گوی ایستاده چرخان

مهندسان معمولاً درباره چیز هایی كه ساخته اند مبالغه نمی كنند، پس بی گمان ماهواره «گاوشگر گرانش B» (GP-B) منحصر به فرد است كه دانشمندان برای توصیف آن از لغات «زیبا» و «هنرمندانه» استفاده می كنند.
این ماهواره كه در بیستم آوریل برای تحقیق یكی از پیش بینی های نسبیت عام اینشتین به فضا پرتاب شد، دلیل واضحی بر نبوغ و كاردانی بشر است. اگرچه نظریه ساخت GP-B از دهه ۱۹۵۰ مطرح بوده اما از لحاظ فنی امكان ساخت آن به تازگی فراهم شده است. «جف كولد زیجزاك» رئیس پروژه در مركز پرواز های فضایی «مارشال» ناسا درباره GP-B می گوید: «اگر علم تجربی یك هنر است پس من هم به GP-B به عنوان یك شاهكار رنسانس نگاه می كنم.» زیبایی و عظمت طراحی GP-B در این است كه این ماهواره باید در اطراف سیاره زمین كه مملو از اجرام گوناگون است به كشفیاتی بسیار دقیق بپردازد كه اثر هر كدام از این اجرام ممكن است در نتیجه آزمایش تاثیر داشته باشد. دانشمندان امیدوارند كه به وسیله این ماهواره خمیدگی فضا _ زمان در اطراف زمین را بسنجند و این عمل آن چنان دقیق باید انجام شود كه حتی لحظه ای دخالت یك نیروی خارجی دیگر یا یك نقص كوچك و میلی متری در داخل ماهواره موجب ایجاد یك خطای سیستماتیك در نتیجه آزمایش شده و باعث پنهان شدن تاثیری می شود كه دانشمندان به دنبال آن هستند. (نظریه نسبیت عام كه در سال ۱۹۱۶ توسط اینشتین تدوین شد، پیش بینی می كند كه زمین با حركت وضعی به دور خود، فضا _ زمان را به همراه خود می كشد و یك مارپیچ از فضا _ زمان در اطراف زمین تشكیل می شود.م) دانشمندان به این پدیده «كشیدگی چارچوب» می گویند. با توجه به اثبات بسیاری از پیش بینی های نظریه نسبیت عام، اكثر فیزیكدانان معتقدند كه چنین وضعیت گردابی در فضا _ زمان حقیقت دارد. اما پیش از این هیچ آزمایشی برای تایید این پیش بینی نظریه انجام نشده بود.
• كاوشگر گرانش B
ایده آزمایش بسیار ساده است. ژیروسكوپ در حال دوران كه محور دوران در چارچوب ستاره های ثابت وضعیت مشخصی را دارد، در مدار زمین قرار می دهیم و تلاش می كنیم كه نیرو های خارجی بر آن تاثیر نداشته باشند. بنابراین محور دوران ژیروسكوپ نباید تغییر جهت دهد و همواره باید ثابت باشد. اما اگر فضا _ زمان در اثر جرم و حركت دورانی زمین به صورت یك مارپیچ درآمده باشد، محور دوران باید تحت تاثیر خمیدگی فضا _ زمان به آرامی تغییر جهت بدهد و با اندازه گیری این تغییرات كوچك می توان نظریه نسبیت عام را تحقیق كرد. اصول آزمایش ساده است ولی مشكل در نحوه انجام آن است. طبق محاسبات محور ژیروسكوپ باید ۰‎/۴۲۰ ثانیه قوسی در سال نسبت به چارچوب ثوابت تغییر زاویه بدهد. (هر ثانیه قوسی یك سه هزار و ششصد درجه است.) برای تحقیق این چرخش باید دقت اندازه گیری GP-B كمتر از ۰۰۰۵/۰ ثانیه قوسی باشد.
كولد زیجزاك می گوید: «این آزمایش باید از هر نظر كامل باشد. زیرا ۴۰ سال برنامه ریزی، تحقیق و تلاش دانشمندان و مهندسین دانشگاه استانفورد مركز پرواز های، فضایی مارشال و شركت هواپیماسازی لاكهید مارتین را به همراه دارد. تیم سازنده GP-B توانستند كروی ترین گوی هایی را كه تاكنون بشر ساخته است برای ژیروسكوپ های این ماهواره بسازند. این گوی ها باید در مدار زمین در یك محفظه ای كه با پوششی فلزی از نفوذ هرگونه میدان الكترومغناطیسی جلوگیری می كند، قرار بگیرند. حركات چرخشی ماهواره هم اثرات گرانش زمین را خنثی می كند. بنابراین محور چرخش گوی ها تحت تاثیر هیچ نیروی خارجی نیست و تنها خمیدگی فضا _ زمان است كه می تواند روی آن تاثیر بگذارد. این محفظه را محفظه بدون لرزش (drag-free) می گویند. ساخت چنین محفظه ای بسیار مشكل است. زیرا میدان مغناطیسی زمین چنان گسترده است كه GP-B را كه ۴۰۰ كیلومتر بالای سطح زمین قرار دارد احاطه می كند. گوی های ژیروسكوپ به اندازه یك توپ پینگ پنگ با قطر ۵/۱ اینچ هستند كه از جنس آلیاژ كوارتز و سیلیسیم ساخته شده اند. این گوی ها توخالی هستند و بدنه آنها به حدی نازك است كه اگر گوی ها به اندازه كره زمین