سيتم قياس تأثير دوران الأرض على الزمكان باستخدام جهاز استشعار الكم

اقترح فيزيائيون من الأكاديمية النمساوية للعلوم ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا جهاز استشعار مختبريًا يمكنه اكتشاف أحد أضعف تأثيرات النسبية العامة. ونشرت نتائج البحث في مجلة Physical Review Letters. الأرض تسحب الزمكان وفقًا لأينشتاين، تنشأ الجاذبية من انحناء الزمكان، وهو “نسيج” واحد رباعي الأبعاد يتكون من ثلاثة أبعاد مكانية وزمنية. ويترتب على النظرية أن الجسم الدوار يسحب هذا النسيج معه قليلاً. ويسمى التأثير سحب أنظمة القصور الذاتي. لقد لوحظ بالفعل أن محاور الجيروسكوبات القريبة من الأرض تتحرك ببطء بالنسبة للنجوم البعيدة. يقول المؤلف الأول كاي إسحاق إليرز: “في الأساس، تقوم الأرض بسحب الجيروسكوبات المحلية قليلاً معها أثناء دورانها”. كعكة مصنوعة من سائل فائق السيولة ولدت الفكرة في فيينا، حيث كان إليرز وبيرجيتا ويلي يزوران ماركوس أسبيلماير. هناك تم تقديمهم إلى ماريوس كريستودولو، الذي كان يبحث عن استخدام الهيليوم فائق السيولة في تجارب الجاذبية الدقيقة. الثلاثة جميعهم من المنظرين، لذلك أطلقوا على التجريبي كيث شواب من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. يتذكر إليرز قائلاً: “لقد عرف كيث بيرجيتا من خلال دراستها للدكتوراه وكان متحمسًا للمساعدة في ضمان أن يكون اقتراحنا مستندًا إلى الواقع”. يبدأ الهيليوم-4، عند تبريده إلى ما يقرب من الصفر المطلق، بالتدفق دون احتكاك. يقترح العلماء سكبه في أنبوب دائري على شكل كعكة دونات وفصله بقسم رفيع به ثقوب صغيرة. أثناء دوران الأنبوب، تختلف حركة الهيليوم قليلاً على جانبي الحاجز. ومن خلال قياس هذا الاختلاف، يتوقع العلماء اكتشاف تأثير دوران الأرض على الزمكان. يوضح إليرز: “يتم قياسه من خلال حركة الغشاء الميكانيكي المرتبط بحلقة من السوائل فائقة السيولة”. الصورة: ك.-آي. إليرز/جامعة كاليفورنيا، بيركلي يمكن لجهاز الاستشعار الكمي، المصمم للاستخدام في الظروف المختبرية، قياس انحناء الزمكان الناتج عن دوران الأرض بدقة في غضون ثوانٍ. العائق الرئيسي هو الحرارة. لقد قامت أجهزة استشعار مماثلة بالفعل بقياس دوران الأرض نفسها. لكن الإضافة الناتجة عن مقاومة الزمكان صغيرة جدًا لدرجة أنها تغرق في تقلبات فوضوية. يقول إليرز: “إن المرحلة الإضافية صغيرة للغاية، ويمكن أن تؤدي المراحل العشوائية الناجمة عن الضوضاء الحرارية إلى إغراقها”. وقام الفريق بتحليل الضجيج الصادر عن مثل هذا الجهاز لأول مرة، بالاعتماد على تجربة شواب. وتبين أنه عند درجة حرارة حوالي 10 مللي كلفن، أي أجزاء من المئات من الدرجة فوق الصفر المطلق، يمكن أن يطابق الجيروسكوب أو حتى يتجاوز حساسية أفضل قياسات التأثير، وفي وقت أقل. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تصنيعه في مختبر على الأرض، بدلاً من إطلاقه إلى الفضاء. ماذا يمكن التحقق منه؟ أظهرت الحسابات أن الهيليوم سينتج عنه اختلافات ضئيلة في مرور الوقت على طول مسارات مختلفة حول الحلقة. هذه طريقة جديدة لاختبار النسبية العامة. يقول إليرز: “يمكن للمرء أن يتخيل أننا ندرس العمليات في بعض الأحيان أطول ببضع مرات من زمن بلانك، والذي يعتبر مهمًا في الجاذبية الكمومية”. وستختبر التجربة أيضًا كيفية وصف نظرية أينشتاين لدوران الأجسام. ووفقا لها، فإن الأرض الدوارة تسحب الزمكان معها قليلا، في حين أن الفيزياء النيوتونية لا تتوقع مثل هذا التأثير. لإجراء التجربة، يحتاج العلماء أولاً إلى إنشاء مركبات خاصة للهيليوم -4 فائق السيولة، قادرة على العمل عند درجات حرارة تبلغ حوالي 0.01 درجة فوق الصفر المطلق. وفي التجارب السابقة، عملت أجهزة مماثلة في ظل ظروف مختلفة. يعمل مختبر شواب الآن على إنشاء مركبات مناسبة. وأضاف إليرز: “نحن مهتمون بشكل خاص بما إذا كانت الجاذبية الكمومية أو التفاعلات الأخرى خارج نظرية أينشتاين ستترك آثارًا في مثل هذه التجربة”. اشترك واقرأ “العلم” في MAX