دانشمندان «توپ اتمی» ساختند؛ آزمایشی برای محک زدن نظریه اینشتین

اگر یک جسم سنگین و یک جسم سبک را از ارتفاع یکسان رها کنیم، در شرایطی که مقاومت هوا و نیروهای دیگر وجود نداشته باشد، هر دو با شتاب یکسان سقوط می‌کنند. این اصل ساده یکی از پایه‌های نظریه گرانش اینشتین است.

حالا دانشمندان می‌خواهند ببینند آیا این قانون برای یک نوع ماده بسیار عجیب هم برقرار است یا نه.

پژوهشگران مؤسسه فناوری فدرال زوریخ (ETH Zurich) و مؤسسه پل شرر (PSI) در سوئیس موفق شده‌اند یک پرتو بسیار منظم از میونیوم (Muonium) تولید کنند. میونیوم اتمی عجیب است که بیشتر جرم آن از یک ذره به نام پادمیون (Antimuon) می‌آید.

بر اساس گزارش SciTechDaily، این دستاورد که نتایج آن در مجله Nature Physics منتشر شده، یک مانع مهم را برای آزمایش اثر گرانش بر این ماده برطرف کرده است. پژوهشگران هنوز گرانش میونیوم را اندازه‌گیری نکرده‌اند، اما اکنون ابزار لازم برای انجام این آزمایش را در اختیار دارند. 

چرا دانشمندان سراغ میونیوم رفته‌اند؟

ماده معمولی اطراف ما از اتم‌ها ساخته شده است. درون اتم‌ها الکترون‌ها و هسته‌هایی وجود دارند که خودشان از ذرات بنیادی مانند کوارک‌ها ساخته شده‌اند.

الکترون و کوارک‌ها به نسل اول ذرات بنیادی تعلق دارند. اما طبیعت دو نسل سنگین‌تر دیگر هم دارد. یکی از مهم‌ترین اعضای نسل دوم، میون (Muon) است. ذره‌ای که از نظر ویژگی‌های بنیادی شبیه الکترون اما بسیار سنگین‌تر است.

دانشمندان هنوز دقیقاً نمی‌دانند چرا طبیعت سه نسل از ذرات بنیادی دارد. حالا میونیوم فرصتی فراهم می‌کند تا یک سؤال دیگر بررسی شود. آیا یک ذره از نسل دوم هم دقیقاً مانند ماده معمولی تحت تأثیر گرانش قرار می‌گیرد؟

میونیوم چیست؟

میونیوم از یک الکترون و یک پادمیون تشکیل شده است. بار این دو ذره یکدیگر را خنثی می‌کند و در نتیجه، میونیوم یک اتم خنثی است. این ویژگی برای آزمایش گرانش بسیار مهم است.

گرانش در مقایسه با نیروهای الکترومغناطیسی بسیار ضعیف است. اگر ذره‌ای باردار باشد، میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی کوچک اطراف آن می‌توانند اثر گرانش را تحت‌الشعاع قرار دهند. اما میونیوم خنثی است و بنابراین گزینه مناسب‌تری برای چنین آزمایشی محسوب می‌شود.

مشکل دیگری هم وجود دارد. میون‌ها عمر بسیار کوتاهی دارند و به‌طور متوسط فقط ۲.۲ میکروثانیه دوام می‌آورند.

«توپ اتمی» چگونه کار می‌کند؟

پژوهشگران برای حل این مشکل از هلیوم ابرسیال (Superfluid Helium) استفاده کردند. ماده‌ای که تا نزدیک صفر مطلق، یعنی حدود منفی ۲۷۳ درجه سانتی‌گراد، سرد شده است.

پادمیون‌ها وارد لایه‌ای نازک از این هلیوم می‌شوند، سرعتشان کاهش پیدا می‌کند و می‌توانند یک الکترون جذب کنند. به این ترتیب، میونیوم تشکیل می‌شود.

اما اتفاق جالب بعد از آن رخ می‌دهد. میونیوم از نظر انرژی تمایل ندارد داخل هلیوم باقی بماند. وقتی اتم به سطح مایع می‌رسد، این اختلاف انرژی باعث می‌شود به سمت بالا پرتاب شود.

جسی ژانگ (Jesse Zhang)، نویسنده اصلی پژوهش، این فرایند را به استفاده از «پتانسیل شیمیایی به‌عنوان یک توپ اتمی» تشبیه کرده است. نتیجه، پرتو نسبتاً منظمی از اتم‌های میونیوم است که با سرعت‌های مشابه و تقریباً در یک جهت حرکت می‌کنند.

این ویژگی برای آزمایش گرانش ضروری است.

گرانش چگونه آزمایش می‌شود؟

ساخت این پرتو، خود آزمایش گرانش نیست. مرحله بعدی ساخت دستگاهی به نام تداخل‌سنج (Interferometer) است. این دستگاه از رفتار موجی اتم‌ها استفاده می‌کند. وقتی موج‌های اتمی با یکدیگر تداخل می‌کنند، الگویی ایجاد می‌شود که می‌توان آن را اندازه‌گیری کرد.

گرانش زمین باید این الگو را اندکی تغییر دهد. با اندازه‌گیری این تغییر، پژوهشگران می‌توانند مشخص کنند میونیوم هنگام سقوط چه شتابی دارد. اگر نتیجه با ماده معمولی یکسان باشد، اصل معروف هم‌ارزی جرم گرانشی و جرم لختی برای این نوع ماده نیز تأیید می‌شود.

اما اگر میونیوم رفتار متفاوتی نشان دهد، موضوع بسیار جذاب‌تر می‌شود. اگر میونیوم با شتاب متفاوتی سقوط کند، فیزیکدانان باید دلیل آن را پیدا کنند.

یکی از احتمالات، وجود یک نیروی بنیادی پنجم در طبیعت است. امروز چهار نیروی بنیادی گرانش، الکترومغناطیس، نیروی هسته‌ای قوی و نیروی هسته‌ای ضعیف شناخته شده‌اند.

پژوهشگران امیدوارند آزمایش اولیه با این پرتو اتمی را در سال جاری انجام دهند و در صورت موفقیت، آزمایش واقعی گرانش طی دو یا سه سال آینده انجام شود.

منبع: خبرآنلاین