Megaeksperyment

85 lat po ogłoszeniu przez Alberta Einsteina ogólnej teorii względności naukowcy nadal nie zdołali przeprowadzić wszystkich niezbędnych testów stwierdzających jej poprawność. Ważne szczegóły genialnej teorii ma zweryfikować w 2002 r. sonda Gravity B w ramach jednej z nielicznych misji związanych z fundamentalnymi prawami fizyki, jakie NASA kiedykolwiek przeprowadziła. Jeśli misja się powiedzie, z pewnością stanie się jednym z klasycznych eksperymentów fizyki. Gdyby wyniki okazały się sprzeczne z ogólną teorią względności, ich implikacje byłyby równie rewolucyjne.

Kryształowe kule zwykle nie są wiązane z nauką, jednak badacze ze Stanford University i NASA Marshall Flight Center wyślą w kosmos aż cztery w nadziei, że znajdą one dowody na dwie nie przetestowane do tej pory istotne aspekty ogólnej teorii względności. Cztery stworzone w laboratorium kule to kwarcowe żyroskopy, których zadaniem jest udowodnienie, że Ziemia - ogromna, obracająca się masa - zaburza lokalną przestrzeń i czas.
Einstein stworzył dwie odrębne teorie względności. Jego szczególna teoria względności jest dobrze sprawdzona eksperymentalnie, lecz ogólnej teorii, która dotyczy grawitacji, nie poddano zbyt wielu eksperymentom. Tak długie oczekiwanie na sprawdzenie podstawowej teorii jest w nauce nie spotykane. - Mamy tu do czynienia wręcz z paradoksem, gdyż jest to najbardziej subtelna teoria fizyczna, jaką kiedykolwiek stworzono, znacznie bardziej wyszukana niż tzw. model standardowy wszechświata (opisujący wzajemne interakcje między cząstkami elementarnymi i czterema podstawowymi siłami), ale wiemy, że jest jedynie przybliżeniem, gdyż pewne podstawowe kwestie nadal pozostają nie rozwiązane - tłumaczy Rex Geveden, kierujący projektem w NASA Marshall Space Flight Center. Wszystko dlatego, że chociaż grawitacja jest "klejem spajającym wszechświat", równocześnie jest najsłabszą z czterech fundamentalnych sił. Testy czekały więc na wynalezienie zaawansowanych i równie wyrafinowanych technologii jak sama teoria Einsteina.
Cztery żyroskopy sondy Gravity B można porównać do bąków, jakimi bawią się dzieci. Zgodnie z prawem bezwładności ciało wprawione w ruch pozostaje w nim, dopóki nie zadziała na nie siła zewnętrzna. W wypadku obracającego się bąka lub żyroskopów ich osie obrotu powinny wskazywać ten sam kierunek, dopóki nie zacznie oddziaływać na nie siła zewnętrzna. Wystarczy jednak delikatne pchnięcie, a zwykły bąk zaczyna się kiwać i przewracać na skutek tarcia między czubkiem jego podstawy i podłogą. To zjawisko nie wystąpi na orbicie, gdzie żyroskopy będą odizolowane od wszelkich podobnych efektów i doświadczą jedynie siły, która jest w stanie sięgnąć do wnętrza izolującej je od otoczenia komory. Badacze zakładają, że będzie to grawitacja i rotacja Ziemi, co powinno nieznacznie zdeformować przestrzeń i czas, czyli lekko "szturchnąć" osie obrotu żyroskopów. Efekty te są jednak tak subtelne, że aby eksperyment miał jakąkolwiek wartość, sonda i instrumenty muszą być wręcz doskonałe. Kwarcowe żyroskopy wypolerowano więc na doskonale gładkie kule z dokładnością do 40 atomów. Gdyby powierzchnia Ziemi była porównywalnie gładka, szczyt Mount Everest i dno Rowu Mariańskiego dzieliłaby odległość ok. 5 metrów, a nie 20 kilometrów. Każda z kul będzie lewitować w próżni, obracając się 9 tys. razy na minutę, odizolowana od reszty wszechświata we wnętrzu gigantycznego termosu wypełnionego ciekłym helem. Jedynymi siłami, jakie powinny na nie oddziaływać, będą grawitacja Ziemi, Księżyca i Słońca.
