کشف یک معمای هزار ساله در اعماق تونلی تاریک/ وزن «هیچ» چقدر است؟!

پریسا عباسی- همینطور که با ماشین وارد یک تونل معدنی زیرزمینی در جزیره ساردینیا ایتالیا می‌شویم، انریکو کالونی می‌گوید:« وقتی برای اولین بار وارد این تونل می‌شوید، تغییری در شما رخ می‌دهد.» با پایین رفتن در تونل، در عرض چند ثانیه گرمای شدید روی زمین تبدیل به هوایی مرطوب و خنک می‌شود. امیدوارم شما کلاستروفوبیک نباشید(کسانی که ترس از فضاهای بسته دارند). این تونل باریک که در تاریکی مطلق تا عمق ۱۱۰ متری زیر زمین پایین می‌رود، شاید برای همه مناسب نباشد. اما اینجا مکانی ایده‌آل برای انجام پروژه‌ای است که قصد دیدن آن را داریم: آزمایش ارشمیدس. نام این آزمایش برگرفته از پدیده‌ای است که برای اولین بار توسط دانشمند یونانی توصیف شد و هدف آن وزن کردن«هیچ‌چیز» بود.

بیشتر بخوانید:

هواپیمای مرموز چینی شیئی ناشناس را در مدار زمین رها کرد/ عکس

فقط ابرثروتمندان ایرانی این خودرو را سوار می‌شوند!/ عکس

وقتی ماشین متوقف شد، راننده پیاده شد و به همه کلاه ایمنی و چراغ قوه داد. بخش آخر سفر را با پای پیاده رفتیم و دائما به عمق بیشتری داخل تونل می‌رفتیم. سپس وارد اتاقی شدیم که لرزه‌نگارها حرکات بسیار ظریف زمین اطراف را ثبت می‌کردند. نهایتا در سمت چپ تونل غاری ظاهر می‌شود که توسط نورافکنی روشن شده است، و ما توقف می‌کنیم. کالونی، فیزیکدان موسسه ملی فیزیک هسته‌ای ایتالیا می‌گوید:«این جایی است که قرار است آزمایش در آن انجام شود.»

از نظر زمین‌شناسی، ساردینیا یکی از ساکت‌ترین مناطق اروپا است. این جزیره، همراه با همسایه خود، کورس، بر روی لایه ایمن پوسته زمین قرار دارند که یکی از پایدارترین مناطق مدیترانه است، و تاکنون در کل تاریخ خود شاهد زمین‌لرزه‌های کم با شدت پایین بوده است؛ و تنها یک رویداد (دریایی) ضعیف با قدرت ۵ به این منطقه رسیده است. از آنجایی که آزمایش ارشمیدس به جایی نیاز دارد که نسبت به محیط بیرون ایزوله شدید شده باشد، دانشمندان این مکان زمین‌شناسی بدون حادثه را برای این کار انتخاب کردند. این کار شامل مجموعه‌ای از آزمایش‌های مختلف با دقت بالا است که قرار است بدترین پیش‌بینی نظری در تاریخ فیزیک را بررسی کند: سنجیدن میزان انرژی در فضای خالی که جهان را پر می‌کند.

محققان می‌توانند انرژی خلاء را به دو روش محاسبه کنند. از منظر کیهان‌شناسی، آنها می‌توانند از معادلات نسبیت عام آلبرت انیشتین برای محاسبه میزان انرژی مورد نیاز برای توضیح این واقعیت استفاده کنند که جهان با سرعتی شتابان در حال انبساط است. همچنین می‌توانند از پایین به بالا، با استفاده از نظریه میدان کوانتومی برای پیش‌بینی مقدار انرژی، بر اساس جرم تمام «ذرات مجازی» که می‌توانند برای مدت کوتاهی پدید آمده و سپس در فضای «خالی» ناپدید شوند، استفاده کنند (در ادامه در این باره بیشتر توضیح خواهیم داد).

