نظریه نسبیت عام اینشتین پیش‌بینی می‌کند که چرخش زمین به‌شکل ظریفی فضا-زمان اطراف سیاره را پیچ‌وتاب می‌دهد. این اثر، که به کشش چارچوب معروف است، پیش از این با استفاده از کاوشگرهای کلاسیکی قرارداده‌‌شده روی ماهواره‌ها آشکارسازی شده بود. اما آن اندازه‌گیری‌ها غیرمستقیم بود و به ماه‌ها و سال‌ها جمع‌آوری داده و مدل‌سازی‌های پیچیده از گرانش زمین نیاز داشت. اکنون بیرگیتا ویلی (Birgitta Whaley)، از دانشگاه کالیفرنیا در برکلی، و همکارانش حسگر کوانتومی زمینی جدیدی را ارائه داده‌اند که می‌تواند فقط طی چند ثانیه کشش چارچوب را به‌طور مستقیم اندازه‌گیری کند [۱]. اگر این دستگاه در آزمایشگاه تحقق یابد، آزمونی بسیار دقیق و سختگیرانه برای نسبیت عام فراهم خواهد شد.

درست همان‌طور که گلوله باردار چرخان میدان مغناطیسی تولید می‌کند، زمین و دیگر اجرام چرخان نیز میدانی موسوم به میدان گرانشی‌-مغناطیسی (gravitomagnetic field) تولید می‌کنند. خطوط میدان گرانشی‌ مغناطیسی زمین، مانند خطوط میدان مغناطیسی آهن‌ربا، از یک قطب به قطب دیگر آن امتداد می‌یابند. این خطوط میدان فضا-زمان اطراف را می‌کِشند و باعث می‌شوند که تا اندازه‌ای پیچ‌وتاب بخورد.

ویلی و همکارانش برای اندازه‌گیری این پدیده ضعیف پیشنهاد می‌کنند که از یک وسیله کوانتومی استفاده شود که در آن حلقه‌ای از هلیومِ ابرشاره فوقِ‌سرد توسط یک سد متخلخل بسیار کوچک قطع می شود. کشیدگی چارچوب باعث جابه‌جایی جزئی فاز کوانتومی هلیوم عبوری از این سد شده و در نتیجه فرکانس تشدید دستگاه نیز تغییر می‌کند و به‌ این‌ترتیب اثر آشکار می‌شود.

تحلیل‌های محققان نشان می‌دهد که وسیله آنها می‌تواند نرخ کشش چارچوب را با دقتی در حدود 0.2 درصد تشخیص دهد، که با دقیق‌ترین داده‌های ماهواره‌ای مطابقت دارد. دستیابی به این دقت، بسته به کیفیت دستگاه، ممکن است چند دقیقه یا حتی یک ثانیه زمان ببرد، بدون این‌که به مدل‌سازی پیچیده و پرتاب ماهواره متکی باشد.

[1] K.-I. Ellers et al., “Quantum sensing of gravitational frame dragging with a superfluid ⁴He gyrometer,” Phys. Rev. Lett. 137, 121404 (2026).

منبع:

Detecting How Earth Twists Spacetime