دانشمندان «توپ اتمی» را طراحی کردند / آزمایشی جهت سنجش نظریه اینشتین
به نقل از خبرآنلاین، اگر یک جرم سنگین و یک جرم سبک را از ارتفاع برابر رها کنیم و در شرایطی که اثرات مقاومت هوا و دیگر نیروها وجود نداشته باشد، هر دو جسم با شتابی یکسان سقوط خواهند کرد. این اصل ساده یکی از ارکان اساسی نظریه گرانش مطرح‌شده توسط اینشتین است.
اکنون دانشمندان در تلاش‌اند تا بررسی کنند آیا این قانون درباره نوعی ماده بسیار خاص نیز صدق می‌کند یا خیر.
محققان مؤسسه فناوری فدرال زوریخ (ETH Zurich) و مؤسسه پل شرر (PSI) در سوئیس موفق به تولید یک پرتو بسیار منظم از میونیوم (Muonium) شده‌اند. میونیوم نوعی اتم خاص است که بیشتر جرم آن به وسیله ذره‌ای به نام پادمیون (Antimuon) تأمین می‌شود.
به‌گزارش SciTechDaily، این دستاورد که نتایج آن در مجله Nature Physics منتشر گردیده، یکی از موانع کلیدی را برای ارزیابی اثر گرانش بر روی این ماده رفع کرده است. با اینکه پژوهشگران هنوز گرانش میونیوم را اندازه‌گیری نکرده‌اند، اما اکنون ابزارهای لازم برای انجام این آزمایش را در دست دارند.
چرا دانشمندان به سمت میونیوم رفته‌اند؟
مواد عادی پیرامون ما از اتم‌ها تشکیل شده‌اند. داخل این اتم‌ها الکترون‌ها و هسته‌هایی وجود دارند که خود به ذرات بنیادی مانند کوارک‌ها محور می‌شوند.
الکترون و کوارک‌ها نمایندگان نسل اول ذرات بنیادی هستند. اما در طبیعت دو نسل سنگین‌تر دیگر وجود دارد. یکی از اعضای مهم نسل دوم، میون (Muon) است، ذره‌ای که از نظر ویژگی‌های بنیادی به الکترون شباهت دارد اما وزن بیشتری دارد.
پژوهشگران هنوز به طور کامل نمی‌دانند که چرا طبیعت سه نسل از ذرات بنیادی را به وجود آورده است. حالا میونیوم این فرصت را به وجود آورده تا به یک سؤال دیگر پرداخته شود: آیا یک ذره از نسل دوم نیز همانند ماده عادی تحت تأثیر گرانش قرار می‌گیرد؟
میونیوم چیست؟
میونیوم متشکل از یک الکترون و یک پادمیون است. بار این دو ذره یکدیگر را خنثی می‌کند و به همین دلیل، میونیوم به‌عنوان یک اتم خنثی شناخته می‌شود. این ویژگی برای انجام آزمایش گرانش حیاتی است.
گرانش قدرتی ضعیف‌تر در مقایسه با نیروهای الکترومغناطیسی دارد. اگر یک ذره باردار باشد، میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی موجود در اطراف آن می‌توانند تأثیر گرانش را تحت‌الشعاع قرار دهند. اما چون میونیوم خنثی است، به همین خاطر گزینه مناسب‌تری برای اجرای چنین آزمایشی محسوب می‌شود.
یک مشکل دیگر نیز وجود دارد. میون‌ها زمان زندگی بسیار کوتاهی دارند و فقط به طور میانگین ۲.۲ میکروثانیه دوام می‌آورند.
«توپ اتمی» چگونه عمل می‌کند؟
محققان برای رفع این مشکل از هلیوم ابر سیال (Superfluid Helium) بهره گرفتند. این ماده تا نزدیکی صفر مطلق، یعنی تقریباً منفی ۲۷۳ درجه سانتی‌گراد، سرد شده است.
پادمیون‌ها به لایه‌ای نازک از این هلیوم وارد می‌شوند، سرعت‌شان کاهش می‌یابد و می‌توانند یک الکترون را جذب کنند. این فرایند منجر به تشکیل میونیوم می‌شود.
اما آنچه بعد از تشکیل میونیوم اتفاق می‌افتد بسیار جالب است. میونیوم از لحاظ انرژی تمایل ندارد در هلیوم باقی بماند. زمانی که اتم به سطح مایع می‌رسد، این اختلاف انرژی باعث می‌شود که به سمت بالا پرتاب شود.
جسی ژانگ (Jesse Zhang)، نویسنده اصلی پژوهش، این فرآیند را به استفاده از «پتانسیل شیمیایی به‌عنوان یک توپ اتمی» تشبیه کرده است. نتیجه این تلاش، تشکیل پرتو نسبتاً منظمی از اتم‌های میونیوم است که با سرعت‌های مشابه و تقریباً در یک راستا حرکت می‌کنند.
این ویژگی برای آزمایش گرانش ضروری است.
گرانش چگونه آزمایش می‌شود؟
ایجاد این پرتو به خودی خود آزمایش گرانش محسوب نمی‌شود. گام بعدی ساخت تجهیزی به نام تداخل‌سنج (Interferometer) است که از رفتار موجی اتم‌ها بهره می‌گیرد. هنگامی که موج‌های اتمی با یکدیگر تداخل می‌کنند، الگویی شکل می‌گیرد که قابلیت اندازه‌گیری دارد.
نیروی گرانش زمین باید این الگو را کمی تغییر دهد. با اندازه‌گیری این تغییر، محققان می‌توانند شتاب میونیوم را در حین سقوط تعیین کنند. اگر این نتایج با مواد معمولی یکسان باشد، اصل معروف هم‌ارزی جرم گرانشی و جرم لختی برای این نوع ماده نیز تأیید خواهد شد.
اما چنانچه میونیوم رفتار متفاوتی از خود نشان دهد، موضوع به مراتب جذاب‌تر می‌شود. اگر میونیوم با شتابی متفاوت سقوط کند، دانشمندان ناچارند دلایل آن را بررسی کنند.
یکی از احتمالات، وجود یک نیروی بنیادی پنجم در طبیعت است. در حال حاضر، چهار نیروی بنیادی شامل گرانش، الکترومغناطیس، نیروی هسته‌ای قوی و نیروی هسته‌ای ضعیف شناخته شده‌اند.
محققان امیدوارند که آزمایش اولیه با این پرتو اتمی را در سال جاری انجام دهند و در صورت موفقیت، آزمایش‌های واقع‌گرایانه گرانش را در دو یا سه سال آینده به انجام برسانند.
۵۸۵۸