نجوم وفضا

دانشمندان با ابداع روشی برای اندازه‌گیری دقیق نیروی گرانشی با استفاده از نوترون‌های فوق‌سرد تلاش دارند علاوه بر تعیین قلمرو نیروی گرانش نیوتنی، وجود ماده تاریک و ابعاد بالاتر را نیز بررسی کنند.

تکنیک جدیدی که دانشمندان در کار با نوترون به آن دست یافته‌اند، به حدی حساس است که می‌توان از آن برای اندازه‌گیری اثرات کوانتومی نیروی جاذبه استفاده کرد. به این ترتیب، انحراف‌های جزئی از قوانین نیوتن، می‌توانند وجود و یا عدم وجود ماده تاریک و یا ابعاد بالاتر نظریه ریسمان را ثابت کنند.

فیزیکدانان ذرات در دانشگاه صنعتی وین و موسسه لاو- لانگوین (ILL)، تکنیک جدیدی را ارائه کرده‌اند که طیف‌نگاری واکنش گرانشی نامیده می‌شود؛ در این تکنیک، پژوهشگران نوترون‌های فوق سرد را در راستای یک آینه شلیک می‌کنند تا حالت‌های مختلف انرژی کوانتوم آنها مشاهده شود. با لرزاندن آینه در فرکانس‌های مشخص، پژوهشگران قادر خواهند بود تا نوترون‌ها را به حالت‌های بالاتر انرژی ببرند.

این اولین روش طبف‌سنجی واکنش است که از نیروهای الکترومغناطیسی، میدان و یا پتانسیل برای گذار استفاده نمی‌کند. موفقیت این گروه، اولین گام به سوی مدل‌سازی برهم‌کنش‌های گرانشی در فواصل بسیار کوتاه و جستجوی انحراف‌های بسیار کم پیش‌بینی شده برای نیروی گرانش خالص نیوتنی است. این پژوهش، همچنین می‌تواند اصل هم‌ارزی را نیز بیازماید که به موجب آن، نیروی گرانش فارغ از جرم اشیا، به همه آنها شتاب یکسانی می‌دهد. در سال 1971 / 1350، این اصل در آزمایش مشهوری بر روی ماه آزموده شد و یکی از فضانوردان آپولو، همزمان یک چکش و یک پر را رها کرد: میلیون‌ها نفر بر روی زمین دیدند که هر دوی آنها، هم‌زمان به سطح ماه رسیدند. پژوهشگران امیدوارند که برای اولین بار، از این تکنیک جدید برای آزمودن دقت این اصل در مقیاس اتمی بهره ببرند.

اثرات قابل رویت نیروی گرانش عموما در مقیاس بزرگ و در حرکات ستارگان و سیارات دیده می‌شود. ولی حوزه اثر مکانیک کوانتوم عمدتا در مقیاس اتمی است.

پروفسور هارتموت آبل، از موسسه فیزیک اتمی و زیراتمی وین، می‌گوید: «در این دنیای کوچک، نیروی جاذبه به حدی ضعیف است که مشاهده اثرات کوانتومی آن کار ساده‌ای نیست. استفاده از اتم‌ها برای اندازه گیری این اثرات بسیار سخت است چرا که نیروهای الکتریکی کم دامنه‌ای مانند نیروهای وان‌دروالس، باعث اختلال در آنها می‌شوند. ولی با استفاده از نوترون‌های فوق سرد که بی‌بار، بسیار کند و بی‌نهایت مقاوم در برابر اختلال الکتریکی هستند، ما می‌توانیم این اثرات را با دقت بسیار بالا اندازه‌گیری کنیم.».

پروفسور آبل، توبیاس ینکه، و دانشمندانی از ILL، در ادامه کاری که در سال 2002 انجام داده بودند، برای اولین بار از این تکنیک برای اندازه‌گیری گرانش استفاده کردند. در این پژوهش جدید، پروفسور آبل و گروهش، به طور مکانیکی گذار بین این حالت‌های متفاوت انرژی را از طریق یک میدان نوسانی القا کردند، که با لرزاندن آینه زیرین در یک فرکانس مشخص به دست آمده است. با استفاده از این شیوه، پژوهش‌گران در آینده قادر خواهند بود که با دقت بیشتری، حالت‌های متفاوت انرژی یک نوترون را در میدان گرانش زمین محاسبه کنند.

دکتر پیتر گلتنبرت، فیزیک‌دان ILL و همکار این پژوهش، می‌گوید: «در سال 2002، نوترون‌های فوق سرد برای اولین بار به ما امکان دادند که حالت‌های متفاوت انرژی نوترون را در اثر نیروی گرانش زمین را در یک فرکانس مشخص اندازه‌گیری کنیم. اکنون و با این شیوه، ما می‌توانیم مقدار بسیار دقیق انرژی را برای هر یک از این حالت‌های انرژی معین کنیم. این یک پیشرفت بزرگ برای کسانی است که تلاش می‌کنند طبیعت بنیادین گرانش را درک کنند و فیزیک دنیای اتمی را با دنیای خود ما ترکیب کنند».

برخی از فیزیکدان‌ها بر این باور هستند که اندازه‌گیری دقیق‌تر این انرژی‌ها، واگرایی اندکی با آنهایی دارد که با استفاده از قوانین نیوتنی گرانش محاسبه شده‌اند. آنها پیش‌بینی می ‌کنند که آشکار کردن و تعیین کمیت این اختلاف، شواهدی از وجود ماده تاریک یا ابعاد بالاتری که نظریه ریسمان ادعای وجود آنها را دارد، ارائه خواهد کرد.