در جست وجوی نقض نسبیت

«دانشمندان برای آشكار شدن خصوصیات و ساختارهای احتمالی یك نظریه نهایی در جست وجوی نقض اصول فیزیكی اینشتین هستند كه زمانی مقدس بود.»
نسبیت در قلب مهم ترین نظریات بنیادین فیزیك قرار گرفته است. نسبیت آنگونه كه اینشتین آن را در ۱۹۵۵ فرمولبندی كرد بر این ایده كلیدی بنا شده كه قوانین فیزیك از نگاه تمام مشاهده گرهای لخت (اینرسی) (مشاهده گرهایی كه از دید یك مشاهده گر دارای جهت دلخواه و سرعت ثابت هستند) یكسان است. این نظریه یك دسته از آثار شناخته شده را پیش بینی می كند كه از میان آنها می توان به ثابت بودن سرعت نور برای تمام مشاهده گرها، كند شدن ساعت های در حال حركت، كوتاه شدن طول اجسام متحرك و هم ارزی جرم و انرژی (mc۲=E) اشاره كرد. آزمایش های بسیار دقیق این نتایج را تائید می كنند. نسبیت اكنون یك پایه و ابزار مهم و روزمره برای فیزیكدانان تجربی است: برخورد دهنده های ذرات از مزایای افزایش جرم و طول عمر ذرات پرسرعت به خوبی بهره می برند و آزمایش با ایزوتوپ های رادیواكتیو نشان دهنده تبدیل جرم به انرژی است.
حتی كاربران و بهره برداران دستگاه های الكترونیك نیز تحت تاثیر این پدیده ها هستند. در سیستم مكان یابی جهانی باید تصحیح مربوط به تاخیر زمانی را در نظر گرفت. این تاخیر زمانی سرعت كار ساعت های موجود در مدارهای ماهواره ای را تغییر می دهد.
با این حال در سال های اخیر تلاش برای یكی كردن نیروها و ذرات شناخته شده در یك نظریه نهایی برای عده ای از فیزیكدانان این انگیزه را به وجود آورده كه درباره امكان تقریبی بودن اصول نسبیت تحقیق كنند. این انتظار وجود دارد كه مشاهده انحرافی كوچك از نظریه نسبیت طلیعه نخستین آزمایش ها برای جست وجو و تحقیق درباره یك نظریه نهایی است.
ثابت بودن یا ناوردایی؛ قوانین فیزیك برای مشاهده گرهای مختلف نشان دهنده تقارن در فضا و زمان (فضا _ زمان) است كه تقارن لورنتس نامیده می شود. هنریش آنتوان لورنتس فیزیكدان هلندی است كه برای نخستین بار در دهه ۱۸۹۰ در این باره تحقیق كرده است.
كره كامل نمایش دهنده تقارنی است كه به عنوان تقارن تحت دوران (چرخش) شناخته می شود: كره را در هر جهت و به هر میزان بچرخانید كاملاً مشابه به نظر می رسد. تقارن لورنتس اینگونه بر روی تشابه اشیا بنا نشده است بلكه مبنای آن یكی بودن قوانین فیزیك تحت تبدیلات دورانی و بوست (boost كه سرعت را تغییر می دهد) است. مشاهده گرهای لخت مستقل از اینكه دارای چه جهت و چه سرعت ثابتی هستند قوانین فیزیك را یكی می بینند. هنگامی كه تقارن لورنتس درنظر گرفته شود فضا- زمان همسانگرد به نظر می رسد، بدین معنی كه همه جهت ها و حركت های ثابت هم ارز هستند و هیچ كدام بر دیگری برتری ندارند.
تقارن فضا _ زمان لورنتس هسته اصلی نظریه نسبیت را تشكیل می دهد. با دانستن قواعد تبدیلات لورنتس می توان تمام پیش بینی های شناخته شده نسبیت را به دست آورد. تا قبل از مقاله ۱۹۰۵ اینشتین، معادلات مربوط به این پدیده ها توسط محققان دیگری از جمله خود لورنتس به دست آمده بود. اما آنها این معادلات را به عنوان تغییرات فیزیكی در اشیا تعبیر می كردند؛ به عنوان مثال طول پیوند بین اتم ها كوتاه می شود تا موجب ایجاد پدیده انقباض طول شود.
سهم بزرگ اینشتین این بود كه او تمام قطعات را به هم پیوند داد و آشكار ساخت كه طول ها و آهنگ كار ساعت ها ارتباط تنگاتنگی با یكدیگر دارند و بدین ترتیب تصور فضا و زمان در مفهوم جدیدی به نام فضا- زمان یكی گشتند.
