Kreditna slika: NASA / JPL
Prije ili kasnije, kraljevstvo Einsteina, poput vladavine Newtona prije njega, doći će do kraja. Pretres u svijetu fizike koji će srušiti naše predodžbe o osnovnoj stvarnosti neizbježan je, smatraju mnogi znanstvenici, a trenutno je u tijeku konjska utrka između šake teorija koje se natječu da budu nasljednici prijestolja.
U tijeku su ideje za savijanje uma kao što su 11-dimenzionalni svemir, univerzalne "konstante" (poput sile gravitacije) koje variraju u prostoru i vremenu i ostaju zaista fiksirane u nevidljivoj 5. dimenziji, beskonačno malim vibrirajućim žicama kao temeljni sastojci stvarnosti i tkivo prostora i vremena koje nije glatko i kontinuirano, kao što je Einstein vjerovao, već podijeljeno u diskretne, nedjeljive dijelove nestajuće male veličine. Eksperimenti će na kraju odrediti koji pobjeđuje.
Novi koncept eksperimenta za testiranje predviđanja Einsteinove relativnosti preciznije nego ikad prije razvili su naučnici u NASA-inom laboratoriju za mlazni pogon (JPL). Njihova misija, koja učinkovito koristi naš Sunčev sustav kao divovski laboratorij, pomogla bi suziti polje zanemarljivih teorija i dovela nas korak bliže sljedećoj revoluciji u fizici.
Kuća podijeljena
Možda ne utječe mnogo na umove većine ljudi, ali veliki raskol već je dugo mučio naše temeljno razumijevanje svemira. Trenutno postoje dva načina objašnjavanja prirode i ponašanja prostora, vremena, materije i energije: Einsteinova relativnost i „standardni model“ kvantne mehanike. Oboje su izuzetno uspješni. Globalni sustav za pozicioniranje (GPS), na primjer, ne bi bio moguć bez teorije relativnosti. Računala, telekomunikacije i Internet u međuvremenu su kvantna kvantna mehanika.
No dvije su teorije poput različitih jezika i nitko još nije siguran kako prevesti između njih. Relativnost objašnjava gravitaciju i kretanje objedinjujući prostor i vrijeme u četverodimenzionalnu, dinamičnu, elastičnu tkaninu stvarnosti zvanu prostor-vrijeme, koja je savijena i iskrivljena energijom koju sadrži. (Masa je jedan oblik energije, tako da stvara gravitaciju izobličavajući prostor-vrijeme.) Kvantna mehanika, s druge strane, pretpostavlja da prostor i vrijeme tvore ravan, nepromjenjiv "stadij" na kojem se odvija drama više obitelji čestica. , Te se čestice mogu kretati i naprijed i natrag u vremenu (nešto što relativnost ne dopušta), a interakcije tih čestica objašnjavaju osnovne prirodne sile - s izuzetnom gravitacijom.
Zastoj između ove dvije teorije traje desetljećima. Većina znanstvenika pretpostavlja da će se nekako, s vremenom, razviti objedinjujuća teorija koja objedinjuje to dvoje, pokazujući kako se istine koje sadrže mogu uredno uklopiti u jedan, sveobuhvatni okvir stvarnosti. Takva „Teorija svega“ duboko bi utjecala na naše znanje o rođenju, evoluciji i eventualnoj sudbini svemira.
Slava Turyshev, znanstvenik s JPL-a, i njegove kolege smislili su način kako koristiti Međunarodnu svemirsku stanicu (ISS) i dva mini-satelita koji orbitiraju na udaljenoj strani sunca kako bi testirali teoriju relativnosti s neviđenom točnošću. Njihov koncept, razvijen dijelom financiranjem NASA-inog Ureda za biološka i fizička istraživanja, bio bi toliko osjetljiv da bi mogao otkriti nedostatke Einsteinove teorije, pružajući tako prve podatke potrebne za razlikovanje koja se od konkurentskih Teorija svega slaže sa stvarnošću i koji su samo maštoviti kredni radovi.
Eksperiment, nazvan Laser Astrometric Test of Relativity (LATOR), gledao bi kako gravitacija sunca odbija svjetla lasera koje emitiraju dva mini-satelita. Gravitacija savija put svjetlosti jer izvija prostor kroz koji svjetlost prolazi. Standardna analogija za ovo krivljenje prostora-vremena gravitacijom je zamišljati prostor kao ravan list gume koji se proteže pod težinom predmeta poput sunca. Depresija u plahti uzrokovala bi da se objekt (čak i čestica svjetlosti bez mase) koji prolazi u blizini Sunca malo okrene kako je prošao.
