیسى در داخل فلزات نفوذ نمى‌کنند به همین دلیل ژیروسکوپ‌ها در محفظه‌اى سربى قرار دارند که پیرامون آن را حدود ۴۰۰ گالون هلیم مایع فراگرفته که دماى محیط را به حدود 7/1 کلوین (۲۷۱ - درجه سانتى گراد) مى‌رساند.

این امر باعث ایجاد خاصیت ابررسانایى در سرب مى‌شود و به این ترتیب از نفوذ هرگونه میدان الکترومغناطیسى از جمله میدان مغناطیسى زمین و یا میدان‌هاى تابشى خورشید، به درون محفظه ژیروسکوپ‌ها، جلوگیرى مى‌کند، در حقیقت میدان مغناطیسى در مدارى که این ماهواره در آن قرار دارد حدود 003/0 گاوس است (در سطح زمین این میزان 5/0 گاوس است) اما اثر همین مقدار کم هم باید از بین برود تا نتایج کاملاً صحیح باشند. سرماى شدید ناشى از هلیم مایع فایده دیگرى هم دارد و آن این است که باعث ایجاد خلا با حداقل فشار ممکن در درون محفظه مى‌شود. بعد از خارج کردن هوا از محفظه آن میزان از مولکول‌هاى گاز که در محیط باقى می‌مانند، در اثر سرماى ایجاد شده عملاً به سختى حرکت مى‌کنند و مشکلى براى چرخش ژیروسکوپ‌ها به‌وجود نمى‌آورند. تجهیزات ایجاد خلأ بالا (High _ Vacum) محفظه قادرند با سرعت ۱۰ هزار دور در دقیقه به مدت هزار سال بدون کاهش حتى ۱ درصد در سرعتش بچرخد!

نکته مهم بعدى اندازه‌گیرى محور دوران ژیروسکوپ‌ها است که این عمل باید بدون کوچک‌ترین ضربه به آن انجام شود. این بار نیز از خواص ابررسانا استفاده مى‌شود. وقتى یک گوى رسانا مى‌چرخد میدان مغناطیسى ضعیفى تولید مى‌کند. به‌همین دلیل گوى‌ها از لایه نازکى از فلز «نیوبیوم» پوشیده شده. در دماى محفظه فلز نیوبیوم خاصیت رسانایى دارد و در اثر چرخش میدانى ایجاد مى‌شود که توسط SQUIDهاى به کار رفته در بدنه محفظه قابل ردیابى هستند. SQUIDها وسیله‌اى براى سنجش میدان‌هاى مغناطیسى هستند که قادرند میدان مغناطیسى به کوچکى ۵۰ میلیاردم یک میکروگاوس (۱۰۱۴*۵ گاوس) را آشکار کنند.

در اثر تغییر هوا چرخش ژیروسکوپ، تغییرات ایجاد شده در میدان مغناطیسى در همین حدود‌اند و قابل ردیابى توسط SQUIDها هستند. در داخل ماهواره یک تلسکوپ کار گذاشته شده که به سمت یک ستاره دوردست و تقریباً ثابت (در مدت دو سال ماموریت GP-B) به نام IM-Pegasus نشانه‌گیر شده است. اگرچه این ستاره کاملاً ثابت نیست اما کیهان شناسان تمام حرکات آن را کنترل مى‌کنند.

این ستاره به عنوان یک نقطه مرجع خارجى براى اندازه گیرى انحراف محور ژیروسکوپ‌ها به کار مى‌رود. ژیروسکوپ‌ها محفظه‌اى سربى ابررسانا SQUID ها، تلسکوپ ها و سایر تجهیزات GP-B کاوشگر گرانش B باعث شده که فیزیکدانان به این نتیجه برسند که این ماهواره واقعاً شاهکار فرد بشرى است.

با این همه دقت، این شاهکار ساخت بشر که بدون شک یا شاهکارهای دوران رنسانس برای می‌کند توانسته است یکی از بزرگ‌ترین دستاوردهای علمی همه تاریخ یعنی نسبیت عام را تایید کند.