انجمن علمی زمین شناسی دانشگاه تهران

مهدي‌صارمي‌فر:

نتایج اولیه ماموریت کاوشگر ناسا (Gravity Probe B) که با هدف بررسی دو پیش‌بینی مهم آلبرت اينشتين صورت گرفته است نشان می‌دهد که پیش‌بینی این فیزیکدان برجسته حداقل در یکی از این دو مورد درست بوده است.

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

ماهواره «گاوشگر گرانش B» بى گمان يكي از بي‌نظيرترين ساخته‌هاي دست بشر است و مهندسان ناسا براى توصيف آن از لغات «زيبا» و «هنرمندانه» استفاده مى‌كنند. ساخت GP-B از دهه ۱۹۵۰ مطرح بوده اما از لحاظ فنى امكان ساخت آن به تازگى فراهم شده است.

«جف كولد زيجزاك» رئيس پروژه در مركز پروازهاى فضايى «مارشال» ناسا درباره GP-B مى‌گويد: «اگر علم تجربى يك هنر است پس من هم به GP-B به عنوان يك شاهكار رنسانس نگاه مى‌كنم.» زيبايى و عظمت طراحى GP-B در اين است كه اين ماهواره در اطراف سياره زمين كه مملو از اجرام گوناگون است كشفياتى بسيار دقيق پرداخته كه اثر هر كدام از اين اجرام ممكن است در نتيجه آزمايش تأثير داشته باشد.

دانشمندان به‌وسيله اين ماهواره خميدگى فضا _ زمان در اطراف زمين را سنجيده‌اند. اين عمل بايد آن چنان دقيق انجام شود كه حتى لحظه‌اى دخالت يك نيروى خارجى ديگر يا يك نقص كوچك و ميلى مترى در داخل ماهواره موجب ايجاد يك خطاى سيستماتيك در نتيجه آزمايش شده و باعث پنهان شدن تأثيرى مى‌شود كه دانشمندان به دنبال آن هستند. نظريه نسبيت عام كه در سال ۱۹۱۶ توسط اينشتين تدوين شد،  پيش‌بينى مى‌كند كه زمين با حركت وضعى به دور خود،  فضا _ زمان را به همراه خود مى‌كشد و يك مارپيچ از فضا _ زمان در اطراف زمين تشكيل مى‌شود.

دانشمندان به اين پديده «كشيدگى چارچوب» مى‌گويند. با توجه به اثبات بسيارى از پيش‌بينى‌هاى نظريه نسبيت عام، اكثر فيزيكدانان منتظر بودند كه چنين وضعيت  گردابى در فضا _ زمان مشاهده‌ شود. اما پيش از اين هيچ آزمايشى براى تاييد اين پيش بينى نظريه انجام نشده بود.

ايده آزمايش بسيار ساده است. ژيروسكوپ (يك كره) در حال دوران كه محور دوران در چارچوب ستاره‌هاى ثابت وضعيت مشخصى را دارد، در مدار زمين قرار مى‌دهيم و تلاش مى‌كنيم كه نيروهاى خارجى بر آن تأثير نداشته باشند. بنابراين محور دوران ژيروسكوپ نبايد تغيير جهت دهد و همواره بايد ثابت باشد. اما اگر فضا زمان در اثر جرم و حركت دورانى زمين به صورت يك مارپيچ درآمده باشد، محور دوران بايد تحت  تأثير خميدگى فضا _ زمان به آرامى تغيير جهت بدهد و با اندازه‌گيرى اين تغييرات كوچك مى‌توان نظريه نسبيت عام را تحقيق كرد. اصول آزمايش ساده است ولى مشكل در نحوه انجام آن است. طبق محاسبات محور ژيروسكوپ بايد 042/0 ثانيه قوسى در سال نسبت به چارچوب ثوابت تغيير زاويه بدهد. هر ثانيه قوسى يك سه‌هزار و ششصدم درجه است! براى تحقيق اين چرخش بايد دقت اندازه گيرى GP-B كمتر از 0005/0 ثانيه قوسى باشد.