با استفاده از این دو روش اعدادی به دست می‌آیند که تفاوت آنها بیش از عددی به بزرگی «یک و به دنبال آن ۱۲۰ صفر» است. این یک اختلاف نامعقول است که پیامدهای مهمی در درک ما از انبساط جهان، و حتی سرنوشت نهایی آن دارد. دانشمندان برای اینکه بفهمند کجای کار ایراد دارد، در حال آوردن یک محفظه استوانه‌ای خلا به طول دو متر و سایر تجهیزات به داخل معدن قدیمی ساردینیا هستند، تا بتوانند خودشان خلاء را ایجاد کرده و «هیچ‌ چیز» درون آن را وزن کنند.

در فضای خالی چیست؟

خلاء کاملاً خالی نیست. این به دلیل نظریه‌ای در فیزیک کوانتومی به نام «اصل عدم قطعیت هایزنبرگ» است. این اصل بیان می‌کند که غیرممکن است که هم‌زمان سرعت و مکان هر ذره‌ای را با دقت یا قطعیت دلخواه معین کنید - هر چقدر در مورد یک مقدار با دقت زیاد بدانید، دیگری را با دقت کمتری خواهید دانست. این اصل برای اندازه‌گیری‌های دیگر، مانند اندازه‌گیری‌های مربوط به انرژی و زمان نیز صدق می‌کند. عواقب آن قابل توجه است. این بدان معناست که طبیعت می‌تواند انرژی را برای مدت زمان بسیار کوتاهی «قرض» کند. این تغییرات در انرژی که به عنوان نوسانات خلاء شناخته می‌شوند، اغلب به شکل ذرات مجازی هستند که می‌توانند ناگهان و از جایی نامعلوم ظاهر شوند و بلافاصله دوباره ناپدید شوند.

نوسانات خلاء باید به برخی قوانین احترام بگذارند. به عنوان مثال، یک بار الکتریکی منفرد نمی‌تواند ناگهان در جایی ظاهر شود که هیچ بار دیگری وجود ندارد (این قانون بقای بار را نقض می‌کند). این یعنی فقط ذرات خنثی الکتریکی مانند فوتون‌ها می‌توانند خود به خود در خلاء ظاهر شوند. ذرات باردار الکتریکی باید همراه با ضد ذرات خود ظاهر شوند. به عنوان مثال، یک الکترون می‌تواند همراه با یک پوزیترون که دارای بار مثبت است ظاهر شود؛ دو بار همدیگر را خنثی می‌کنند تا برآیند بار کل صفر باقی بماند. در نتیجه، خلاء به طور مداوم با جریانی از ذرات کوتاه مدت که در اطراف ظاهر می‌شوند پر و خالی می‌شود.

بیشتر بخوانید:

عکس | اولین تصاویر از پرچمدار سامسونگ؛ خلاقیت سامسونگ ته کشید!

ایلان ماسک دو خودروی جدید به خط تولید تسلا می‌آورد/ عکس

حتی اگر نتوانیم این ذرات مجازی را در آشکارسازها ثبت کنیم، اما حضور آنها قابل اندازه‌گیری است. برای مثال می‌توانیم به اثر کاسیمیر اشاره کنیم که توسط فیزیکدان هلندی هندریک کاسیمیر در سال ۱۹۴۸ پیش‌بینی شد. طبق محاسبات او، دو صفحه فلزی مقابل هم باید یکدیگر را در خلاء جذب کنند، حتی بدون در نظر گرفتن کشش گرانشی جزئی که روی یکدیگر اعمال می‌کنند. دلیل آن چیست؟ ذرات مجازی. وجود صفحات محدودیت‌های خاصی را ایجاد می‌کنند که در آن ذرات مجازی می‌توانند از خلاء خارج شوند.