تقارن لورنتس یك عنصر كلیدی و پایه بهترین توصیفات ما از ذرات بنیادی و نیروها است. تقارن لورنتس هنگامی كه با اصول مكانیك كوانتومی تركیب می شود چارچوبی را بنا می كند كه نظریه میدان های كوانتومی نسبیتی نامیده می شود. در این چارچوب هر ذره و نیرو توسط میدانی توصیف می شود كه تمام فضا- زمان را پر كرده و دارای تقارن لورنتس است. ذراتی مانند الكترون ها و فوتون ها به عنوان برانگیختگی های موضعی كوانتوم های میدان مربوطه شناخته می شوند. مدل استاندارد ذرات كه تمام ذرات و نیروهای غیرگرانشی شناخته شده (شامل الكترومغناطیس؛ برهمكنش ضعیف و برهمكنش قوی) را توضیح می دهد یك نظریه میدان كوانتومی نسبیتی است. لزوم برقرار بودن تقارن لورنتس به شدت نوع برهمكنش و طرز رفتار این میدان ها را مقید و مشخص می سازد.
بسیاری از برهمكنش ها كه می توانند به صورت جملات محتمل در معادلات این نظریه ظاهر شوند به دلیل نقض تقارن لورنتس ممنوع است.
مدل استاندارد شامل برهمكنش گرانشی نیست. بهترین توصیف ما از گرانش یعنی نظریه نسبیت عام اینشتین نیز از تقارن لورنتس تبعیت می كند. (كلمه «عام» یعنی شامل گرانش است. گرانش در نسبیت «خاص» در نظر گرفته نمی شود.) در نسبیت عام، مانند قبل، قوانین فیزیك در یك مكان از دید مشاهده گرهایی كه دارای جهت های مختلف و سرعت های متفاوت هستند یكسان است. اما وجود گرانش می تواند مقایسه پیچیده ای بین آزمایش ها در دو مكان متفاوت ایجاد كند. نسبیت عام یك نظریه كلاسیك (غیركوانتومی) است و كسی نمی داند كه چگونه می توان آن را به صورت رضایت بخشی با مدل استاندارد تركیب كرد.
با این همه این دو را می توان در نظریه ای با عنوان «مدل استاندارد با گرانش» كه دربرگیرنده تمام ذرات و چهار نیرو است، تا حدودی با یكدیگر تلفیق كرد.
● وحدت نیروها و مقیاس پلانك
این تركیب مدل استاندارد و نسبیت عام به طور حیرت انگیزی در توصیف طبیعت موفق است. در آن تمامی پدیده های بنیادی شناخته شده و نتایج آزمایشگاهی به خوبی توضیح داده می شود و هیچ گونه شواهد آزمایشگاهی كشف شده فراتر از آن موجود نیست. با این حال بسیاری از فیزیكدانان می پندارند كه این تركیب رضایت بخش نیست. یك پایه این دشواری ها این است كه هر چند دو نظریه دارای فرمول بندی درخشانی هستند اما در این شكل خود، از دیدگاه ریاضی ناسازگارند.
در شرایطی مانند آزمایش كلاسیك حركت نوترون های سرد برخلاف میدان گرانشی زمین كه باید هم گرانش را در نظر گرفت و هم فیزیك كوانتومی را، نیروی گرانشی به عنوان یك نیروی خارجی به توصیف كوانتومی اضافه می شود. این مدل های ساخته شده ممكن است كه از دید آزمایشگاهی كارآمد باشند. اما نمی توان آنها را به عنوان یك توصیف بنیادین، سازگار و رضایت بخش درنظر گرفت. این مورد مانند آن است كه حمل یك شیء توسط فرد را می توان با درنظر گرفتن نیروهای وارد بر استخوان ها و اندام های بدن و در سطح مولكولی با دقت زیادی توضیح داد و یا می توان ماهیچه ها را به عنوان جعبه های بسته ای درنظر گرفت كه قادر به فراهم كردن نیروهای خاص در محدوده های مشخص هستند.
به این دلیل و همچنین دلایل دیگر، بسیاری از فیزیكدانان معتقدند كه فرمول بندی یك نظریه نهایی امكان پذیر است (توصیفی كامل و واحد از طبیعت كه در آن گرانش و فیزیك كوانتوم با هم تركیب شده اند.)
یكی از نخستین فیزیكدانانی كه بر روی ایده نظریه واحد كار كرد خود اینشتین بود كه سال های آخر عمر خود را صرف این مسئله كرد.
هدف او دست یافتن به نظریه ای بود كه نه تنها گرانش بلكه الكترومغناطیس را نیز دربرگیرد. از بخت بد، او بسیار زود با این مسئله درگیر شده بود. هم اكنون ما معتقدیم كه الكترومغناطیس رابطه نزدیكی با نیروهای ضعیف و قوی دارد. (نیروی قوی بین كوارك ها عمل می كند كه سازنده ذراتی مانند پروتون و نوترون هستند، در حالی كه نیروی ضعیف عامل فعالیت های رادیواكتیو و همچنین واپاشی نوترونی است.) تنها پس از یافته های آزمایشگاهی بعد از مرگ اینشتین بود كه نیروهای قوی و ضعیف به طور جداگانه و بدون تركیب با الكترومغناطیس و گرانش به خوبی فرمول بندی و درك شدند.
