فیزیک‌دانان یکی از پیش‌بینی‌های اصلی نظریه نسبیت خاص آلبرت انیشتین را با دقت بی‌سابقه‌ای تایید کردند. آزمایش‌هایی که در یک شتاب‌دهنده‌ی ذره در آلمان انجام گرفته٬ نشان داده است که زمان برای یک ساعت متحرکت نسبت به یک ساعت ساکن کندتر می‌گذرد.

تعداد کمی از دانش‌مندان به گفته‌ی انیشتین شک داشته‌اند. اما ریاضیاتی که اثر اتساع زمانی را توصیف می‌کند به بیان توماس یودم (Thomas Udem) فیزیک‌دانی از موسسه‌ی اپیتیک کوانتومی ماکس پلانک در گارشینگ آلمان که در این پژوهش دخیل نبوده است٬ می گوید: « این نظریه اساس تمامی نظریات فیزیکی است. اثبات این اثر با بهترین دقت ممکن از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است».

مقاله‌ای در ۱۶ سپتامبر در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز [1] به چاپ رسیده است. این مقاله حاصل ۱۵ سال کاری است که توسط گروه بین‌المللی از همکاران از جمله برنده‌ی جایزه‌ی نوبل٬ تیئودور هانش (Theodor Hänsch) مدیر موسسه‌ی اپتیک ماکس پلانک انجام گرفته است.

برای آزمودن اثر اتساع زمانی٬ فیزیک‌دانان نیاز به این دارند تا دو ساعت را با همدیگر مقایسه کنند- یکی ساکن و دیگری در حال حرکت-. به این منظور این پژوهش‌گران از حلقه‌ی ذخیره‌سازی آزمایشگاهی (Experimental Storage Ring) استفاده کرده‌اند که در آن ذراتِ با سرعت بالا ذخیره شده و در مرکز GSI هلمهولتز٬ برای تحقیق در مورد یون‌های سنگین در دارمیستاد آلمان تحت مطالعه قرار گرفته‌اند.

این دانش‌مندان ساعت متحرکی ساخته‌اند که با استفاده از یون‌های لیتیوم شتاب‌دار تا یک‌سوم سرعت نور شتاب می‌گیرد. سپس مجموعه‌ای از گذارهای درون لیتیوم را اندازه‌گیری کرده‌اند که در آن گذارها٬ الکترون‌ها مابین سطوح انرژی مختلف جابجا می‌شوند.

این پژوهش‌گران اثر اتساع زمانی را بسیار دقیق‌تر از آن‌چه در مطالعات قبلی (شامل مقاله‌ای که در سال ۲۰۰۷ توسط گروه پژوهشی مشابهی انجام شده بود[2]) به آن رسیده‌اند٬ اندازه‌گیری کرده‌اند. به گفته‌ی جرالد گوینر (Gerald Gwinner) فیزیک‌دانی از دانشگاه مانیتوبا در وینیپگ کانادا: «نتایج این کارِ جدید٬ تقریباً پنج برابر بهتر از نتایج پیشین ماست و ۵۰ تا ۱۰۰ برابر بهتر از هر روش دیگری که توسط افراد دیگر برای اندازه‌گیری اتساع زمانی نسبیتی استفاده شده است».

وی خاطر نشان می‌کند که درک اتساع زمانی پیامدهای عملی نیز دارد. ماهواره‌های سیستم موقعیت‌یاب جهانی (GPS) اساساً ساعت‌هایی در مدار هستند و نرم‌افزار GPS بایستی جابجایی‌های زمانی کوچکی که در تحلیل اطلاعات رهیابی وجود دارد را به حساب آورد. آژانس فضایی اروپا طرح‌هایی دارد تا اتساع زمانی را بیازماید. این طرح‌ها هنگام شروع به کار آزمایش هنگرد ساعت اتمی در فضا (ACES) در جایگاه فضایی بین‌المللی در سال ۲۰۱۶ انجام می‌پذیرد.

به بیان مسیو میوز (Matthew Mewes)٬ فیزیک‌دانی از دانشگاه ایالتی پلی‌تکنیک کالیفرنیا در شهر سان لوئیس اپیسبو که از اعضای این تیم پژوهشی نیست٬«این سرعت بسیار بالای یون‌ها به این معنی است که آزمایش‌های شتاب‌دهنده می‌تواند اتساع زمانی را بسیار دقیق‌تر از آزمایش‌ها در مدار زمین بیازماید». وی می‌افزاید: «این‌که بتوانیم فناوری را تا جایی‌که ممکن است به پیش ببریم موضوعی مهم به حساب می‌آید».

این تیم اما در حال برچیدن همکاری بلندمدت خود است. چون شتاب‌دهنده‌ی بزرگتری وجود ندارد تا بتوان آزمایش‌های قوی‌تری را نیز به انجام رساند. به گفته‌ی گوینر :« ساعت‌های بسیار زیادی در زیرزمین و اتاق‌های حفاظ‌دار با تجهیزات پرسروصدا سپری شده که در نهایت شما به یک عدد دست می‌یابید»«یک مشت پست‌های الکترونیکی نوستالوژیک هم بین ما تبادل شده است!»

مراجع:

1. Botermann, B. et al. Phys. Rev. Lett. 113, 120405 (2014).

2. Reinhardt, S. Nature Phys. 3, 861–864 (2007).

منبع:

Special relativity aces time trial