به عنوان مثال، فوتون‌ها (ذرات نور) با انرژی‌های خاص نمی‌توانند بین صفحات ظاهر شوند. علت آن این است که صفحات فلزی همانند آینه‌هایی عمل می‌کنند که فوتون‌ها را به عقب و جلو منعکس می‌کنند. فوتون‌هایی با طول موج‌های معین، در نهایت به فرورفتگی‌های موجی ختم می‌شوند که بعد از همپوشانی با تاج‌های موج، عملاً خودشان را خنثی می‌کنند. در صورت همپوشانی دو قله موج، سایر طول موج‌ها تقویت می‌شوند. نتیجه این است که برخی انرژی‌های خاص ترجیح داده شده و تقویت می‌شوند و برخی از آنها طوری از بین می‌روند که گویی آن فوتون‌ها هرگز آنجا نبوده‌اند. این یعنی فقط ذرات مجازی با مقادیر انرژی مشخص می‌توانند بین صفحات وجود داشته باشند. با این حال، در خارج از آنها، هر ذره مجازی می‌تواند ظاهر شود.

نتیجه این است که بین صفحات احتمالات کمتری(و در نتیجه ذرات مجازی کمتری) نسبت به اطراف آنها وجود دارد. فراوانی نسبی ذرات در خارج، بر صفحات فشار وارد می‌کند و آنها را به هم فشار می‌دهد. این تأثیر، هرچند که ممکن است عجیب به نظر برسد، اما قابل اندازه‌گیری است. استیون لامورو، فیزیکدان، در سال ۱۹۹۷، و تقریباً ۵۰ سال پس از پیش‌بینی کاسیمیر، این پدیده را به طور تجربی در دانشگاه واشنگتن تأیید کرد. اکنون کالونی و همکارانش امیدوارند تا بتوانند از اثر کاسیمیر برای اندازه‌گیری انرژی فضای خالی استفاده کنند.

این انرژی پیامدهای مهمی برای تمام جهان دارد. نسبیت عام به ما می‌گوید که انرژی (مثلاً به شکل جرم)، فضا-زمان را به شکل منحنی در می‌آورد. این بدان معناست که ذرات مجازی‌ای که انرژی خلاء را برای مدت کوتاهی تغییر می‌دهند، بر شکل و تکامل جهان ما تأثیر می‌گذارند. هنگامی که این ارتباط برای اولین بار مشخص شد، کیهان‌شناسان امیدوار بودند تا بتواند معمای بزرگی را در زمینه کیهان‌شناسی حل کنند: مقدار ثابت کیهانی، یا روش دیگری برای توصیف انرژی در فضای خالی.

ثابت کیهانی

اینشتین نظریه نسبیت عام خود را در سال ۱۹۱۵ بیان کرد، اما خیلی زود متوجه شد که این نظریه یک مشکل دارد. به نظر می‌رسید که این نظریه یک جهان در حال انبساط را پیش‌بینی می‌کرد، در حالیکه در آن زمان اخترشناسان معتقد بودند که کیهان ما ساکن است: این فضا دارای اندازه ثابت و بدون تغییر است.

بیشتر بخوانید:

گیاه شگفت‌انگیز پروانه‌ها را فریب می‌دهد!/ عکس

واتساپ از تلگرام جلو زد/ رمزگذاری سرسختانه پیام‌ها در واتساپ

سه سال بعد از انتشار این نظریه، اینشتین دریافت که می‌تواند اصطلاحی به نام «ثابت کیهانی» را بدون تغییر قوانین اساسی فیزیک به معادلات خود اضافه کند. با توجه به مقدار مناسب، این اصطلاح تضمین می‌کند که جهان نه منبسط و نه منقبض می‌شود. با این حال، در دهه ۱۹۲۰، ادوین هابل که یک ستاره‌شناس بود از بزرگترین تلسکوپ آن زمان(تلسکوپ هوکر در رصدخانه کوه ویلسون در کالیفرنیا) استفاده کرد و دید که هر چقدر که یک کهکشان از زمین دورتر است، به نظر می‌رسد که با سرعت بیشتری در حال عقب‌نشینی است. این روند نشان می‌داد که در واقع فضا در حال گسترش یافتن است. اینشتین ثابت کیهانی را کنار گذاشت و آن را یک "حماقت" نامید.