یك رهیافت فراگیر و امیدبخش به چنین نظریه نهایی، نظریه ریسمان است. این نظریه بر این ایده بنا شده كه تمام ذرات و نیروها را می توان براساس اشیایی یك بعدی («ریسمان ها») به همراه رویه های دوبعدی و بالاتر كه به آنها ابررویه می گویند، توصیف كرد. رهیافت شناخته شده دیگر گرانش كوانتومی حلقه ای loop quantum gravity است كه به دنبال یك تفسیر سازگار كوانتومی از نسبیت عام است و پیش بینی می كند كه فضا از قطعات جدای (كوانتوم ها) حجم و سطح ساخته شده است. شكل نظریه نهایی هرگونه كه باشد این انتظار وجود دارد كه فیزیك كوانتومی و گرانش در مقیاس یك طول بنیادی (یعنی حدود ۳۵_ ۱۰ متر)؛ كه به خاطر ماكس پلانك فیزیكدان قرن ۱۹ آلمان طول پلانك نامیده می شود؛ به طور جداناپذیری درهم تافته شوند. طول پلانك بسیار كوچك تر از طول هایی است كه می توان به كمك میكروسكوپ های معمولی دید و یا در شتاب دهنده های انرژی بالا كاوید. بنابراین نه تنها ارائه نظریه نهایی یك چالش جدی است، بلكه انجام مشاهدات مستقیم تجربی برای آزمودن پیش بینی های چنین نظریه ای نیز عملاً غیرممكن به نظر می رسد.
با وجود چنین سدهایی باز هم ممكن است راه هایی برای كسب اطلاعات آزمایشگاهی از نظریه نهایی در مقیاس پلانك وجود داشته باشد. شاید در آزمایش هایی كه به اندازه كافی حساس هستند، پدیده هایی كوچك كه به طور غیرمستقیم بازتابنده فیزیكی جدید در نظریه نهایی است، مشاهده شود. همانند تصاویر روی نمایشگر تلویزیون یا كامپیوتر كه از تعداد زیادی نقاط روشن (Pixle) تشكیل شده اند. این نقاط در مقایسه با فاصله تماشایی نمایشگر به حدی كوچك است كه تصویر از دید چشم كاملاً یكنواخت به نظر می رسد. اما در بعضی شرایط خاص این نقاط مشاهده می شوند، به عنوان مثال هنگامی كه گوینده خبر كراواتی راه راه با نوارهای باریك بپوشد باعث ایجاد طرحی می شود كه به طرح «مویر» معروف است.
یكی از چنین طرح هایی كه از طول پلانك نشات می گیرد نقض نظریه نسبیت است. در فواصل ماكروسكوپیك (معمولی)، فضا- زمان ناوردای لورنتس به نظر می رسد، ولی ممكن است كه این تقارن در فواصل به اندازه كافی كوچك به عنوان جلوه ای از وحدت فیزیك كوانتومی و گرانش شكسته شده باشد. انتظار می رود كه آثار قابل مشاهده نقض نظریه نسبیت در مقیاس پلانك در فاصله ۳۴-۱۰ تا ۱۷-۱۰ قرار گرفته باشند. برای درك بهتر این ابعاد باید در نظر آورید كه قطر تار موی انسان ۳۰-۱۰ برابر ابعاد كیهان است در حالی كه ۱۷-۱۰ نسبت به قطر مو مانند قطر موی انسان به قطر مدار نپتون است. بنابراین مشاهده نقض نسبیت به آزمایش هایی بسیار حساس تر از آنچه تاكنون انجام شده احتیاج دارد.
تقارن بنیادین دیگری از فضا- زمان كه می تواند نقض شودCPT نام دارد. این تقارن هنگامی وجود دارد كه قوانین فیزیك تحت سه تبدیل زیر (به طور همزمان) تغییر نكنند: تعویض ذره و پادذره (مزدوج بار، C)، بازتاب در آینه (تبدیل پاریته، P) و برگشت زمانی (T). مدل استاندارد از تقارن CPT تبعیت می كند، در حالی كه این تقارن ممكن است در نظریه هایی كه نسبیت را نقض می كنند، شكسته شده باشد.
چرخش زمین یك آ زمایشگاه را نسبت به میدان برداری نقض كننده نسبیت (پیكان ها) می چرخاند. از دید چارچوب آزمایشگاه جهت میدان برداری در طول روز تغییر می كند، كه با استفاده از آن می توان نقض نسبیت را مشاهده كرد. به عنوان مثال ممكن است نسبت جرم دو جسم غیرهمجنس در طول روز متغیر باشد.
● نقض خودبه خود
نقض نسبیت در یك نظریه نهایی چگونه خود را نشان می دهد؟ یك روش طبیعی و زیبا شكست خودبه خود تقارن لورنتس است. این مورد باید كاملاً مشابه شكست خودبه خود تقارن در موارد دیگر باشد هنگامی اتفاق می افتد كه قوانین پایه متقارن هستند در حالی كه سیستم های واقعی این گونه نیستند. برای درك ایده عمومی شكست خودبه خود تقارن یك میله باریك استوانه ای را كه به صورت عمودی بر روی یك سطح صاف قرار گرفته در نظر بگیرید. تصور كنید یك نیروی عمودی به سمت پایین بر روی میله وارد می گردد. این سیستم به طور كامل تحت دوران حول محور میله متقارن است: میله استوانه ای است و نیرو به صورت عمودی وارد می شود، بنابراین قوانین و معادلات فیزیكی در این شرایط تحت دوران ناوردا هستند. اما اگر نیرو به اندازه كافی زیاد شود میله در یك جهت خم می گردد كه تقارن تحت دوران را به صورت خودبه خود می شكند.
