Kreditna slika: NASA / JPL
Prej ali slej se bo vladanje Einsteina, podobno kot vladavina Newtona pred njim, končalo. Pretres v svetu fizike, ki bo podrl naše predstave o osnovni resničnosti, je neizogiben, verjame večina znanstvenikov, trenutno pa poteka konjska dirka med peščico teorij, ki tekmujejo za naslednika prestola.
V teku so takšne ideje, ki se upogibajo uma, kot je 11-dimenzionalno vesolje, univerzalne "konstante" (kot je moč gravitacije), ki se spreminjajo v prostoru in času in ostanejo resnično fiksirane v nevidni peti dimenziji, neskončno majhnih vibrirajočih strunah kot temeljne sestavine resničnosti in tkanina prostora in časa, ki ni gladka in neprekinjena, kot je verjel Einstein, ampak razdeljena na diskretne, nedeljive koščke izredno majhne velikosti. Eksperiment bo na koncu določil, katera zmaga.
Znanstveniki v Nasinem laboratoriju za reaktivni pogon (JPL) razvijajo nov koncept eksperimenta za preizkušanje napovedi Einsteinove relativnosti natančneje kot doslej. Njihovo poslanstvo, ki učinkovito uporablja naš osončje kot velikanski laboratorij, bi pripomoglo k zožitvi polja neresničnih teorij in nam približalo korak do naslednje revolucije v fiziki.
Hiša razdeljena
Morda ne pretehta na glavah večine ljudi, toda veliko sizmo že dolgo muči naše temeljno razumevanje vesolja. Trenutno obstajata dva načina pojasnjevanja narave in obnašanja prostora, časa, materije in energije: Einsteinova relativnost in "standardni model" kvantne mehanike. Oba sta izjemno uspešna. Globalni sistem za določanje položaja (GPS), na primer, ne bi bil mogoč brez teorije relativnosti. Računalniki, telekomunikacije in internet so medtem kvantna mehanika.
Toda obe teoriji sta kot različni jeziki in še nihče ni prepričan, kako prevesti med njimi. Relativnost razlaga gravitacijo in gibanje z združevanjem prostora in časa v 4-dimenzionalno, dinamično, elastično tkanino resničnosti, imenovano prostor-čas, ki je upognjena in upognjena z energijo, ki jo vsebuje. (Masa je ena oblika energije, zato ustvarja gravitacijo z upogibanjem prostora in časa.) Kvantna mehanika na drugi strani predvideva, da prostor in čas tvorita ravno, nespremenljivo "fazo", na kateri se odvija drama več družin delcev . Ti delci se lahko v času premikajo naprej in nazaj (nekaj, kar relativnost ne dopušča), medsebojni vplivi med temi delci pa pojasnjujejo osnovne sile narave - z izjemo gravitacije.
Zastoj med tema dvema teorijama traja že desetletja. Večina znanstvenikov domneva, da bo nekako sčasoma razvita združevalna teorija, ki bo vsebovala oboje, in pokazala, kako se resnice, ki jih vsebujejo, lahko lepo ujemajo v en sam vseobsegajoč okvir resničnosti. Takšna "Teorija vsega" bi močno vplivala na naše znanje o rojstvu, evoluciji in morebitni usodi vesolja.
Slava Turyshev, znanstvenik pri JPL, in njegovi sodelavci so razmišljali o načinu uporabe Mednarodne vesoljske postaje (ISS) in dveh mini satelitov, ki krožijo na orbiti na skrajni sončni strani, da bi preizkusili teorijo relativnosti z izjemno izjemno natančnostjo. Njihov koncept, ki se je deloma razvil s sredstvi Nasinega urada za biološke in fizikalne raziskave, bi bil tako občutljiv, da bi lahko razkril pomanjkljivosti v Einsteinovi teoriji in tako zagotovil prve trdne podatke, potrebne za razlikovanje, katera od konkurenčnih teorij vsega se strinja z resničnostjo in ki so samo domišljijska kredo.
V poskusu, imenovanem Laser Astrometric Test of Relativity (LATOR), bi bilo videti, kako gravitacija sonca odbije žarke laserske svetlobe, ki jih oddajajo dva mini satelita. Gravitacija upogne pot svetlobe, ker upogne prostor, skozi katerega svetloba prehaja. Standardna analogija za to upogibanje vesolja in časa z gravitacijo je predstavljati prostor kot ploskev gume, ki se razteza pod težo predmetov, kot je sonce. Depresija v rjuhi bi povzročila, da se bo predmet (tudi brez množičnih delcev svetlobe), ki gre mimo bližnjega sonca, rahlo obrnil, ko je šel mimo.
