Πιστωτική εικόνα: NASA / JPL
Αργά ή γρήγορα, η βασιλεία του Αϊνστάιν, όπως η βασιλεία του Νεύτωνα πριν από αυτόν, θα τελειώσει. Μια αναταραχή στον κόσμο της φυσικής που θα ανατρέψει τις έννοιες μας για τη βασική πραγματικότητα είναι αναπόφευκτη, πιστεύουν οι περισσότεροι επιστήμονες, και αυτή τη στιγμή διεξάγεται μια ιπποδρομία μεταξύ μιας χούφτας θεωριών που ανταγωνίζονται να είναι ο διάδοχος του θρόνου.
Στο τρέξιμο είναι τέτοιες ιδέες που στρέφουν το μυαλό όπως ένα 11-διαστατικό σύμπαν, οι καθολικές «σταθερές» (όπως η δύναμη της βαρύτητας) που ποικίλλουν ανάλογα με το διάστημα και το χρόνο και παραμένουν πραγματικά σταθερές σε μια αόρατη 5η διάσταση, άπειρες δονούμενες χορδές όπως θεμελιώδη συστατικά της πραγματικότητας, και ένα ύφασμα χώρου και χρόνου που δεν είναι ομαλό και συνεχές, όπως πίστευε ο Αϊνστάιν, αλλά χωρίστηκε σε διακριτά, αδιαίρετα κομμάτια μικρού μεγέθους. Το πείραμα θα καθορίσει τελικά ποιοι θριάμβοι.
Μια νέα ιδέα για ένα πείραμα για τη δοκιμή των προβλέψεων της σχετικότητας του Αϊνστάιν με μεγαλύτερη ακρίβεια από ποτέ, αναπτύσσεται από επιστήμονες στο Jet Propulsion Laboratory (JPL) της NASA. Η αποστολή τους, η οποία χρησιμοποιεί αποτελεσματικά το ηλιακό μας σύστημα ως ένα τεράστιο εργαστήριο, θα βοηθούσε να περιορίσει το πεδίο των αγωνιστικών θεωριών και να μας φέρει ένα βήμα πιο κοντά στην επόμενη επανάσταση στη φυσική.
Ένα σπίτι χωρισμένο
Μπορεί να μην έχει βαρύ βάρος στο μυαλό των περισσότερων ανθρώπων, αλλά ένα μεγάλο σχίσμα μαστίζει εδώ και καιρό τη θεμελιώδη κατανόησή μας για το σύμπαν. Υπάρχουν δύο τρόποι εξήγησης της φύσης και της συμπεριφοράς του χώρου, του χρόνου, της ύλης και της ενέργειας: η σχετικότητα του Αϊνστάιν και το «πρότυπο μοντέλο» της κβαντικής μηχανικής. Και τα δύο είναι εξαιρετικά επιτυχημένα. Το παγκόσμιο σύστημα εντοπισμού θέσης (GPS), για παράδειγμα, δεν θα ήταν δυνατό χωρίς τη θεωρία της σχετικότητας. Οι υπολογιστές, οι τηλεπικοινωνίες και το Διαδίκτυο, εν τω μεταξύ, είναι αποσπασματικά της κβαντικής μηχανικής.
Αλλά οι δύο θεωρίες μοιάζουν με διαφορετικές γλώσσες και κανείς δεν είναι ακόμα σίγουρος πώς να μεταφράσει μεταξύ τους. Η σχετικότητα εξηγεί τη βαρύτητα και την κίνηση ενώνοντας το χώρο και το χρόνο σε ένα 4-διαστατικό, δυναμικό, ελαστικό ύφασμα της πραγματικότητας που ονομάζεται χωροχρόνος, το οποίο λυγίζει και στρέφεται από την ενέργεια που περιέχει. (Η μάζα είναι μια μορφή ενέργειας, οπότε δημιουργεί βαρύτητα στρεβλώνοντας τον χωροχρόνο.) Η κβαντική μηχανική, από την άλλη πλευρά, υποθέτει ότι ο χώρος και ο χρόνος σχηματίζουν μια επίπεδη, αμετάβλητη «σκηνή» στην οποία ξεδιπλώνεται το δράμα πολλών οικογενειών σωματιδίων . Αυτά τα σωματίδια μπορούν να κινηθούν προς τα εμπρός και προς τα πίσω στο χρόνο (κάτι που δεν το επιτρέπει η σχετικότητα) και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ αυτών των σωματιδίων εξηγούν τις βασικές δυνάμεις της φύσης - με τη λαμπερή εξαίρεση της βαρύτητας.