در مورد نقض نسبیت، معادلات توصیف كننده میله و نیرو با معادلات نظریه نهایی جایگزین می شوند. به جای میله میدان های كوانتومی مواد و نیروها قرار می گیرند. در اغلب موارد اندازه میدان پس زمینه ای طبیعی چنین میدان هایی صفر است. با این حال در بعضی شرایط میدان های پس زمینه مقادیر غیرصفری كسب می كنند. تصور كنید چنین حالتی برای میدان الكتریكی رخ دهد. از آنجا كه میدان الكتریكی دارای جهت است (بردار)، هر مكانی در فضا دارای جهت ویژه ای می شود كه توسط جهت میدان الكتریكی در آن مكان تعیین می شود. یك بار الكتریكی نقطه ای در آن جهت شتاب می گیرد. در نتیجه تقارن دورانی (و همچنین تقارن «بوست») می شكند. چنین نتایجی برای یك میدان تانسوری غیرصفر نیز برقرار است (بردارها حالت خاص تانسورها هستند.)چنین میدان های تانسوری غیرصفری در مدل استاندارد به وجود نمی آیند، اما بعضی از نظریه های بنیادی مانند نظریه ریسمان شامل جنبه هایی هستند كه مناسب شكست خودبه خود تقارن لورنتس هستند. این ایده كه شكست خودبه خود تقارن لورنتس و مشاهده نقض نظریه نسبیت می تواند در نظریه ریسمان و تئوری های میدان شامل گرانش اتفاق افتد نخستین بار توسط من و استوارت ساموئل از كالج نیویورك در سال ۱۹۸۹ پیشنهاد شد.
من و روبرتوس پوتینگ در سال ۱۹۹۱ این موضوع را به شكست تقارن CPT در نظریه ریسمان گسترش دادیم. بعد از آن روش های متعددی برای نقض نظریه نسبیت در نظریه ریسمان و دیگر رهیافت های گرانش كوانتومی پیشنهاد شد. اگر شكست تقارن لورنتس واقعاً جزیی از نظریه نهایی باشد، مشاهده نقض نسبیت نخستین مشاهدات آزمایشگاهی را برای چنین نظریه ای فراهم خواهد كرد.
● تعمیم مدل استاندارد
فرض كنید نظریه بنیادی طبیعت از طریق مكانیسم هایی شكست تقارن لورنتس یا CPT را شامل می شود. اكنون این پرسش پیش می آید كه این نقض ها چگونه خود را در آزمایش نشان می دهند و نسبت آنها با فیزیك امروزی به چه صورت است؟ برای پاسخ به این پرسش به یك چارچوب نظری كلی احتیاج داریم كه بتواند تمام پدیده هایی را كه ممكن است در آزمایشگاه رخ دهد، دربرگیرد. به كمك چنین چارچوبی می توان پارامترهای آزمایشگاهی را محاسبه، آزمایش های مختلف را مقایسه و پدیده های قابل انتظار را پیش بینی كرد.
برای ساخت چنین چارچوبی باید به اصول طبیعی و بدون شك زیر پایبند بود. اول آنكه تمام پدیده های فیزیكی مستقل از دستگاه مختصاتی هستند كه برای توصیف فضا- زمان انتخاب می كنیم. دوم آنكه آزمایش های موفق مدل استاندارد و نظریه نسبیت عام نشان می دهند كه نقض تقارن لورنتس و CPT باید اثر بسیار كوچكی داشته باشند. پیروی از این معیارها و به كار بردن نیروها و ذرات شناخته شده ما را بر مجموعه ای از جملات ممكن _ برهمكنش های ممكن _ رهنمون می شود كه می توان آنها را به معادلات نظریه اضافه كرد. هر كدام از این جملات معادل یك میدان تانسوری با مقدار پس زمینه ای غیرصفر است. ضرایبی كه دامنه آنها را مشخص می كنند، نامعلوم هستند كه البته بسیاری از آنها ممكن است در یك نظریه نهایی مشخص صفر باشند.نتیجه نهایی نظریه ای است كه به آن تعمیم مدل استاندارد (SME = standard Model Extention) می گویند. زیبایی این فرمول بندی در عمومیت آن است: هر گونه منشاء دلخواه فیزیكی یا فلسفی كه برای نقض نسبیت در نظر بگیرید و همچنین نتایج آن در طبیعت باید به كمك SME قابل توضیح باشد زیرا این نظریه تمام اصلاحات و تعمیم های ممكن نسبیت را كه با مدل استاندارد سازگار است، دربرمی گیرد. برای مجسم كردن آثار شكست تقارن لورنتس، مفید است كه فرض كنیم فضا- زمان دارای یك جهت ذاتی است. در مواردی كه یك میدان برداری به عنوان یك جمله ویژه در معادلات SME ظاهر می شود این جهت ذاتی فضا- زمان بر جهت این میدان برداری منطبق است. برای میدان های تانسوری نیز موضوع مشابه ولی كمی پیچیده تر است. حركت و برهمكنش ذرات به دلیل وجود چنین میدان های پس زمینه ای، وابستگی جهت داری به خود می گیرد مانند حركت ذره باردار در میدان الكتریكی یا مغناطیسی. چنین پدیده هایی در مورد نقض CPT نیز اتفاق می افتد، اما این مورد به علت تفاوت كوپلاژ ذره و ضدذره با میدان پس زمینه است.
