Źródło zdjęcia: NASA / JPL
Wcześniej czy później rządy Einsteina, podobnie jak panowanie Newtona przed nim, dobiegną końca. Zdaniem większości naukowców przewrót w świecie fizyki, który obali nasze wyobrażenia o podstawowej rzeczywistości, jest nieunikniony, a obecnie trwa kilka wyścigów konnych między garstką teorii konkurujących o sukcesję na tronie.
W toku są takie zadziwiające idee, jak 11-wymiarowy wszechświat, uniwersalne „stałe” (takie jak siła grawitacji), które zmieniają się w czasie i przestrzeni i pozostają naprawdę nieruchome w niewidzialnym piątym wymiarze, nieskończenie małe wibrujące struny jak fundamentalne składniki rzeczywistości oraz tkanka przestrzeni i czasu, która nie jest gładka i ciągła, jak sądził Einstein, ale podzielona na odrębne, niepodzielne fragmenty o znikomo małych rozmiarach. Eksperyment ostatecznie określi, które triumfy.
Naukowcy z NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) opracowali nową koncepcję eksperymentu, aby przetestować prognozy względności Einsteina bardziej niż kiedykolwiek wcześniej. Ich misja, która skutecznie wykorzystuje nasz Układ Słoneczny jako gigantyczne laboratorium, pomogłaby zawęzić pole rywalizacji między teoriami i zbliżyć nas o krok do następnej rewolucji w dziedzinie fizyki.
Dom podzielony
Może nie ma to większego wpływu na umysły większości ludzi, ale wielka schizma od dawna nęka nasze fundamentalne rozumienie wszechświata. Istnieją obecnie dwa sposoby wyjaśnienia natury i zachowania przestrzeni, czasu, materii i energii: względność Einsteina i „standardowy model” mechaniki kwantowej. Oba są bardzo udane. Na przykład globalny system pozycjonowania (GPS) nie byłby możliwy bez teorii względności. Tymczasem komputery, telekomunikacja i Internet są pochodnymi mechaniki kwantowej.
Ale te dwie teorie są jak różne języki i nikt jeszcze nie jest pewien, jak tłumaczyć między nimi. Względność wyjaśnia grawitację i ruch poprzez połączenie przestrzeni i czasu w 4-wymiarową, dynamiczną, elastyczną tkaninę rzeczywistości zwaną czasoprzestrzenią, która jest zgięta i wypaczona przez energię, którą zawiera. (Masa jest jedną z form energii, więc wytwarza grawitację poprzez wypaczanie czasoprzestrzeni). Z drugiej strony mechanika kwantowa zakłada, że przestrzeń i czas tworzą płaski, niezmienny „etap”, na którym rozwija się dramat kilku rodzin cząstek . Cząstki te mogą poruszać się w czasie zarówno do przodu, jak i do tyłu (coś na to nie pozwala), a interakcje między tymi cząsteczkami wyjaśniają podstawowe siły natury - z rażącym wyjątkiem grawitacji.
Pat między tymi dwiema teoriami trwa od dziesięcioleci. Większość naukowców zakłada, że jakoś ostatecznie opracowana zostanie teoria jednocząca, która obejmuje oba te elementy, pokazując, w jaki sposób zawarte w nich prawdy mieszczą się w jednej, obejmującej wszystko ramie rzeczywistości. Taka „teoria wszystkiego” miałaby głęboki wpływ na naszą wiedzę o narodzinach, ewolucji i ostatecznym losie wszechświata.
Slava Turyshev, naukowiec z JPL, i jego koledzy wymyślili sposób użycia Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) i dwóch mini-satelitów krążących po drugiej stronie Słońca, aby przetestować teorię względności z niespotykaną dokładnością. Ich koncepcja, opracowana częściowo dzięki finansowaniu z Biura Badań Biologicznych i Fizycznych NASA, byłaby tak wrażliwa, że mogłaby ujawnić wady teorii Einsteina, zapewniając w ten sposób pierwsze twarde dane potrzebne do rozróżnienia, które z konkurencyjnych teorii wszystkiego zgadzają się z rzeczywistością i które są jedynie fantazyjnymi pracami kredowymi.
Eksperyment, zwany Laserowym Astrometrycznym Testem Względności (LATOR), miałby na celu sprawdzenie, jak grawitacja Słońca odbija wiązki światła laserowego emitowanego przez dwa mini-satelity. Grawitacja zagina ścieżkę światła, ponieważ wypacza przestrzeń, przez którą przechodzi światło. Standardową analogią dla tego wypaczania czasoprzestrzeni przez grawitację jest wyobrażanie sobie przestrzeni jako płaskiego arkusza gumy, który rozciąga się pod ciężarem obiektów takich jak słońce. Wgłębienie w arkuszu spowodowałoby, że obiekt (nawet bezmasowa cząsteczka światła) przechodzący w pobliżu Słońca obracałby się nieznacznie w miarę upływu czasu.