۴۰ سال برنامه‌ريزى، تحقيق و تلاش دانشمندان و مهندسين دانشگاه استانفورد مركز پروازهاى فضايى مارشال و هواپيماسازى لاكهيد مارتين باعث خلق اين شاهكار شده‌است. تيم سازنده GP-B توانستند كروى‌ترين گوى‌هايى را كه تاكنون بشر ساخته است براى ژيروسكوپ‌هاى اين ماهواره بسازند. اين گوى‌ها بايد در مدار زمين در يك محفظه‌اى كه با پوششى فلزى از نفوذ هرگونه ميدان الكترومغناطيسى جلوگيرى مى‌كند، قرار بگيرند. حركات چرخشى ماهواره هم اثرات گرانش زمين را خنثى مى‌كند.

بنابراين محور چرخش  گوى‌ها تحت تأثير هيچ نيروى خارجى نيست و تنها خميدگى فضا زمان است كه مى‌تواند روى آن تأثير بگذارد. اين محفظه را محفظه بدون لرزش (drag-free) مى‌گويند. ساخت چنين محفظه‌اى بسيار مشكل است. زيرا ميدان مغناطيسى زمين چنان گسترده است كه GP-B را كه ۴۰۰ كيلومتر بالاى سطح زمين قرار دارد احاطه مى‌كند. گوى‌هاى ژيروسكوپ به اندازه يك توپ پينگ پنگ با قطر 5/1 اينچ هستند كه از جنس آلياژ كوارتز و سيليسيم ساخته شده‌اند. اين گوى‌ها توخالى هستند و بدنه آنها به حدى نازك است كه اگر گوى‌ها به اندازه كره زمين بودند ضخامت جدار آنها تنها حدود ۱۰ متر مى‌شد! اگر اين جدار نازك كاملاً كروى نبود، محور دوران آن خود به خود دچار تغيير جهت مى‌شد (در اثر گرانش زمين) و تمام تلاش‌هاى آزمايش‌گران از بين مى‌رفت.

قرار گرفتن در مدار موجب مى‌شود كه گوى‌ها به حالت بى‌وزنى در محفظه خود شناور شوند، اما بدون كنترل ممكن است گوى‌هاى چرخان چنان منحرف شوند كه به بدنه ماهواره برخورد كنند. ماهواره هم در حالت بى‌وزنى قرار دارد. براى جلوگيرى از برخورد ژيروسكوپ با بدنه ماهواره تيم GP-B از يك بدنه ماهواره ضدلرزش استفاده كرده‌اند. در درون ماهواره دستگاه‌هاى اندازه‌گيرى فاصله ژيروسكوپ تا بدنه محفظه با دقتى حدود يك نانومتر در حال كنترل آن هستند و موتورهاى ماهواره كوچك‌ترين تغييرى در اين فاصله را تصحيح مى‌كنند.

در نتيجه در حقيقت گوى‌هاى ژيروسكوپ در حالى به دور زمين مى‌چرخند كه درون يك محفظه‌اى قرار دارند كه هيچ گونه تماسى با آن ندارند اما اين محفظه همواره آنها را از شر هر نيروى خارجى در امان نگه مى‌دارد.

براى جلوگيرى از نفوذ ميدان مغناطيسى زمين كه باعث به هم خوردن محور دوران ژيروسكوپ ها مى‌شود چه بايد كرد؟ ميدان‌هاى الكترومغناطيسى در داخل فلزات نفوذ نمى‌كنند به همين دليل ژيروسكوپ‌ها در محفظه‌اى سربى قرار دارند كه پيرامون آن را حدود ۴۰۰ گالون هليم مايع فراگرفته كه دماى محيط را به حدود 7/1 كلوين (۲۷۱ - درجه سانتى گراد) مى‌رساند.