SME پیش بینی می كند كه رفتار ذرات می تواند به روش های گوناگونی تحت تاثیر نقض نسبیت قرار گیرد خصوصیات ذرات و برهمكنش آنها به جهت حركت (نقض تقارن دورانی) و سرعت آنها (نقض تقارن «بوست») بستگی دارد. ذره ممكن است دارای اسپین باشد (كمیت نشان دهنده اندازه حركت زاویه ای درونی)، در این حالت رفتار ناشی از نقض نسبیت می تواند به جهت و اندازه اسپین وابسته باشد. یك ذره می تواند تصویر آیینه ای پادذره خود نباشد (نقض CPT) نوع رفتار می تواند به نوع ذره بستگی داشته باشد؛ به عنوان مثال شاید پروتون بیش از نوترون تحت تاثیر قرار بگیرد. این پدیده ها ردهای زیادی از خود به جا می گذارند كه می توان در آزمایش ها به دنبال آنها گشت. تعدادی از این آزمایش ها از هم اكنون آغاز شده اند، اما هنوز هیچ كدام شواهد متقنی در رد نظریه نسبیت به دست نداده اند.
●● تقارن فضا- زمان
● نسبیت رعایت می شود
تقارن لورنتس یكی از خصوصیات بنیادی جهان بیرونی است كه اهمیت زیادی برای فیزیك دارد. این تقارن دارای دو جزء است: تقارن دورانی و تقارن بوست. تصور كنید دو میله و دو ساعت داریم كه میله ها از دو ماده متفاوت ساخته شده اند ولی هنگامی كه پهلو به پهلوی یكدیگر قرار می گیرند طول یكسانی را نشان می دهند و ساعت ها نیز به روش های متفاوتی كار می كنند ولی همزمان هستند. (a) تقارن دورانی برقرار است اگر یك میله و یك ساعت را نسبت به دیگری بچرخانیم طول میله ها نسبت به یكدیگر تغییر نكرده و همزمانی ساعت ها نیز به هم نخورد (b). تقارن بوست شامل آن چیزی است كه هنگام حركت یك میله به همراه یك ساعت با سرعت ثابت نسبت به میله و ساعت ثابت اتفاق می افتد. تقارن بوست پیش بینی می كند كه طول میله در حال حركت از دید ناظر ساكن كوتاه تر شده و ساعت همراه آن نیز كندتر كار می كند (C) . هنگامی كه فضا و زمان تركیب شده و تشكیل فضا- زمان را می دهند شكل فرمول بندی ریاضی تقارن بوست بسیار شبیه تقارن دورانی خواهد بود. یك تقارن وابسته به تقارن لورنتس تقارن CPT است كه بیانگر تغییر علامت بار الكتریكی، تغییر جهت پاریته (معكوس آینه ای نسبت به یك نقطه) و برگردان زمانی هستند. این تقارن پیش بینی می كند كه اگر یك ساعت با معادل پادماده ای خودش جایگزین شود (تغییر علامت بار) همچنین سر و ته شود (معكوس آینه ای _ پاریته) و در جهت معكوس زمانی كار بكند، آنگاه همان زمان را نشان خواهد داد كه ساعت اول نمایش می دهد (d). محاسبات ریاضی نشان می دهد كه در نظریه میدان های كوانتومی هرگاه تقارن لورنتس در نظر گرفته شود، تقارن CPT نیز برقرار خواهد بود.
● نسبیت نقض می شود
شكست تقارن لورنتس را می توان به وسیله یك میدان برداری حاضر در فضا- زمان نمایش داد. ذرات و نیروها با این میدان (پیكان ها) برهمكنش می كنند، همانگونه كه یك ذره باردار با میدان الكتریكی (كه یك میدان برداری است) برهمكنش می كند. در نتیجه برخلاف زمانی كه تقارن لورنتس برقرار است تمام جهت ها و سرعت ها هم ارز نیستند. دو میله غیریكسان كه در یك جهت نسبت به میدان برداری دارای طول یكسان هستند (شكل سمت چپ) ممكن است در جهت دیگر هم طول نباشد (شكل وسط) مشابه آن دو ساعت كه در یك جهت هم زمان هستند ممكن است در جهت دیگر همزمانی شان را از دست بدهند. به علاوه دو ساعت و دو میله غیریكسان در هنگام حركت ممكن است اتساع زمانی و انقباض طولی متفاوتی را بسته به جنس و جهت حركتشان نشان دهند.