Pravzaprav je sir Arthur Eddington prvič meril Einsteinovo teorijo splošne relativnosti z merjenjem upogiba sončne svetlobe med sončnim mrkom leta 1919. V kozmičnem smislu je sončna gravitacija dokaj šibka; pot svetlobnega snopa, ki posnema rob sonca, bi bila upognjena le za približno 1,75 arcesekunde (arcsekunda je 1/3600 stopinje). V mejah natančnosti svoje merilne opreme je Eddington pokazal, da se je zvezdniška svetloba resda upognila za to količino - in s tem učinkovito ovirala Newtona.
LATOR bi ta odklon meril z milijardo (109) krat večjo natančnostjo Eddingtonovega eksperimenta in 30.000-krat večjo natančnostjo sedanjega rekorderja: neobičajno merjenje z uporabo signalov iz vesoljskega plovila Cassini na poti raziskovanja Saturna.
"Mislim, da bi bil [LATOR] zelo pomemben napredek za temeljno fiziko," pravi Clifford Will, profesor fizike na Washingtonski univerzi, ki je veliko prispeval k post-newtonski fiziki in ni neposredno povezan z LATOR-om. "Še naprej bi se morali truditi za večjo natančnost pri preskušanju splošne relativnosti, preprosto zato, ker bi kakršno koli odstopanje pomenilo, da obstaja nova fizika, ki je prej nismo poznali."
Sončni laboratorij
Eksperiment bi deloval tako: Dva majhna satelita, širina približno en meter, bi se sprožila v orbito, ki kroži sonce na približno enaki razdalji kot Zemlja. Ta par mini satelitov bi krožil počasneje kot Zemlja, zato bi približno 17 mesecev po izstrelitvi mini satelitov in Zemlje na nasprotnih straneh sonca. Čeprav bi bila oba satelita narazen približno 5 milijonov km, bi bil kot med zemljo gledan majhen, le približno 1 stopinjo. Oba satelita in Zemlja bi skupaj tvorila majhen trikotnik z laserskimi žarki ob straneh in eden od teh žarkov, ki prehajajo blizu sonca.
Turyshev načrtuje merjenje kota med obema satelitima s pomočjo interferometra, nameščenega na ISS. Interferometer je naprava, ki lovi in kombinira žarke svetlobe. Z merjenjem, kako se valovi svetlobe iz dveh mini satelitov "motijo" med seboj, lahko interferometer z izjemno natančnostjo izmeri kot med sateliti: približno 10 milijard sekund arcsekunde ali 0,01? (Mikro-sekunde). Če upoštevamo natančnost drugih delov zasnove LATOR, to daje splošno natančnost za merjenje, koliko gravitacije upogne laserski žarek, približno 0,02 °, kot za posamezno meritev.
"Uporaba ISS nam daje nekaj prednosti," pojasnjuje Turyshev. "Prvič, to je nad izkrivljanjem Zemljine atmosfere in je tudi dovolj veliko, da lahko postavimo obe leči interferometra daleč narazen (po eno lečo na vsakem koncu opornice sončne plošče), kar izboljša ločljivost in natančnost rezultati. "
0,02? Kot natančnost LATOR je dovolj dobra, da razkrije odstopanja od Einsteinove relativnosti, ki jih napovedujejo težnje Teorije vsega, ki se gibljejo od približno 0,5 do 35 °. Dogovor z meritvami podjetja LATOR bi bil velik spodbuda za katero koli od teh teorij. Če pa odstopanja od Einsteina ne najde niti LATOR, bo večina trenutnih kandidatov - skupaj s svojimi 11 dimenzijami, pikamiranim prostorom in nestalnimi konstantami - doživela usoden udarec in se "prenesla" na to veliko zaprašeno knjižnico v nebu .
Ker misija zahteva samo obstoječe tehnologije, Turyshev pravi, da bi bil LATOR lahko pripravljen na letenje takoj leta 2009 ali 2010. Torej morda ne bo predolgo, preden se bo zastoj fizike porušil in nova teorija gravitacije, prostora in časa vzame prestol.
Izvirni vir: NASA / Science Story