بیش از نیم قرن بعد، تغییر نظریه دیگری وجود داشت: با مشاهده ابر نو اخترهای دوردست، دو تیم تحقیقاتی به طور مستقل ثابت کردند که جهان نه تنها در حال انبساط است، بلکه این کار را با سرعت بالایی انجام می‌دهد. نیرویی که فضا را از هم جدا می‌کند، از آن زمان به بعد انرژی تاریک نامیده شد. آنها به نوعی همانند گرانش عمل می‌کنند و مانع از فروپاشی تمام اجسام عظیم در یک مکان می‌شوند. بر اساس پیش‌بینی‌های نظری، انرژی تاریک حدود ۶۸ درصد از کل انرژی در فضا را تشکیل می‌دهد. در این مرحله، ثابت کیهانی به عنوان توضیحی ممکن برای این شکل مرموز انرژی دوباره مطرح شد. و تصور می‌شود که ثابت کیهانی، به نوبه خود، انرژی‌اش را از خلاء می‌گیرد.

در ابتدا، جامعه علمی از این اتفاق خوشحال شد: به نظر می‌رسید که ثابت نسبیت عام، نتیجه انرژی ذرات مجازی در فضای خالی است. دو حوزه مختلف فیزیک(نسبیت و نظریه کوانتوم) دست به دست هم می‌دادند تا انبساط پرشتاب جهان را توضیح دهند. اما این شادی زیاد طول نکشید. زمانی که دانشمندان این دو محاسبه را انجام دادند، معلوم شد که انرژی خلاء بر اساس نظریه میدان کوانتومی بسیار بزرگتر (۱۲۰ مرتبه بزرگتر) از مقدار ثابت کیهانی است که ستاره‌شناسان از اندازه گیری انبساط کیهان بدست می‌آورند. بهترین راه برای حل این اختلاف، اندازه‌گیری مستقیم انرژی موجود در خلاء، با وزن کردن ذرات مجازی است.

مقیاسی برای کیهان

اگر انرژی خلاء حاصل از تئوری کوانتومی درست باشد، پس چیزی باید تأثیرات این انرژی بر انبساط فضا را کم کند. اگر این مقدار، قدرت واقعی انرژی تاریک بود، فضا خیلی خیلی سریعتر منبسط می‌شد. از سوی دیگر، اگر مقدار کیهان‌شناسی درست باشد، پس فیزیکدانان میزان انرژی ذرات مجازی در خلاء را دست‌کم گرفته‌اند.

نوسانات خلاء و وجود ذرات مجازی، به طور گسترده، حداقل از زمانی که اثر کاسیمیر نشان داده شده، پذیرفته شده است. و قدرت پیش‌بینی‌شده تئوری کوانتوم برای نوسانات نیز نمی‌تواند کاملاً از بین برود، زیرا آزمایشات انجام شده در لابراتوار این نظریه را با دقت بسیار بالایی تأیید می‌کنند. اما آیا این امکان وجود دارد که ذرات مجازی در واقع به روشی که ما فکر می کنیم گرانش نداشته باشند و در نتیجه آنطور که ما انتظار داریم، وزن فضا را تحت تاثیر قرار ندهند؟

تاکنون هیچ اندازه گیری مستقیمی از نحوه رفتار ذرات مجازی با توجه به گرانش انجام نشده است. و برخی از دانشمندان بر این باورند که شاید رفتار ذرات مجازی، به شکلی متفاوت از ماده معمولی، با گرانش تعامل داشته باشند. مثلا دو فیزیکدان به نام‌های الکساندر کاگانوویچ و ادواردو گوندلمن، در سال ۱۹۹۶ یک مدل نظری ارائه کردند که در آن نوسانات خلاء هیچ اثر گرانشی ندارد. این ممکن است در صورتی درست باشد که علاوه بر سه بعد معمولی فضا و یک بعد زمان که با آن آشنا هستیم، بعد دیگری نیز وجود داشته باشد. این ابعاد پنهان ممکن است رفتار گرانش را در مقیاس‌های بسیار کوچک تغییر دهند.

