مسبار الجاذبية أ

كانت تجربة مسبار الجاذبية A ( GP-A ) تجربة فضائية لاختبار مبدأ التكافؤ ، وهو أحد مبادئ نظرية النسبية العامة لأينشتاين. أُجريت هذه التجربة بالتعاون بين مرصد سميثسونيان للفيزياء الفلكية والإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (ناسا) . أرسلت التجربة ليزر هيدروجين - وهو معيار تردد عالي الدقة - إلى الفضاء لقياس معدل مرور الزمن بدقة عالية في مجال جاذبية أضعف . تُسبب الكتل تشوهات في نسيج الزمكان ، مما يؤدي إلى انكماش الطول وتمدد الزمن ، وهما نتيجتان متوقعتان لنظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين . نتيجةً لانحناء الزمكان، من المفترض أن يقيس مراقب على الأرض (في مجال جاذبية منخفض) معدل مرور أبطأ للزمن مقارنةً بمراقب على ارتفاع أعلى (في مجال جاذبية أعلى). يُعرف هذا التأثير بتمدد الزمن بفعل الجاذبية .

كانت التجربة اختبارًا لإحدى أهم نتائج نظرية النسبية العامة لأينشتاين، وهي مبدأ التكافؤ. ينص مبدأ التكافؤ على أن الإطار المرجعي في مجال جاذبية منتظم لا يمكن تمييزه عن الإطار المرجعي الخاضع لتسارع منتظم. علاوة على ذلك، يتنبأ مبدأ التكافؤ بأن ظاهرة اختلاف معدلات تدفق الزمن، الموجودة في إطار مرجعي متسارع بانتظام، ستكون موجودة أيضًا في إطار مرجعي ثابت في مجال جاذبية منتظم.

أُطلق المسبار في 18 يونيو 1976 من مركز ناسا-والوبس للطيران في جزيرة والوبس، بولاية فرجينيا. حُمل المسبار بواسطة صاروخ سكاوت ، ووصل إلى ارتفاع 10,000 كيلومتر (6,200 ميل) ، وبقي في الفضاء لمدة ساعة و55 دقيقة، كما كان مُخططًا له. ثم عاد إلى الأرض بالهبوط في المحيط الأطلسي. ^{[ 4 ]}  

كان الهدف من تجربة مسبار الجاذبية A هو اختبار صحة مبدأ التكافؤ. يُعد مبدأ التكافؤ عنصرًا أساسيًا في نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين ، وينص على أن قوانين الفيزياء هي نفسها في إطار مرجعي متسارع كما هي في إطار مرجعي يخضع لحقل جاذبية منتظم .

ال مسبار الجاذبية الذي يزن 60 كجم، وهو مركبة فضائية مزودة بنظام مازر الهيدروجين الذري . المازر هو اختصار لتضخيم الموجات الميكروية بواسطة الانبعاث المحفز للإشعاع، وهو مشابه لليزر، حيث ينتج موجات كهرومغناطيسية متماسكة في نطاق الموجات الميكروية من الطيف الكهرومغناطيسي. ينتج مازر الهيدروجين إشارة دقيقة للغاية (1.42 مليار دورة في الثانية)، وهي مستقرة للغاية - بدقة جزء واحد من الكوادريليون ( 10^12) .¹⁵ ). وهذا يعادل ساعةً تنحرف بأقل من ثانيتين كل 100 مليون سنة. ^{[ 5 ]} تم إرسال إشارة ميكروية مُستمدة من تردد الميزر إلى الأرض طوال مدة المهمة. وقد تعرضت الإشارة أحادية الاتجاه المُستقبلة من الصاروخ لانزياح دوبلر نسبي بسبب سرعة الصاروخ، بالإضافة إلى انزياح دوبلر جاذبي نحو الأزرق بمقدار ضئيل.