W rzeczywistości to właśnie poprzez pomiar zgięcia światła słonecznego przez słońce podczas zaćmienia Słońca w 1919 r. Sir Arthur Eddington po raz pierwszy przetestował teorię ogólnej teorii względności Einsteina. W kategoriach kosmicznych grawitacja Słońca jest dość słaba; ścieżka promienia światła przesuwającego się nad krawędzią Słońca byłaby wygięta tylko o około 1,75 sekundy łukowej (sekunda łukowa wynosi 1/3600 stopnia). W granicach dokładności swojego sprzętu pomiarowego Eddington wykazał, że światło gwiazd rzeczywiście ugięło się o tę wielkość - i robiąc to skutecznie pokonał Newtona.
LATOR zmierzyłby to ugięcie z miliardem (109) razy większą precyzją niż eksperyment Eddingtona i 30 000 razy większą niż bieżący rekordzista: niepomyślny pomiar z wykorzystaniem sygnałów z sondy Cassini na drodze do eksploracji Saturna.
„Myślę, że [LATOR] byłby bardzo ważnym postępem dla fundamentalnej fizyki”, mówi Clifford Will, profesor fizyki na Uniwersytecie Waszyngtońskim, który wniósł znaczący wkład w fizykę post-newtonowską i nie jest bezpośrednio zaangażowany w LATOR. „Powinniśmy nadal naciskać na większą dokładność w testowaniu ogólnej teorii względności, po prostu dlatego, że jakiekolwiek odchylenie oznaczałoby, że pojawiła się nowa fizyka, o której wcześniej nie mieliśmy pojęcia”.
Laboratorium słoneczne
Eksperyment przebiegałby w ten sposób: dwa małe satelity, każdy o szerokości około jednego metra, zostałyby wystrzelone na orbitę krążącą wokół Słońca w przybliżeniu w tej samej odległości co Ziemia. Ta para mini-satelitów krążyłaby wolniej niż Ziemia, więc około 17 miesięcy po wystrzeleniu mini-satelity i Ziemia znajdowałyby się po przeciwnych stronach Słońca. Mimo że dwa satelity byłyby oddalone od siebie o około 5 milionów km, kąt między nimi widziany z Ziemi byłby niewielki, tylko około 1 stopnia. Razem dwa satelity i Ziemia utworzyłyby chudy trójkąt z wiązkami laserowymi wzdłuż boków i jedną z tych wiązek przechodzących blisko Słońca.
Turyshev planuje zmierzyć kąt między dwoma satelitami za pomocą interferometru zamontowanego na ISS. Interferometr to urządzenie, które wychwytuje i łączy wiązki światła. Mierząc, w jaki sposób fale światła z dwóch mini-satelitów „interferują” ze sobą, interferometr może zmierzyć kąt między satelitami z niezwykłą precyzją: około 10 miliardowych sekundy łukowej lub 0,01 μs (mikro-łuk sekundowy). Uwzględnienie precyzji innych części projektu LATOR daje to ogólną dokładność pomiaru, o ile grawitacja wygina wiązkę laserową, wynoszącą około 0,02 °, jak w przypadku pojedynczego pomiaru.
„Korzystanie z ISS daje nam kilka zalet”, wyjaśnia Turyshev. „Po pierwsze, znajduje się powyżej zniekształceń atmosfery ziemskiej, a także jest wystarczająco duży, aby pozwolić nam umieścić dwie soczewki interferometru daleko od siebie (jedna soczewka na każdym końcu kratownicy panelu słonecznego), co poprawia rozdzielczość i dokładność wyniki ”.
0,02? Jako dokładność LATORa jest wystarczająco dobra, aby ujawnić odchylenia od względności Einsteina przewidywanej przez aspirujące Teorie Wszystko, które wynoszą od około 0,5 do 35? As. Zgodność z pomiarami LATORa stanowiłaby znaczący impuls dla każdej z tych teorii. Ale jeśli nawet LATOR nie znajdzie żadnego odchylenia od Einsteina, większość obecnych pretendentów - wraz z ich 11 wymiarami, pikselową przestrzenią i niestałymi stałymi - odniesie śmiertelny cios i „przejdzie” na ten wielki zakurzony stos bibliotek na niebie .
Ponieważ misja wymaga tylko istniejących technologii, Turyshev mówi, że LATOR może być gotowy do lotu już w 2009 lub 2010 roku. Więc może nie potrwać długo, zanim impas w fizyce zostanie przerwany, a nowa teoria grawitacji, przestrzeni i czasu zajmie tron.
Oryginalne źródło: NASA / Science Story