Το αδιέξοδο μεταξύ αυτών των δύο θεωριών συνεχίστηκε εδώ και δεκαετίες. Οι περισσότεροι επιστήμονες υποθέτουν ότι κατά κάποιο τρόπο, τελικά, θα αναπτυχθεί μια ενοποιητική θεωρία που θα εντάξει τα δύο, δείχνοντας πώς οι αλήθειες που περιέχουν μπορούν να χωρέσουν τακτοποιημένα σε ένα ενιαίο, συνολικό πλαίσιο πραγματικότητας. Μια τέτοια «θεωρία των πάντων» θα επηρέαζε βαθιά τη γνώση μας για τη γέννηση, την εξέλιξη και την τελική μοίρα του σύμπαντος.
Ο Slava Turyshev, επιστήμονας στο JPL, και οι συνάδελφοί του σκέφτηκαν έναν τρόπο να χρησιμοποιήσουν τον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (ISS) και δύο μίνι δορυφόρους σε τροχιά στην άκρη του ήλιου για να δοκιμάσουν τη θεωρία της σχετικότητας με πρωτοφανή ακρίβεια. Η ιδέα τους, που αναπτύχθηκε εν μέρει μέσω χρηματοδότησης από το Γραφείο Βιολογικής και Φυσικής Έρευνας της NASA, θα ήταν τόσο ευαίσθητη που θα μπορούσε να αποκαλύψει ελαττώματα στη θεωρία του Αϊνστάιν, παρέχοντας έτσι τα πρώτα σκληρά δεδομένα που απαιτούνται για να διακρίνει ποιες από τις ανταγωνιστικές θεωρίες των πάντων συμφωνούν με την πραγματικότητα και που είναι απλά φανταχτερά κιμωλία.
Το πείραμα, που ονομάζεται Laser Astrometric Test Of Relativity (LATOR), θα εξετάσει πώς η βαρύτητα του ήλιου εκτρέπει τις ακτίνες του φωτός λέιζερ που εκπέμπεται από τους δύο μίνι δορυφόρους. Η βαρύτητα κάμπτει το μονοπάτι του φωτός επειδή στρεβλώνει το χώρο μέσω του οποίου διέρχεται το φως. Η τυπική αναλογία για αυτήν τη στρέβλωση του χωροχρόνου από τη βαρύτητα είναι να φανταστούμε το χώρο ως ένα επίπεδο φύλλο από καουτσούκ που εκτείνεται κάτω από το βάρος αντικειμένων όπως ο ήλιος. Η κατάθλιψη στο φύλλο θα προκαλούσε ένα αντικείμενο (ακόμη και ένα σωματίδιο φωτός χωρίς μάζα) που περνούσε κοντά στον ήλιο να γυρίσει ελαφρώς καθώς περνούσε.
Στην πραγματικότητα, με τη μέτρηση της κάμψης του φωτός του αστεριού από τον ήλιο κατά τη διάρκεια μιας ηλιακής έκλειψης το 1919, ο Sir Arthur Eddington δοκίμασε για πρώτη φορά τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν. Σε κοσμικούς όρους, η βαρύτητα του ήλιου είναι αρκετά αδύναμη. η διαδρομή μιας ακτίνας φωτός που αμβλύνει την άκρη του ήλιου θα κάμπτεται μόνο από περίπου 1,75 τόξα δευτερόλεπτα (ένα τόξο δεύτερου είναι το 1/3600 του βαθμού). Μέσα στα όρια της ακρίβειας του εξοπλισμού μέτρησης, ο Έντινγκτον έδειξε ότι το αστέρι όντως κάμψε αυτό το ποσό - και κάνοντας έτσι αποτελεσματικά τον Μόντον.
Η LATOR θα μετρήσει αυτήν την εκτροπή με ένα δισεκατομμύριο (109) φορές την ακρίβεια του πειράματος του Eddington και 30.000 φορές την ακρίβεια του τρέχοντος κατόχου ρεκόρ: μια τυχαία μέτρηση χρησιμοποιώντας σήματα από το διαστημικό σκάφος Cassini στο δρόμο του για εξερεύνηση του Κρόνου.
«Νομίζω ότι το [LATOR] θα αποτελούσε σημαντική πρόοδο για τη θεμελιώδη φυσική», λέει ο Clifford Will, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, ο οποίος έχει συμβάλει σημαντικά στη μετα-Νεύτωνα φυσική και δεν ασχολείται άμεσα με το LATOR. «Πρέπει να συνεχίσουμε να προσπαθούμε να πιέσουμε για μεγαλύτερη ακρίβεια στη δοκιμή της γενικής σχετικότητας, απλώς και μόνο επειδή κάθε είδους απόκλιση θα σήμαινε ότι υπάρχει νέα φυσική που δεν γνωρίζαμε πριν».