بالإضافة إلى جهاز الميزر الهيدروجيني المحمول على الصاروخ، استُخدم جهاز ميزر هيدروجيني آخر على الأرض كمصدر للإرسال المستمر لإشارة ميكروية إلى الصاروخ. أعاد جهاز إرسال واستقبال ميكروي محمول على الصاروخ الإشارة إلى الأرض. أثناء الصعود، تعرّضت الإشارة المستقبلة من الصاروخ لانزياح دوبلر نتيجة سرعته، وانزياح جاذبي نحو الأحمر بمقدار ضئيل. في المقابل، تعرّضت إشارة جهاز الإرسال والاستقبال المستقبلة على الأرض لانزياح دوبلر نتيجة سرعة الصاروخ، وانزياح جاذبي نحو الأزرق بنفس مقدار انزياحها نحو الأحمر أثناء الصعود. وبما أن انزياح دوبلر الجاذبي للإشارات أثناء الصعود يُلغي تمامًا انزياح دوبلر الجاذبي أثناء الهبوط، فإن انزياح دوبلر ثنائي الاتجاه للإشارة المستقبلة على الأرض يعتمد فقط على سرعة الصاروخ.

في خلاط ترددات الميكروويف ، يُطرح نصف إزاحة دوبلر ثنائية الاتجاه من إشارة الميزر الأرضي المُرسلة من إزاحة دوبلر للميزر الفضائي. وبهذه الطريقة، تُلغى إزاحة دوبلر الناتجة عن حركة المركبة الفضائية تمامًا، ولا يتبقى سوى المكون الجاذبي لإزاحة دوبلر.

أُطلق المسبار عموديًا تقريبًا إلى الأعلى لإحداث تغيير كبير في الجهد الجاذبي، فوصل إلى ارتفاع 10,000 كيلومتر (6,200 ميل) . عند هذا الارتفاع، تنبأت النسبية العامة بأن الساعة ستعمل بدقة 4.5 جزء من 10.  ^{أسرع بعشر مرات} من سرعة الضوء على الأرض، أو حوالي ثانية واحدة كل 73 سنة. ^{[ 6 ]} مثلت تذبذبات الميزر دقات الساعة، ومن خلال قياس تردد الميزر أثناء تغير ارتفاعه، تم الكشف عن آثار تمدد الزمن بفعل الجاذبية.

كان الهدف من التجربة قياس معدل مرور الزمن في مجال جاذبية أعلى، ولتحقيق ذلك، قورن الميزر الموجود في المسبار بميزر مماثل بقي على الأرض. ^{[ ص 1 ]} قبل مقارنة معدلي الساعتين ، طُرح انزياح دوبلر من معدل الساعة المقاس بواسطة الميزر المُرسل إلى الفضاء، لتصحيح الحركة النسبية بين المراقبين على الأرض وحركة المسبار. ثم قورن معدلا الساعتين، وقورنا كذلك بالتوقعات النظرية لاختلافهما. سمحت استقرارية الميزر بقياس تغيرات في معدله تصل إلى جزء واحد من عشرة .¹⁴ لقياس مدته 100 ثانية.

وبذلك تمكنت التجربة من اختبار مبدأ التكافؤ . وقد أكد مسبار الجاذبية A التوقع بأن تدفق الزمن يكون أبطأ في أعماق بئر الجاذبية، ^{[ 7 ]} وتطابقت التأثيرات المرصودة مع التأثيرات المتوقعة بدقة تصل إلى حوالي 70 جزءًا في المليون.

• تأثير دوبلر
• النسبية العامة
• الانزياح الأحمر الجاذبي
• مسبار الجاذبية ب
• تجربة باوند-ريبكا
• الجدول الزمني لفيزياء الجاذبية

• التحقق من صحة ثبات الموضع المحلي من خلال تجربة الانزياح الأحمر الجاذبي

• مجموعة مسبار الجاذبية، أرشيفات ومجموعات خاصة بجامعة ألاباما في هنتسفيل