Zapravo, sir Arthur Eddington prvi je testirao Einsteinovu teoriju opće relativnosti, mjereći savijanje sunčeve svjetlosti tokom sunčevog pomračenja 1919. godine. U kozmičkom smislu, sunčeva gravitacija je prilično slaba; staza snopa svjetlosti koja preskače rub sunca bila bi savijena samo za oko 1,75 lučnih sekundi (lučni luk je 1/3600 stupnjeva). U granicama točnosti mjerne opreme, Eddington je pokazao da se zvjezdana svjetlost doista savijala tim iznosom - i čineći to na učinkovit način, onemogućila Newtona.
LATOR bi ovaj pomak odmjerio milijardu (109) puta preciznijom Eddingtonovog eksperimenta i 30.000 puta preciznijom od strane trenutnog rekordera: neobično mjerenje pomoću signala iz svemirske letjelice Cassini na putu za istraživanje Saturna.
"Mislim da bi [LATOR] bio vrlo važan napredak za temeljnu fiziku", kaže Clifford Will, profesor fizike sa Sveučilišta u Washingtonu koji je dao veliki doprinos post-njujtonskoj fizici i nije izravno uključen u LATOR. "Trebamo nastaviti pokušavati vršiti veću preciznost u ispitivanju opće relativnosti, jednostavno zato što bi bilo kakvo odstupanje značilo da postoji nova fizika kakve prije nismo bili svjesni."
Solarni laboratorij
Eksperiment bi funkcionirao ovako: Dva mala satelita, svaki širine oko jedan metar, bila bi lansirana u orbitu koja kruži oko Sunca na približno istoj udaljenosti kao i Zemlja. Ovaj par mini satelita orbitirao bi sporije nego na Zemlji, tako da bi oko 17 mjeseci nakon lansiranja mini sateliti i Zemlja bili na suprotnim stranama sunca. Iako bi ta dva satelita bila udaljena oko 5 milijuna km, kut između njih gledajući sa Zemlje bio bi malen, samo oko 1 stupanj. Zajedno, dva satelita i Zemlja tvore mršavi trokut, s laserskim snopovima duž njegovih strana, a jedan od tih snopa prolazi blizu sunca.
Turyshev planira izmjeriti kut između dva satelita pomoću interferometra postavljenog na ISS. Interferometar je uređaj koji hvata i kombinira zrake svjetlosti. Mjereći kako valovi svjetla s dva mini-satelita "interferiraju" jedan s drugim, interferometar može iznimno precizno izmjeriti kut između satelita: oko 10 milijardi arcsekunde ili 0,01? (Mikro-luksekunde). Kada se uzme u obzir preciznost ostalih dijelova dizajna LATOR, to daje ukupnu točnost za mjerenje kolike gravitacije savija lasersku zraku od oko 0,02 ° kao za jedno mjerenje.
"Korištenje ISS-a daje nam nekoliko prednosti", objašnjava Turyshev. "Kao prvo, to je iznad distorzije Zemljine atmosfere, a dovoljno je i dovoljno da stavimo dvije leće interferometra daleko jedan po jedan (jedan objektiv na svakom kraju rešetke solarne ploče), što poboljšava razlučivost i točnost rezultati.”
Točnost LATOR-a od 0,02 je dovoljno dobra da otkrije odstupanja od Einsteinove relativnosti predviđene težnjom Teorija svega, koja se kreću u rasponu od približno 0,5 do 35 °. Dogovor s mjerenjima LATOR-a bio bi glavni poticaj za bilo koju od ovih teorija. Ali ako LATOR ne nađe odstupanje od Einsteina, većina sadašnjih kandidata - zajedno sa svojih 11 dimenzija, pikseliranim prostorom i nestalnim konstantama - pretrpjet će fatalan udarac i „proslijediti“ se toj velikoj prašnjavoj knjižnici u nebu ,
Budući da misija zahtijeva samo postojeće tehnologije, Turyshev kaže kako bi LATOR mogao biti spreman za let čim bude 2009. ili 2010. Dakle, možda neće biti predugo prije nego što se zastoj fizike razbije i nova teorija gravitacije, prostora i vremena odvoji prijestolje.
Izvorni izvor: NASA / Science Story