●● آزمایشگاه های چرخان
● بررسی فضا در فضا
در ماهواره هایی مانند ایستگاه فضایی آزمایش هایی بر مبنای مقایسه دو ساعت برای یافتن شواهدی بر نقض تقارن لورنتس انجام خواهد گرفت. در شكل دو نوع میدان برداری (پیكان های آبی و قرمز) نقض كننده نسبیت مشاهده می شود كه برهمكنش های متفاوتی با ذرات دارند، تصاویر زیر نشان دهنده مقایسه بین یك ساعت اتمی (نشان داده شده با اتم) و ساعتی كه بر مبنای نور یا مایكروویو (خطوط مواج) در حفره تشدیدكننده كار می كند، است. نور و الكترون ها (قرمز) با بردارهای قرمز برهمكنش دارند در حالی كه پروتون ها (آبی) با بردارهای آبی. هنگامی كه ایستگاه فضایی می چرخد تغییر این برهمكنش ها سبب به هم خوردن همزمانی ساعت ها می شود كه نشان دهنده نقض تقارن لورنتس است. یك دور چرخش ایستگاه فضایی به دور زمین در ۹۲ دقیقه صورت می گیرد بنابراین داده های سریع تر و دقیق تری را نسبت به آزمایشگاه های زمینی به دست می آورد.
● نور باستانی
یك روش برای دست یافتن به حساسیت زیاد نسبت به نقص نسبیت، مطالعه نور پلاریزه ای است كه میلیاردها سال از میان كیهان عبور كرده است. بدون شك اثر نقض نسبیت در SME پلاریزاسیون نوری را كه در فضای تهی سفر می كند تغییر می دهد. هرچه میزان سفر بیشتر باشد این تغییرات نیز بزرگتر است.
در SME نقض نظریه نسبیت برای نور شامل دو قسمت عمده است كه در یكی CPT نقض می شود و در دیگری این تقارن حفظ می شود. شكست تقارن CPT به علت مشكلات تكنیكی یا غیرممكن است یا مقدار بسیار كوچكی دارد. بررسی داده های كیهان شناختی نشان می دهد كه این نقض از مرتبهS ۴۲-۱۰ است. در مورد دوم كه CPT حفظ می شود نقض نظریه نسبیت برای نور با مشاهده پلاریزاسیون كیهانی قابل اندازه گیری است: تغییرات پلاریزاسیون نور سفر كرده به رنگ آن وابسته است. من و متیو موس (Mewes. M) در دانشگاه ایندیانا تحقیقاتی در مورد تغییرات پلاریزاسیون نور مادون قرمز، نور مرئی و نور ماوراء بنفش انجام دادیم و حساسیتی حدود ۳۲-۱۰ برای ضرایب كنترل این نقض به دست آوردیم. بررسی بقیه نقض های نسبیت در رابطه با نور را می توان به كمك انواع ابزارهای نوین كه در آزمایش كلاسیك مایكلسون مورلی مورد استفاده قرار گرفت، انجام داد. در آزمایش اولیه مایكلسون _ مورلی، دو شعاع نوری عمود بر هم ارسال شد و این نتیجه به دست آمد كه سرعت نسبی آنها مستقل از جهت است. در حساس ترین آزمایش های امروزی از حفره های تشدیدكننده استفاده می شود، به عنوان مثال یكی از آنها را در جهتی قابل چرخش می چرخانند و به دنبال تغییر فركانس تشدید می شوند. گروه لیپا از دانشگاه استنفورد یك حفره ابررسانا به كار می برند و خصوصیات امواج مایكروویو را بررسی می كنند. آشیم پیتر از دانشگاه هومبولت در برلین و استفان شیللر از دانشگاه دوسلدورف از نور لیزر در حفره های ساخته شده از كریستال یاقوت كبود استفاده می كنند. همه این گروه ها حساسیتی بین ۱۵-۱۰تا ۱۱- ۱۰را اندازه گیری كرده اند.
● آزمایش مقایسه سرعت
دست یافتن به حساسیت زیاد نسبت به نقض نسبیت در آزمایش مقایسه ساعت نیز امكان پذیر است. در این آزمایش آهنگ كاركرد یك ساعت در جهت های مختلف بررسی می شود. یك زمان سنج (ساعت) به گونه نمادین یك اتم در میدان مغناطیسی است كه آهنگ كاركرد آن فركانس گذار بین دو سطح انرژی اتم است. این فركانس به اندازه میدان مغناطیسی وابسته است. جهت میدان مغناطیسی كه معمولاً نسبت به آزمایشگاه ثابت است به عنوان جهت ساعت در نظر گرفته می شود. بنابراین به علت چرخش زمین جهت ساعت نیز تغییر می كند. در این هنگام یك ساعت دیگر آهنگ كار ساعت اول را بررسی می كند. ساعت دوم غالباً از اتمی متفاوت ولی با همان فركانس گذار ساخته می شود. اگر نقض نسبیت وجود داشته باشد آنگاه تغییرات آهنگ كاركرد (فركانس گذار) دو زمان سنج متفاوت خواهد بود. بنابراین دو زمان سنج مذكور بعد از مدتی از حالت همزمانی خارج می شوند.● آونگ چرخشی
در دانشگاه واشینگتن طی آزمایشی شامل یك آونگ چرخشی (كه در آن وزنه آویخته آونگ بر روی نخ خود به عقب و جلو می پیچد) نیروهای اسپین كوپل شده بررسی می شود.وزنه (عكس بالا) شامل حلقه های آهن ربایی است كه از دو نوع ماده متفاوت ساخته شده اند (قرمز و آبی سمت راست). میدان های هر نمونه از آهن رباها با یكدیگر برابرند اما به وسیله تعداد متفاوتی از اسپین الكترون ها ساخته شده اند. (پیكان ها) میدان مغناطیسی تشكیل حلقه بسته ای می دهد كه مقدار كمی از آن از وزنه خارج می شود، كه این موجب كاهش سیگنال های ناخواسته ناشی از برهمكنش های مغناطیسی می گردد. اما اسپین الكترون ها غیرمتعادل هستند. اگر میدان برداری نقض كننده نسبیت به اندازه كافی بزرگ باشد نوسان های پاندول دچار اختلال می شود.