با این حال، تفاوت‌های جرمی در هسته‌ اتمی عناصری مانند آلومینیوم و پلاتین را تنها در صورتی می‌توان توضیح داد که نوسانات کوانتومی خاصی به وزن آنها کمک کند. به همین دلیل است که بسیاری از فیزیکدانان به این باور رسیده‌اند که ذرات مجازی مانند ذرات معمولی با گرانش تعامل دارند. کارلو روولی، فیزیکدان نظری، که در برنامه‌ریزی نظری آزمایش ارشمیدس شرکت داشت، می‌گوید:«نشانه‌های روشنی برای این موضوع وجود دارد، اما تاکنون هیچ مدرک قطعی وجود نداشته است.»

اعضای تیم ارشمیدس برای تأیید اینکه ذرات مجازی با گرانش، همانند یک ماده عادی بر همکنش دارند، قصد دارند تا با تست ساده تعادل پرتو از اثر کاسیمیر برای وزن کردن ذرات مجازی استفاده کنند. ترازو در داخل محفظه خلاء آنها قرار می‌گیرد، یک ظرف استوانه‌ای پر از "هیچ چیز" که در چندین لایه عایق قرار می‌گیرد تا آن را بسیار سرد نگه داشته و از محیط بیرون محافظت کند.

هر یک از این لایه‌ها که به نوبه خود در اعماق غار ساردینیا قرار می‌گیرند، از این دستگاه ظریف در برابر هر گونه تأثیر احتمالی جهان بالای زمین محافظت می‌کنند. وجود این عایق‌ها ضروری می‌باشند زیرا دانشمندان در جستجوی یک سیگنال لحظه‌ای هستند: حرکت جزئی ترازو هنگام برقرار شدن اثر کاسیمیر، ثبت تغییر وزن یک ماده نمونه با جابجایی جمعیت ذرات مجازی درون آن. لوسیانو اریکو، محقق فوق دکترا، و یکی از اعضای تیم آزمایش، توضیح می‌دهد: «در اصل، ما دهه‌هاست اصول اولیه مورد نیاز برای این کار را می‌دانیم. اوایل من متعجب بودم که چرا انجام این کار اینقدر طول کشیده است.»

در سال ۱۹۲۹، فیزیکدان ریچارد تولمن به این فکر کرد که آیا می‌توان اشکال خاصی از انرژی (او بر گرما متمرکز بود) را سنجید. هفت دهه بعد کالونی به فکر پیشبرد این ایده افتاد. او پس از خواندن مقاله فنی فیزیکدان فقید استیون واینبرگ، فکر کرد که میزان گرانش ذرات مجازی را با استفاده از اصل ارشمیدس بسنجد. در این اصل آمده وقتی جسمی در سیال غوطه‌ور می شود، نیروی شناوری رو به بالا برابر با وزن سیال را تجربه می‌کند، که آن جسم را جابجا می‌کند. اگر ذرات مجازی وزن داشته باشند، پس یک حفره از صفحات فلزی در خلاء باید نیروی شناوری را تجربه کند. این حفره اساساً خلاء معمولی را با ذرات مجازی فراوانش با یک خلاء سبک‌تر که حاوی ذرات مجازی کمتری است جابجا می‌کند. تعیین قدرت نیروی شناور که به چگالی ذرات مجازی بستگی دارد، وزن آنها را آشکار می‌کند.

محققان برای اندازه‌گیری این نیرو در لوله خلاء خود، دو نمونه ساخته شده از مواد مختلف به ارتفاع دو متر و عرض ۱.۵۰ متر را به حالت تعادل آویزان کردند و بر روی یکی از این نمونه‌ها اثر کاسیمیر را ایجاد کردند. برای این کار آنها هر دو ماده را در فواصل زمانی معین، در دمای حدود چهار درجه سانتیگراد گرم کرده و سپس دوباره سرد می‌کنند.

این اختلاف دما کافی است تا یکی از نمونه‌ها بین فاز ابررسانا (زمانی که الکتریسیته آزادانه در ماده جریان دارد) و فاز عایق (زمانی که الکتریسیته نمی‌تواند به راحتی جریان یابد) به جلو و عقب جابجا شود. با این حال، ماده دیگر، همیشه یک عایق باقی می‌ماند. با تغییر رسانا بودن در نمونه اول، این نمونه همانند راه‌اندازی کلاسیک دو صفحه‌ای عمل کرده و تعداد ذرات مجازی ممکن در آن تغییر می‌کند. بنابراین نیروی رانش(buoyancy force ) در وزن‌کشی اول به صورت دوره‌ای افزایش و کاهش می‌یابد. این تغییر باید باعث شود که در فواصل منظم تعادل ایجاد شود، درست مانند دو کودکی که روی الاکلنگ نشسته‌اند و بالا و پایین می‌روند.

