یکی از بنیادیترین پرسشهای فیزیک این است که آیا گرانش با همه اجسام، فارغ از جرم و ساختارشان، به یک شکل رفتار میکند؟ گروهی از پژوهشگران اکنون برای یافتن پاسخ، آزمایشی کمسابقه را نه روی زمین، بلکه در مدار زمین انجام دادهاند.
این آزمایش در ایستگاه فضایی تیانگونگ چین انجام شد و طی آن رفتار دو گروه از اتمهای بسیار سرد روبیدیوم بررسی شد. اتمهای این دو گروه از نظر تعداد نوترونهای موجود در هسته با یکدیگر تفاوت داشتند؛ در نتیجه جرم آنها یکسان نبود. با این حال، هنگام قرار گرفتن در شرایط سقوط آزاد، هر دو گروه تقریباً شتاب یکسانی داشتند.
نتایج نشان داد اختلاف شتاب میان دو گروه کمتر از ۰٫۰۵ درصد بوده است؛ دقتی که بار دیگر یکی از اصول کلیدی فیزیک را تأیید میکند.
چرا این آزمایش اهمیت دارد؟
برای درک نتیجه این آزمایش باید بین دو مفهوم تفاوت قائل شد. «جرم گرانشی» تعیین میکند یک جسم تا چه اندازه تحت تأثیر میدان گرانشی قرار بگیرد، در حالی که «جرم لَختی» میزان مقاومت آن جسم در برابر تغییر حرکت را مشخص میکند.
اگر این دو ویژگی دقیقاً با یکدیگر متناسب باشند، جرم جسم هنگام محاسبه شتاب سقوط از معادله حذف میشود. در چنین شرایطی، یک جسم سنگین و یک جسم سبک، در صورت نبود مقاومت هوا، باید با شتاب یکسان سقوط کنند.
این همان مفهومی است که در فیزیک با عنوان «اصل همارزی ضعیف» شناخته میشود و نقش مهمی در شکلگیری نسبیت عام اینشتین داشته است. در این نظریه، گرانش دیگر صرفاً یک نیروی معمولی نیست، بلکه با هندسه و خمیدگی فضا-زمان ارتباط دارد.
چرا آزمایش را به فضا بردند؟
انجام چنین آزمایشی روی زمین با یک مشکل اساسی روبهرو است: اجسام خیلی زود به سطح زمین میرسند. در نتیجه، زمان کافی برای اندازهگیری دقیق تفاوتهای بسیار کوچک در شتاب وجود ندارد.
محیط مداری تیانگونگ این محدودیت را تا حد زیادی برطرف میکند. اجسام در مدار میتوانند برای مدت طولانی در وضعیت سقوط آزاد باقی بمانند و پژوهشگران فرصت بیشتری برای اندازهگیری حرکت آنها داشته باشند.
اما نکته مهمتر این است که این بار پای اتمها در میان بوده است. اجسام معمولی را میتوان با قوانین فیزیک کلاسیک توصیف کرد، اما اتمها در مقیاس کوانتومی رفتار میکنند. بنابراین، بررسی اصل همارزی با اتمها میتواند آزمون سختگیرانهتری برای یکی از پایههای نظریه گرانش باشد.
پژوهشگران پیشتر نیز اصل همارزی را با روشهای مختلف آزمایش کرده بودند؛ از جمله آزمایشهایی در فضا که در آن اجسام بزرگتر مورد بررسی قرار گرفتند. آزمایش جدید اما این اصل را به دنیای کوانتومی برده و نشان میدهد حتی در مقیاس اتمی نیز شواهدی از نقض این اصل دیده نمیشود.
به بیان ساده، اتمهایی با جرم متفاوت در آزمایش تیانگونگ نشان دادند که در شرایط سقوط آزاد، گرانش میان آنها تبعیضی قائل نمیشود.
