سقوط آزاد اتم‌ها در ایستگاه فضایی چین؛ بازسازی آزمایش گالیله در مقیاس کوانتومی

دانشمندان در یک دستاورد علمی خیره‌کننده، با بازسازی آزمایش مشهور گالیله در ایستگاه فضایی چین، ثابت کردند که سقوط آزاد اتم‌ها با جرم‌های متفاوت، با شتابی کاملاً یکسان انجام می‌شود. این آزمایش که در محیط کم‌جاذبه مدار زمین انجام شده، یکی از بنیادی‌ترین مفاهیم فیزیک را در مقیاس اتمی مورد تایید قرار داده است.

از برج پیزا تا ایستگاه فضایی تیان‌گونگ

روایت کلاسیک از گالیلئو گالیله بیان می‌کند که او با رها کردن وزنه‌های مختلف از بالای برج کج پیزا، نشان داد که شتاب سقوط اجسام به جرم آن‌ها بستگی ندارد. اکنون، پژوهشگران با استفاده از فناوری‌های پیشرفته، این ایده را به دنیای کوانتوم و سقوط آزاد اتم‌ها برده‌اند.

در مطالعه‌ای که در نشریه Science Advances منتشر شده، دو ابر از اتم‌های سرد روبیدیوم در ایستگاه فضایی تیان‌گونگ چین تحت آزمایش قرار گرفتند. تفاوت اصلی این دو ابر در تعداد نوترون‌های هسته آن‌ها بود که باعث تفاوت در جرم اتم‌ها می‌شد.

اثبات اصل هم‌ارزی در مقیاس اتمی

نتایج حاصل از این آزمایش نشان داد که شتاب دو ابر اتمی با دقت خیره‌کننده ۰٫۰۵ درصد با یکدیگر منطبق است. این یافته به معنای تایید عملی دو مفهوم کلیدی در فیزیک است:

• جرم گرانشی: میزان واکنش یک جسم به نیروی کشش جاذبه.
• جرم لَختی (اینرسی): مقاومت جسم در برابر تغییر در حالت حرکت.

وقتی این دو جرم با هم برابر باشند، اثر جرم در معادلات حرکت حذف شده و تمامی اجسام در خلاء با شتابی یکسان سقوط می‌کنند.

چرا آزمایش در فضا انجام شد؟

برخلاف آزمایش‌های انجام شده روی زمین که به دلیل محدودیت فاصله و اثرات اتمسفر با دقت محدودی همراه هستند، محیط مدار زمین شرایط ایده‌آلی را فراهم می‌کند. در ایستگاه فضایی، اجسام می‌توانند برای مدت بسیار طولانی در حالت سقوط آزاد اتم‌ها باقی بمانند که این امر دقت سنجش را به شدت افزایش می‌دهد.

"این آزمایش نه تنها اصل هم‌ارزی ضعیف را تایید می‌کند، بلکه نشان می‌دهد که قوانین نسبیت عام اینشتین حتی در قلمرو فیزیک کوانتومی و رفتار اتم‌ها نیز پابرجا هستند."

در نهایت، این موفقیت علمی در ایستگاه فضایی چین، گامی بزرگ در درک عمیق‌تر گرانش و ساختار فضا-زمان محسوب می‌شود و بار دیگر بر صحت نظریات آلبرت اینشتین در مقیاس‌های بسیار کوچک صحه می‌گذارد.