در برنامه‌ریزی این آزمایش، دانشمندان نیاز داشتند تا ماده‌ مناسبی را انتخاب کنند که بتواند به طور یکنواخت و سریع گرم و سرد شود و اثر کاسیمیر را به شکلی قوی نشان دهد. پس از بررسی چندین گزینه، این تیم کریستال‌های یک ابررسانا به نام کوپریت(cuprates) را انتخاب کردند. نمونه‌های به دست آمده دیسک‌هایی با قطر حدود ۱۰ سانتی‌متر هستند که ضخامت آنها تنها چند میلی‌متر است. تا به امروز، هیچ کس ثابت نکرده که اثر کاسیمیر در ابررساناهایی با دمای بالا کار می‌کند، اما دانشمندان شرط می‌بندند که این کار را انجام دهند.

محققان تعادل را طوری برقرار کرده‌اند که آزادانه در فضای داخل محفظه خلاء خود معلق بمانند، و کل دستگاه را تا کمتر از ۱۸۰- درجه سانتیگراد خنک می‌کند. خود این محفظه در دو محفظه فلزی بزرگتر بسته‌بندی می‌شود؛ یکی از این محفظه‌ها پر از نیتروژن مایع ، و محفظه دیگر بدون هوا است که مانند عایق حرارتی عمل می‌کند. بدون این روش محافظتی نهایی، لایه دوم خیلی سریع گرم خواهد شد. کل سازه حدود سه متر ارتفاع، عرض و عمق دارد و وزن آن چندین تن خواهد بود.

یک سیگنال حساس

کالونی در سال ۲۰۰۲ به همراه همکاران خود کار را شروع کردند و یک مدل نظری را بکار گرفتند تا قدرت نیروی رانش را در تنظیمات مختلف آزمایشی بسنجند. آنها دریافتند که نیرو در یک آزمایش واقعی در حدود ۱۰ به توان ۱۶- نیوتن خواهد بود. اندازه‌گیری چنین نیروی کوچکی مثل این است که بخواهید وزن DNA در یک سلول را اندازه‌گیری کنید. اولف لئونهارت، فیزیکدان، می‌گوید: «اعداد ویرانگر هستند. از سوی دیگر، ۱۰ سال پیش به سختی کسی باور می‌کرد که اکنون امواج گرانشی قابل تشخیص باشند.»

در واقع، فناوری موجود در آشکارسازهای امواج گرانشی امروزی، که برای اولین بار در سال ۲۰۱۵ اهداف خود را مشاهده کردند، می‌تواند به شناسایی سیگنال‌های گرانشی کوچکی که آزمایش ارشمیدس به دنبال آن است، کمک کند. کالونی، خود در ساخت آشکارساز امواج گرانشی ایتالیایی VIRGO مشارکت داشت. اریکو می‌گوید: «همه اینها تنها به واسطه ساخت ابزارهای بسیار حساسی که برای اندازه‌گیری دقیق امواج گرانشی ساخته شده ممکن شد.»

آزمایش ارشمیدس برای اینکه بتواند شکست یا انحناء کوچکی را که به دنبال آن است تشخیص دهد از دو سیستم لیزری استفاده خواهد کرد که شباهت‌هایی با تنظیمات لیزر و آینه در آشکارسازهای امواج گرانشی دارند. اولی یک پرتو لیزر را به دو قسمت تقسیم می‌کند و آن را از طریق یک تقسیم‌کننده پرتو به دو سر ترازو هدایت می‌کنند، و در آنجا توسط آینه‌های متصل منعکس می‌شوند. سپس پرتوها توسط آینه‌های دیگر ترکیب می‌شوند و به سمت یک آشکارساز می‌روند.