Próbując wytłumaczyć, w jaki sposób masa zakrzywia przestrzeń i czas, badacze porównują lokalną czasoprzestrzeń do gumowego prześcieradła, z Ziemią w postaci niewielkiej kulki wgniatającej jego powierzchnię. Jeśli Einstein ma rację, w podobny sposób obracająca się Ziemia lub gwiazdy deformują przestrzeń i nieznacznie zaburzają czas, wywołując efekt nazwany frame dragging, który wpłynie też na zachowanie żyroskopów. Żyroskopy zmierzą również efekt nieznacznej kompresji przestrzeni, wywoływany przez fizyczną obecność Ziemi. Oba efekty są tak subtelne, że wymagają wyjątkowej perfekcji w projektowaniu i budowie sondy Gravity B. -Podjęliśmy wysiłki, aby zaprojektować doskonałe żyroskopy - tłumaczy dr Francis Everitt, kierujący grupą badaczy ze Stanford University. - Współczesna technika ze zdolnością do precyzyjnych pomiarów nadal nie jest wystarczająco doskonała. Żyroskopy i wspomagające je instrumenty są jednak najlepszymi, jakie współczesna cywilizacja jest w stanie stworzyć. - To najistotniejszy eksperyment związany z fundamentalnymi prawami fizyki, a jego wyniki będą bezcenne dla zrozumienia, na jakich zasadach działa wszechświat - zapewnia Rex Geveden. Mimo że teoria względności tworzy podstawy naszego pojmowania wielkoskalowej struktury wszechświata, badacze mają powody przypuszczać, iż - podobnie jak teoria Newtona - interpretacja Einsteina nie jest ostateczna. Chociaż sonda Gravity B będzie szukać niezwykle subtelnych efektów, ich odkrycie byłoby bardzo ważnym osiągnięciem w testowaniu teorii Einsteina. Mogą one podpowiedzieć fizykom, jak zunifikować cztery fundamentalne siły obserwowane w naturze: grawitację, elektromagnetyzm i tzw. silne i słabe oddziaływanie rządzące zachowaniem jąder atomowych.
NASA testowała już teorię Einsteina w kosmosie w 1976 r. Jeden z problemów, jakimi zajmował się Einstein, dotyczył wpływu grawitacji i prędkości na upływ czasu. Z założeniem tym wiąże się słynny paradoks bliźniąt (jeden z bliźniaków w statku kosmicznym rozpędza się do prędkości światła, po czym wraca na Ziemię; po tej krótkiej podróży ze zdumieniem stwierdza, że jego brat jest o dziesiątki lat starszy). Według Einsteina, duże prędkości wywołują trzy zjawiska: im szybciej porusza się obiekt, tym większa jest jego masa, skraca się jego długość wzdłuż linii lotu i rozszerza się (zwalnia) czas. Zmiany te nie są dostrzegalne na pokładzie lecącego statku, gdyż przebiegają jednocześnie. Obserwator, który jednak nie jest w ruchu, dostrzeże, że statek zostanie poddany trzem zjawiskom. Podróżujący statkiem zauważy też, że stacjonarny świat "biegnie" szybciej. Te efekty są bez znaczenia przy niewielkich prędkościach, lecz stają się coraz istotniejsze w miarę zbliżania się do prędkości światła. Dlatego Einstein twierdził, iż nie można podróżować z prędkością światła: masa stałaby się nieskończenie wielka, długość obiektów skurczyłaby się do zera i wszystko trwałoby wieczność. NASA wykorzystała paradoks bliźniąt i niezwykle precyzyjne zegary (które w ciągu trzech miliardów lat spóźniają się o mniej niż sekundę). Jeden z nich został na Ziemi, drugi wystrzelono w kosmos na wysokość 10 tys. km. Subtelne różnice w pomiarze czasu przez oba zegary dowiodły, że genialny uczony miał rację.