Ηλιακό εργαστήριο
Το πείραμα θα λειτουργούσε έτσι: Δύο μικροί δορυφόροι, ο καθένας πλάτος περίπου ενός μέτρου, θα εκτοξεύονταν σε τροχιά γύρω από τον ήλιο σε περίπου την ίδια απόσταση με τη Γη. Αυτό το ζευγάρι μίνι δορυφόρων θα περιστρέφεται πιο αργά από ό, τι κάνει η Γη, οπότε περίπου 17 μήνες μετά την εκτόξευση, οι μίνι δορυφόροι και η Γη θα βρίσκονται σε αντίθετες πλευρές του ήλιου. Παρόλο που οι δύο δορυφόροι θα απέχουν περίπου 5 εκατομμύρια χλμ, η γωνία μεταξύ τους όπως φαίνεται από τη Γη θα ήταν μικρή, μόνο περίπου 1 μοίρα. Μαζί, οι δύο δορυφόροι και η Γη θα σχηματίσουν ένα κοκαλιάρικο τρίγωνο, με ακτίνες λέιζερ κατά μήκος των πλευρών του, και μία από αυτές τις ακτίνες περνώντας κοντά στον ήλιο.
Ο Turyshev σκοπεύει να μετρήσει τη γωνία μεταξύ των δύο δορυφόρων χρησιμοποιώντας ένα ιντερφερόμετρο τοποθετημένο στο ISS. Ένα ιντερφερόμετρο είναι μια συσκευή που πιάνει και συνδυάζει ακτίνες φωτός. Μετρώντας το πώς τα κύματα φωτός από τους δύο μίνι δορυφόρους «παρεμβαίνουν» μεταξύ τους, το ιντερφερόμετρο μπορεί να μετρήσει τη γωνία μεταξύ των δορυφόρων με εξαιρετική ακρίβεια: περίπου 10 δισεκατομμυριοστά του τόξου ή 0,01? Όταν ληφθεί υπόψη η ακρίβεια των άλλων τμημάτων του σχεδιασμού LATOR, αυτό δίνει μια συνολική ακρίβεια για τη μέτρηση του βαθμού κάμψης της βαρύτητας της δέσμης λέιζερ περίπου 0,02 as για μία μόνο μέτρηση.
«Η χρήση του ISS μας δίνει μερικά πλεονεκτήματα», εξηγεί ο Turyshev. «Πρώτον, είναι πάνω από τις στρεβλώσεις της ατμόσφαιρας της Γης και είναι επίσης αρκετά μεγάλος για να μας αφήσει να τοποθετήσουμε τους δύο φακούς του ιντερφερόμετρου πολύ μακριά (ένας φακός σε κάθε άκρο του στηρίγματος του ηλιακού πλαισίου), γεγονός που βελτιώνει την ανάλυση και την ακρίβεια του Αποτελέσματα."
Το 0,02? Ως ακρίβεια του LATOR είναι αρκετά καλό για να αποκαλύψει αποκλίσεις από τη σχετικότητα του Αϊνστάιν που προβλέπονται από τις επίδοξες θεωρίες των πάντων, οι οποίες κυμαίνονται από περίπου 0,5 έως 35? Ως. Η συμφωνία με τις μετρήσεις του LATOR θα αποτελούσε σημαντική ώθηση για οποιαδήποτε από αυτές τις θεωρίες. Αλλά αν δεν βρεθεί καμία απόκλιση από τον Αϊνστάιν ακόμη και από τον LATOR, οι περισσότεροι από τους τρέχοντες διεκδικητές - μαζί με τις 11 διαστάσεις, τον χώρο με εικονοστοιχεία και τις σταθερές σταθερές - θα υποστούν ένα θανατηφόρο πλήγμα και θα "περάσουν" σε αυτήν τη μεγάλη σκονισμένη στοίβα βιβλιοθηκών στον ουρανό .
Επειδή η αποστολή απαιτεί μόνο υπάρχουσες τεχνολογίες, ο Turyshev λέει ότι ο LATOR θα μπορούσε να είναι έτοιμος να πετάξει μόλις το 2009 ή το 2010. Άρα μπορεί να μην είναι πολύ καιρό πριν σπάσει το αδιέξοδο στη φυσική και μια νέα θεωρία της βαρύτητας, του χώρου και του χρόνου παίρνει το θρόνος.
Αρχική πηγή: NASA / Science Story