اگر پرتوها در تعادل باشند، هر دو پرتو دقیقاً مسافت یکسانی را طی خواهند کرد. اگر بازو کمی در یک جهت کج شود، پرتوها فواصل مختلفی را طی خواهند کرد. در این صورت، تاج‌ها و فرورفتگی‌های امواج پرتو لیزر در دستگاه اندازه‌گیری به صورت پلکانی به هم می‌رسند و شدت‌های متفاوتی را تولید می‌کنند. این سیستم می‌تواند حتی کوچکترین انحرافات از حالت تعادل را تشخیص دهد.

مجموعه دوم لیزرها، در صورت وجود جابجایی زیاد، جهت شیب را اندازه گیری می‌کنند. نمونه اولیه ساده‌شده‌ی این آزمایش که در دمای اتاق انجام می‌شود، به‌طور قابل‌توجهی حساس است و عملکرد دستگاه ارشمیدس را به خوبی نشان می‌دهد. اما حتی با چنین سیستم‌های اندازه‌گیری پیچیده‌ای، باز هم اجرای آزمایش دشوار خواهد بود. ویویشک سودهیر، فیزیکدانی از موسسه فناوری ماساچوست می‌گوید: «در آزمایش‌های این چنینی، تمام جهان بر علیه شما کار می‌کنند.»

فیزیکدانان برای محافظت از این تعادل در برابر دنیای بیرون، به مکانی نیاز داشتند که کمترین فعالیت لرزه‌ای ممکن را داشته باشد، از این رو به ساردینیا آمدند. این جزیره مزایای دیگری نیز دارد. به دلیل جمعیت کم آن، صداهایی که توسط انسان‌ها تولید می‌شوند بسیار کم است. همچنین این جزیره بیش از ۲۵۰ معدن متروکه دارد که بسیاری از آنها دیگر مورد استفاده قرار نمی‌گیرند، و این باعث می‌شود تا ارتعاشات کمتری در زیر زمین وجود داشته باشد و همچنین دمای داخل یک معدن نیز پایدار است.

سرانجام تیم تحقیقاتی در معدن Sos Enattos در سمت شرقی جزیره که از دهه ۱۹۹۰ بسته شده بود، مستقر شد. این معدن تاریخچه طولانی دارد: در دوران باستان، رومی‌ها از این معدن برای استخراج سنگ معدن نقره و روی استفاده می‌کردند. لودو که راننده ما در این سفر است، اکنون مسئول شفت‌ها است. او قبلاً به عنوان تکنیسین در معدن کار می‌کرده است. لودو در طول مسیر به ما گفت: «درست قبل از بسته شدن معدن، فقط حدود ۳۰ نفر در آنجا کار می‌کردند. سپس شروع به تغییر دادن مسیرهای زیرزمینی کردند تا بتوان از آنها به عنوان موزه استفاده کرد.»

او چند سال بعد مدیریت معدن را به عهده گرفت و تورهایی را در آنجا برگزار می‌کرد. در برخی از قسمتها هنوز تاسیسات آموزشی که مراحل مختلف کار معدن‌چی ان را به تصویر می‌کشد وجود دارد: تصاویری از کسانی که گاری‌ها را با سنگ پر می‌کردند، یا مواد منفجره را به دیوارها وصل می‌کنند.

اتاقی که آنها می‌خواهند این آزمایش را در آن انجام دهند، با دیوارهای بلند سنگی و بدون تزئین و سقف طاق مانند غار گونه، بیشتر شبیه یک مکان باستانی است تا یک آزمایشگاه. کالونی می‌گوید: «اندازه این اتاق قبلاً کمی بزرگ شده است، اما هنوز کارهای زیادی برای انجام دادن وجود دارد. مثلا اتاق همچنان باید بزرگتر شود، و به شفت تهویه، کفپوش مناسب و ... نیاز دارد.»

نسخه نهایی تنظیم تعادل، اخیرا تکمیل و به ساردینیا ارسال شده است. محفظه خلاء در محل آزمایش است، اما دو محفظه بیرونی آن هنوز در حال تولید هستند. زمانی که این دو محفظه آماده شده و به غار آورده شوند، دانشمندان کل مجموعه را به این اتاق تاریک زیرزمینی منتقل خواهند کرد و شروع به آزمایش‌های واقعی می‌کنند.