Einstein przewidział, że taki sam wpływ ma grawitacja. W 1915 r. zaproponował teorię, która ukazała zupełnie nowe oblicze grawitacji, zastępując królującą przez ponad 200 lat teorię Newtona. Newton interpretował grawitację jako przyciągającą siłę stale działającą na odległość w przestrzeni i mającą wpływ na wszelkie istniejące obiekty. Natomiast Einstein stwierdził, że czas i materia nie są od siebie niezależne, jak zakładał Newton. Grawitacja działa nie jako siła, lecz jako pole, które zniekształca przestrzeń i czas w pobliżu masywnych ciał, takich jak gwiazdy i planety. Instrumenty sondy Gravity B wykorzystują fakt, że idealny obracający się system, na który nie wpływa jakakolwiek zaburzająca jego ruch siła, zawsze wskazuje ten sam kierunek w przestrzeni. Jednak pojęcie "ten sam kierunek w przestrzeni" inaczej rozumiał Newton, a inaczej Einstein. Dla Newtona doskonały żyroskop zwrócony ku danej gwieździe powinien pozostać wiecznie zorientowany w tym samym kierunku. Według fizyki Einsteina, kierunek obracającego się żyroskopu będzie się stopniowo zmieniał o wielkość, którą można dokładnie przewidzieć. Żyroskopy zmierzą więc, w jakim stopniu przestrzeń i czas są zniekształcane przez obecność Ziemi i jak obracająca się Ziemia "ciągnie" z sobą czasoprzestrzeń.
Każdy, kto kiedykolwiek bawił się dziecięcym bąkiem, zauważył, że oś, wokół której obraca się zabawka, pozostaje w tej samej pionowej pozycji. Jeśli jednak pchniemy bąka, oś zacznie zataczać koło wokół pionu, kreśląc stożek. Podobnie zachowuje się obracająca wokół własnej osi Ziemia; każdy obrót trwa rok, a zakreślenie stożka 26 tys. lat. Za precesję odpowiada wybrzuszanie się Ziemi w okolicach równika, wywołane siłą odśrodkową rotacji Ziemi. Siła przyciągania Księżyca i Słońca działająca na to okołorównikowe wybrzuszenie jest "pchnięciem", które sprawia, że Ziemia ulega precesji. Dawniej interpretując ruch obracających się bąków, badacze zakładali, że przestrzeń jest płaska. Dzisiaj dzięki Einsteinowi wiemy, że Ziemia jest wielkim bąkiem obracającym się w zakrzywionej przestrzeni. To zakrzywienie zmienia sposób, w jaki oś obrotu naszej planety ulega precesji. Zmiany te są niezwykle subtelne i trudne do zmierzenia. Dla żyroskopów przewidywany efekt ma wynieść w ciągu roku 6600 milisekund kątowych - zdaniem fizyków, dość dużo jak na standardy relatywistyczne.
"Przeprowadziłeś kalkulacje sto razy, zrób to jeszcze raz" - to motto autorów eksperymentu. Aby się upewnić, że sonda dostarczy rzetelnych dowodów, badacze przedstawią swoje wyniki przed niezależną komisją, która prześledzi je po raz kolejny. Jeśli rezultaty eksperymentu okażą się inne niż przewiduje teoria Einsteina, fundamentalne założenia fizyki trzeba będzie przemyśleć na nowo. Najpierw jednak żyroskopy będą się musiały pokręcić na orbicie ponad 4,7 mld razy, a badacze sprawdzą swoje obliczenia mniej więcej tyle samo razy.