برای جمع آوری اطلاعات در این زمینه حساس ترین آزمایش ها در آزمایشگاه رونالد والسورس واقع در مركز نجوم هاروارد- اسمیت سونیان انجام می گیرد. در این آزمایش ها به حساسیت ۳۱-۱۰دست یافته اند. این گروه گازهای هلیوم و نئون را در یك محفظه شیشه ای تركیب كرده و از آنها میزر (ماكروویولیزر) تولید كردند. كاری كه از نظر تكنیكی یك شاهكار است. آنگاه فركانس دو میزر با یكدیگر مقایسه می شود. آزمایش مقایسه ساعت بر مبنای اتم به عنوان ساعت به صورت های مختلفی در موسسات دیگر انجام گرفته است كه در آنها به حساسیتی حدود ۲۷-۱۰تا ۲۳-۱۰برای نوترون ها، پروتون ها و الكترون ها دست یافته اند. در آزمایش های دیگر به جای اتم از الكترون ها و پوزیترون های (پادالكترون) جدا از هم، یون های هیدروژن با بار منفی و پادپروتون ها در تله های الكترومغناطیسی و میونیوم (اتمی كه از یك الكترون چرخان به دور یك میون با بار مثبت ساخته شده) استفاده می شود. محققان در حال طراحی چندین آزمایش مقایسه ساعت در ایستگاه فضایی بین المللی و ماهواره های دیگر هستند. این آزمایش ها مزایای بیشتری دارند؛ از جمله دسترسی آسان تر و سریع تر به جهت های مختلف در فضا. آزمایش های مقایسه ساعت بر روی زمین از چرخش زمین استفاده می كنند كه دارای محور دوران ثابتی است و این محور ثابت محدودیت هایی را برای بررسی نقض نسبیت فراهم می كند. از آنجایی كه صفحه چرخش ایستگاه فضایی بین المللی مورب و چرخان است تمام جهت های فضایی قابل دسترس است. مزیت دیگر این است كه ایستگاه فضایی بین المللی دارای دوره چرخش ۹۲ دقیقه ای است كه به ما اجازه می دهد ۱۶بار سریع تر از آزمایشگاه های زمینی به اطلاعات دسترسی پیدا كنیم. (ایستگاه بین المللی فضایی طوری طراحی شده كه یك طرف آن همیشه رو به زمین است در نتیجه هر ۹۲ دقیقه یك بار به دور خود می چرخد.)
● پادماده
نقض CPT را می توان به كمك مقایسه خصوصیات ماده و پادماده به طور مستقیم مشاهده كرد. یكی از آزمون های كلاسیك CPT شامل یك ذره بنیادی به اسم كائون است. در این آزمایش كائون به علت وجود برهمكنش ضعیف به تدریج به پادذره خود یعنی پادكائون تبدیل و دوباره ظاهر می شود. این نوسان به طور دقیق متعادل است، به گونه ای كه حتی نقض كوچكی در CPT باعث تغییرات قابل توجهی در آن می شود. تاكنون همكاری های آزمایشگاهی بزرگی برای مطالعه نقض CPT صورت گرفته است. به عنوان مثال در یكی از این آزمایش ها از شتاب دهنده KT الكترون ولتی فرمی لب برای تولید مقدار زیادی كائون استفاده می شود. نتایج اندازه ۲۱-۱۰ را برای دو ضریب مستقل نظریه SME پیش بینی می كنند. در دو آزمایش ATHENA و ATRAP كه هر دو در سرن (آزمایشگاه اروپایی ذرات بنیادی در نزدیكی ژنو) انجام می شوند، طیف یك پادهیدروژن در تله افتاده با طیف هیدروژن مقایسه می شود. اگر CPT برقرار باشد این دو طیف كاملاً مشابه خواهند بود. بنابراین مشاهده هرگونه تفاوتی نشان دهنده نقض CPT و در نتیجه نقض تقارن لورنتس خواهد بود. [به قاب همین صفحه نگاه كنید] در آزمون های حساس برای نسبیت همچنین از موادی استفاده می شود كه تركیب تعداد زیادی اسپین الكترون در آنها یك شبكه اسپینی به وجود می آورد. (تصور كنید اسپین هر الكترون یك عقربه نشان گر كوچك است. جهت های مخالف برای این عقربه ها یكدیگر را حذف می كنند و عقربه های هم جهت با یكدیگر جمع شده و اسپین بزرگتری را تشكیل می دهند.) چنین موادی معمول هستند- به عنوان مثال یك مجموع اسپینی یك میدان مغناطیسی مانند یك قطعه آهن ربا تولید می كند. در تحقیق برای نقض تقارن لورنتس وجود یك میدان مغناطیسی قوی مختل كننده است. برای حل این مشكل اریك آدلبرگر، بلاین