اين امر باعث ايجاد خاصيت ابررسانايى در سرب مى‌شود و به اين ترتيب از نفوذ هرگونه ميدان الكترومغناطيسى از جمله ميدان مغناطيسى زمين و يا ميدان‌هاى تابشى خورشيد، به درون محفظه ژيروسكوپ‌ها، جلوگيرى مى‌كند، در حقيقت ميدان مغناطيسى در مدارى كه اين ماهواره در آن قرار دارد حدود 003/0 گاوس است (در سطح زمين اين ميزان 5/0 گاوس است) اما اثر همين مقدار كم هم بايد از بين برود تا نتايج كاملاً صحيح باشند. سرماى شديد ناشى از هليم مايع فايده ديگرى هم دارد و آن اين است كه باعث ايجاد خلا با حداقل فشار ممكن در درون محفظه مى‌شود. بعد از خارج كردن هوا از محفظه آن ميزان از مولكول‌هاى گاز كه در محيط باقى مي‌مانند، در اثر سرماى ايجاد شده عملاً به سختى حركت مى‌كنند و مشكلى براى چرخش ژيروسكوپ‌ها به‌وجود نمى‌آورند. تجهيزات ايجاد خلأ بالا (High _ Vacum) محفظه قادرند با سرعت ۱۰ هزار دور در دقيقه به مدت هزار سال بدون كاهش حتى ۱ درصد در سرعتش بچرخد!

نكته مهم بعدى اندازه‌گيرى محور دوران ژيروسكوپ‌ها است كه اين عمل بايد بدون كوچك‌ترين ضربه به آن انجام شود. اين بار نيز از خواص ابررسانا استفاده مى‌شود. وقتى يك گوى رسانا مى‌چرخد ميدان مغناطيسى ضعيفى توليد مى‌كند. به‌همين دليل گوى‌ها از لايه نازكى از فلز «نيوبيوم» پوشيده شده. در دماى محفظه فلز نيوبيوم خاصيت رسانايى دارد و در اثر چرخش ميدانى ايجاد مى‌شود كه توسط SQUIDهاى به كار رفته در بدنه محفظه قابل رديابى هستند. SQUIDها وسيله‌اى براى سنجش ميدان‌هاى مغناطيسى هستند كه قادرند ميدان مغناطيسى به كوچكى ۵۰ ميلياردم يك ميكروگاوس (۱۰۱۴*۵ گاوس) را آشكار كنند.

در اثر تغيير هوا چرخش ژيروسكوپ، تغييرات ايجاد شده در ميدان مغناطيسى در همين حدود‌اند و قابل رديابى توسط SQUID ها هستند. در داخل ماهواره يك تلسكوپ كار گذاشته شده كه به سمت يك ستاره دوردست و تقريباً ثابت (در مدت دو سال ماموريت GP-B) به نام IM-Pegasus نشانه‌گير شده است. اگرچه اين ستاره كاملاً ثابت نيست اما كيهان شناسان تمام حركات آن را كنترل مى‌كنند.

اين ستاره به عنوان يك نقطه مرجع خارجى براى اندازه گيرى انحراف محور ژيروسكوپ‌ها به كار مى‌رود. ژيروسكوپ‌ها محفظه‌اى سربى ابررسانا SQUID ها، تلسكوپ ها و ساير تجهيزات GP-B كاوشگر گرانش B باعث شده كه فيزيكدانان به اين نتيجه برسند كه اين ماهواره واقعاً شاهكار فرد بشرى است.

با اين همه دقت، اين شاهكار ساخت بشر كه بدون شك يا شاهكارهاي دوران رنسانس براي مي‌كند توانسته است يكي از بزرگ‌ترين دستاوردهاي علمي همه تاريخ يعني نسبيت عام را تاييد كند.

http://hamshahrionline.ir