بودند ضخامت جدار آنها تنها حدود ۱۰ متر می شد! اگر این جدار نازك كاملاً كروی نباشد، محور دوران آن خود به خود دچار تغییر جهت می شود (در اثر گرانش زمین) و تمام تلاش های آزمایشگران از بین می رود. قرار گرفتن در مدار موجب می شود كه گوی ها به حالت بی وزنی در محفظه خود شناور شوند اما بدون كنترل ممكن است گوی های چرخان چنان منحرف شوند كه به بدنه ماهواره برخورد كنند. ماهواره توسط تاثیرات آیرودینامیك كندرو در حالت بی وزنی قرار دارد. در حالی كه گوی های شناور در داخل سفینه این گونه نیستند. برای جلوگیری از برخورد ژیروسكوپ با بدنه ماهواره تیم GP-B از یك بدنه ماهواره ضدلرزش استفاده كرده اند. در درون ماهواره دستگاه های اندازه گیری فاصله ژیروسكوپ تا بدنه محفظه با دقتی حدود یك نانومتر در حال كنترل آن هستند و موتور های ماهواره كوچك ترین تغییری در این فاصله را تصحیح می كنند. در نتیجه در حقیقت گوی های ژیروسكوپ در حالی به دور زمین می چرخند كه درون یك محفظه ای قرار دارند كه هیچ گونه تماسی با آن ندارند اما این محفظه همواره آنها را از شر هر نیروی خارجی در امان نگه می دارد. برای جلوگیری از نفوذ میدان مغناطیسی زمین كه باعث به هم خوردن محور دوران ژیروسكوپ ها می شود چه باید كرد؟ میدان های الكترومغناطیسی در داخل فلزات نفوذ نمی كنند به همین دلیل ژیروسكوپ ها در محفظه ای سربی قرار دارند كه پیرامون آن را حدود ۴۰۰ گالون هلیم مایع فراگرفته كه دمای محیط را به حدود ۷/۱ كلوین (۲۷۱ _ درجه سانتی گراد) می رساند. این امر باعث ایجاد خاصیت ابررسانایی در سرب می شود و به این ترتیب از نفوذ هرگونه میدان الكترومغناطیسی از جمله میدان مغناطیسی زمین و یا میدان های تابشی خورشید، به درون محفظه ژیروسكوپ ها، جلوگیری می كند، در حقیقت میدان مغناطیسی در مداری كه این ماهواره در آن قرار دارد حدود ۰۰۳/۰ گاوس است (در سطح زمین این میزان ۵/۰ گاوس است) اما اثر همین مقدار كم هم باید از بین برود تا نتایج كاملاً صحیح باشند. سرمای شدید ناشی از هلیم مایع فایده دیگری هم دارد و آن این است كه باعث ایجاد خلا با حداقل فشار ممكن در درون محفظه می شود. بعد از خارج كردن هوا از محفظه آن میزان از مولكول های گاز كه در محیط باقی می مانند، در اثر سرمای ایجاد شده (۷/۱ كلوین) عملاً به سختی حركت می كنند و مشكلی برای چرخش ژیروسكوپ ها به وجود نمی آورند. تجهیزات ایجاد خلأ بالا (High _ Vacum) محفظه قادرند با سرعت ۱۰ هزار دور در دقیقه به مدت هزار سال بدون كاهش حتی ۱ درصد در سرعتش بچرخد. نكته مهم بعدی اندازه گیری محور دوران ژیروسكوپ ها است كه این عمل باید بدون كوچك ترین ضربه به آن انجام شود. این بار نیز از خواص ابررسانا استفاده می شود. وقتی یك گوی رسانا می چرخد میدان مغناطیسی ضعیفی تولید می كند. به همین دلیل گوی ها از لایه نازكی از فلز «نیوبیوم» پوشیده شده است. در دمای محفظه فلز نیوبیوم خاصیت رسانایی دارد و در اثر چرخش میدانی ایجاد می شود كه توسط SQUID های به كار رفته در بدنه محفظه قابل ردیابی هستند. SQUID ها وسیله ای برای سنجش میدان های مغناطیسی هستند كه قادرند میدان مغناطیسی به كوچكی ۵۰ میلیاردم یك میكروگاوس (۱۰۱۴*۵ گاوس) را آشكار كنند. در اثر تغییر هوا چرخش ژیروسكوپ، تغییرات ایجاد شده در میدان مغناطیسی در همین حدود اند و قابل ردیابی توسط SQUID ها هستند. در داخل ماهواره یك تلسكوپ كار گذاشته شده كه به سمت یك ستاره دوردست و تقریباً ثابت (در مدت دو سال ماموریت GP-B) به نام IM-Pegasus نشانه گیر شده است. اگرچه این ستاره كاملاً ثابت نیست اما كیهان شناسان تمام حركات آن را كنترل می كنند. این ستاره به عنوان یك نقطه مرجع خارجی برای اندازه گیری انحراف محور ژیروسكوپ ها به كار می رود. ژیروسكوپ ها محفظه ای سربی ابررسانا SQUID ها، تلسكوپ ها و سایر تجهیزات GP-B كاوشگر گرانش B باعث شده كه فیزیكدانان به این نتیجه برسند كه این ماهواره واقعاً شاهكار فرد بشری است.


پاتریك باری
ترجمه: مهدی صارمی فر-مریم افضلی

منبع : روزنامه شرق