هكل و همكاران شان در دانشگاه واشینگتن طراحی و ساخت یك حلقه اسپین پلاریزه را انجام دادند كه ماده این حلقه یك شبكه اسپین الكترونی است ولی میدان مغناطیسی خارجی ندارد. [به قاب صفحه۲۳ نگاه كنید]این حلقه به عنوان وزنه یك آونگ پیچشی به كار می رود. هنگامی كه آونگ بر روی یك صفحه چرخان آویزان می شود به عقب و جلو پیچ می خورد. نقض تقارن لورنتس وابسته به اسپین می تواند خود را به صورت اختلال در حركت پاندول كه وابسته به جهت پاندول است نشان دهد. این دستگاه بهترین حد جاری برای نقض نسبیت در سیستم های شامل الكترون را اندازه گیری می كند كه ۲۹-۱۰ است.این امكان نیز وجود دارد كه نقض نسبیت تاكنون مشاهده شده باشد ولی اینچنین بازشناخته نشده باشد. در سال های اخیر نشان داده اند كه ذره بنیادی شبح گونه یعنی نوترینو نوسان می كند. این موضوع لازم می دارد كه مدل استاندارد كنونی اصلاح شود. این نوسان معمولاً با در نظر گرفتن یك جرم كوچك ناشناخته برای نوترینو تشریح می شود، در حالی كه خاصیت نوسان غیرعادی نوترینو توسط نظریه SME نیز پیش بینی می شود. نظریه پردازان نشان داده اند كه توصیف رفتار نوترینو بر مبنای نقض نسبیت در نظریه SME بسیار ساده تر از توصیف براساس وجود جرم نوترینو است.
●● تقارن CPT
● آزمایش های پادماده
اگر تقارن CPT برقرار باشد پادماده باید مانند ماده رفتار كند. دو آزمایش برای آزمون این نظریه به كمك پادهیدروژن در سرن (CERN) نزدیك ژنو طراحی شده اند. یك اتم هیدروژن هنگامی كه الكترون از تراز بالاتر به تراز پایین تر سقوط كند نوری با رنگ یا به عبارت دیگر طول موج مشخص از خود منتشر می كند. (شكل سمت چپ) در همین شرایط پادهیدروژن نیز نوری با همان رنگ منتشر می كند (شكل سمت راست) (فوتون ها پادماده خود هستند بنابراین نور منتشره فوتون خواهد بود.)بنابراین اگر تقارن CPT برقرار باشد هیدروژن و پادهیدروژن دارای طیف نشری یكسانی خواهند بود. (شكل پایین) در آزمایش های سرن از جذب نور لیزر فرابنفش و گذار به امواج ماكروویو استفاده می شود كه باید برای هیدروژن و پادهیدروژن یكسان باشد. هرگونه اختلافی نشان دهنده نقض CPT خواهد بود كه در نهایت موجب نقض تقارن لورنتس خواهد بود.
تحلیل داده های آینده درباره نوترینو می تواند این ایده را روشن سازد.آزمایش های توضیح داده شده نشان می دهد كه درك مقیاس پلانك با امكانات امروزی امكان پذیر است. هر چند تاكنون شواهد متقنی برای نقض نسبیت یافت نشده ولی باید این نكته را نیز در نظر گرفت كه هنوز انواع كمی از آزمایش ها برای مشاهده این نقض طراحی شده و انجام گرفته است. در سال های آینده شاهد پیشرفت های مهمی در این زمینه خواهیم بود، هم در نوع آزمون های نسبیت (برای اندازه گیری ضرایب بیشتر) و هم در زمینه دقت آزمون ها. اگر در پایان نقض نسبیت كشف شود این موضوع نگرش و فهم ما از جهان را تغییر خواهد داد.
شكست خود به خود تقارن هنگامی رخ می دهد كه یك مجموعه شرایط متقارن یا معادلات بنیادی و پایه نتایج غیرمتقارنی را به وجود بیاورند. برای مثال یك میله استوانه ای را در نظر بگیرید كه تحت تاثیر یك نیروی خارجی عمودی قرار گرفته است (چپ). این سیستم به طور كامل تحت دوران حول محور میله متقارن است. اگر نیروی خارجی به اندازه كافی زیاد شود سیستم ناپایدار می شود و میله در یك جهت خم می شود (راست). شكست تقارن را می توان به كمك یك بردار یا پیكان (قرمز) نمایش داد. جهت و اندازه بردار جهت و میزان خم شدگی را نشان می دهند. نقض تقارن لورنتس مستلزم وجود چنین كمیت های برداری در فضا- زمان است.

آلن كاستلسكی
ترجمه: رضا رشیدی
Scientific American, Sep ۲۰۰۴

منبع : روزنامه شرق