برای رسیدن به این مرحله راه طولانی طی شده است. اریکو می‌گوید:«حدود شش ماه طول کشید تا بتوانم تنظیمات را با جزئیات برنامه‌ریزی کنم. کدام پیچ تنظیم باید کجا بسته شود؟ یک جداکننده پرتو ایده آل چگونه است و باید در کجا قرار گیرد؟ سپس یکسال طول کشید تا همه قطعات رسیدند و من همه آنها را سرهم کردم. کالیبراسیون لیزر برای اینکه به طور دقیق به تمام وسایل برخورد کند! در واقع این کار فقط ۳۰ دقیقه طول کشید. من همه چیز را آنقدر دقیق برنامه‌ریزی کرده بودم که فقط چند درجه آزادی وجود داشت. وقتی همه چیز واقعاً آنطور که تصور می‌کردم پیش رفت، تقریباً از خوشحالی گریه کردم.»

اندازه گیری‌های دقیق

لامورکس که برای اولین بار اثر کاسیمیر را نشان داد، می‌گوید با وجود برنامه‌ریزی دقیق تیم، اندازه‌گیری بسیار چالش‌برانگیز خواهد بود. او می‌گوید: «من مدت‌ها رویای اندازه‌گیری نیروی کاسیمیر را در بین صفحات ابررسانا داشتم. اما ساختن یک نمونه مناسب فراتر از توانایی‌های من بود.»

کارستن دانزمن، مدیر مؤسسه ماکس پلانک برای فیزیک گرانشی در هانوفر آلمان، خاطرنشان می‌کند که اندازه‌گیری‌های دقیق این آزمایش باید ۱۰ برابر بهتر از بهترین آشکارسازهای امواج گرانشی باشد که امروزه کار می‌کنند. او این پروژه را بسیار جالب اما جاه‌طلبانه توصیف می‌کند.

لئونهارت می‌گوید: با این حال، اگر این آزمایش نتیجه دهد، عواقب بزرگی خواهد داشت. «این آزمایش بسیار مهم است، زیرا ثابت می‌کند که نوسانات خلاء در واقع یک کمیت واقعی با نیروی گرانشی هستند.» اگر اندازه‌گیری‌ها با انتظارات مطابقت داشته باشند و نشان دهند که ذرات مجازی، همانند ماده معمولی از نظر گرانشی برهم‌کنش دارند، مطمئناً می‌دانیم که نوسانات خلاء باید معادلات نسبیت عام اینشتین را تحت تأثیر قرار دهند. در نتیجه، احتمالاً آنها تأثیرات بسیار قوی دارند. در آن صورت، کیهان‌شناسان باید توضیح دهند که چه چیزی تأثیر انرژی خلاء در جهان را سرکوب می‌کند.

اگر انحراف از تعادل، متفاوت از حد انتظار باشد، ممکن است چند معنی داشته باشد. از یک طرف، اگر در این آزمایش نشان داده شود که ذرات مجازی گرانش ندارند، چنین نتیجه‌ای می‌تواند دری را به روی فیزیک کاملاً نوین، باز کند. اما مارکوس آسپل مایر، فیزیکدان تجربی از دانشگاه وین، می‌گوید: «سیگنال گم شده می‌تواند به این دلیل باشد که اثر کاسیمیر در کوپریت‌ها وجود ندارد یا بسیار ضعیف است. بنابراین، این موضوع اهمیت بیشتری دارد که آزمایشی جدا از این آزمایش انجام شود.»

حتی خود محققان ارشمیدس هم، هیچ پیش‌بینی نمی‌کنند. کالونی می‌گوید: «ما هنوز نمی‌خواهیم فرضیه‌ای بسازیم تا آزمایش را جعل نکنیم. اما هر نتیجه‌ای که به دست آوریم، قطعا هیجان‌انگیز خواهد بود.»

منبع: scientificamerican

۵۸۵۸