Obrazový kredit: NASA / JPL
Dříve či později Einsteinova vláda, stejně jako Newtonova vláda před ním, skončí. Většina vědců věří, že ve světě fyziky, který svrhne naše představy o základní realitě, je nevyhnutelný otřes a v současné době probíhá mezi koňmi teorií, které soutěží o nástupce trůnu, dostihový závod.
V běhu jsou takové myšlenky ohýbající mysl, jako je 11-dimenzionální vesmír, univerzální „konstanty“ (jako je síla gravitace), které se mění v prostoru a čase a zůstávají skutečně fixovány v neviditelné 5. dimenzi, nekonečné vibrační struny jako Einstein věřil, ale rozdělil se na diskrétní, nedělitelné kousky mizející malé velikosti, základní složky reality a strukturu prostoru a času, která není plynulá a souvislá. Experiment nakonec určí, které vítězství.
Vědci z NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) vyvíjejí nový koncept experimentu, který by testoval předpovědi Einsteinovy relativity přesněji než kdykoli předtím. Jejich poslání, které efektivně využívá naši sluneční soustavu jako obrovskou laboratoř, by pomohlo zúžit pole teorie soupeření a přivést nás o krok blíže k další revoluci ve fyzice.
Dům rozdělený
Na mysli většiny lidí to nemusí vážně vážit, ale velké rozkoly už dlouho trápily naše základní chápání vesmíru. V současné době existují dva způsoby vysvětlení povahy a chování prostoru, času, hmoty a energie: Einsteinova relativita a „standardní model“ kvantové mechaniky. Oba jsou mimořádně úspěšní. Globální poziční systém (GPS) by například nebyl možný bez teorie relativity. Počítače, telekomunikace a internet jsou mezitím vyčleněny z kvantové mechaniky.
Ale tyto dvě teorie jsou jako různé jazyky a nikdo si zatím není jist, jak mezi nimi překládat. Relativita vysvětluje gravitaci a pohyb spojením prostoru a času do 4-dimenzionální, dynamické, elastické tkaniny reality nazývané časoprostor, která je ohýbána a deformována energií, kterou obsahuje. (Hmota je jedna forma energie, takže vytváří gravitaci deformací časoprostoru.) Kvantová mechanika na druhé straně předpokládá, že prostor a čas tvoří plochý, neměnný „stupeň“, na kterém se odehrává drama několika rodin částic. . Tyto částice se mohou pohybovat vpřed i vzad v čase (něco relativity neumožňuje) a interakce mezi těmito částicemi vysvětlují základní síly přírody - s do očí bijící výjimkou gravitace.
Pat mezi těmito dvěma teoriemi trvá už celá desetiletí. Většina vědců předpokládá, že se nakonec vyvine nějaká sjednocující teorie, která tyto dva zahrne a ukáže, jak se pravdy, které každá obsahuje, mohou úhledně hodit do jediného, všeobjímajícího rámce reality. Taková „teorie všeho“ by hluboce ovlivnila naše znalosti o zrození, evoluci a eventuálním osudu vesmíru.
Slava Turyshev, vědec z JPL, a jeho kolegové přemýšleli o tom, jak využít Mezinárodní kosmickou stanici (ISS) a dva mini-satelity obíhající na druhé straně Slunce k otestování teorie relativity s bezprecedentní přesností. Jejich koncept, vyvinutý částečně financováním z Úřadu biologického a fyzického výzkumu NASA, by byl natolik citlivý, že by mohl odhalit nedostatky v Einsteinově teorii, a poskytnout tak první tvrdá data potřebná k rozlišení, které z konkurenčních teorií všeho souhlasí s realitou což jsou jen fantastické křídy.
Experiment, nazvaný Laserový astrometrický test relativity (LATOR), by se zaměřil na to, jak gravitační sluneční paprsky vychylují paprsky laserového světla emitovaného dvěma mini-satelity. Gravitace ohýbá cestu světla, protože deformuje prostor, kterým světlo prochází. Standardní analogií tohoto deformace časoprostoru gravitací je představit si prostor jako plochý list gumy, který se táhne pod hmotností předmětů, jako je slunce. Deprese v archu by způsobila, že se předmět (i částice světla bez hmoty) procházející poblíž slunce mírně otáčí, jak prochází.
Ve skutečnosti to bylo měřením ohýbání hvězdného světla sluncem během zatmění Slunce v roce 1919, kdy Sir Arthur Eddington poprvé testoval Einsteinovu teorii obecné relativity. Z kosmického hlediska je gravitace slunce celkem slabá; cesta paprsku světla přesahujícího okraj Slunce by byla ohnuta pouze asi o 1,75 arcsekundy (arcsekunda je 1/3600 stupně). V mezích přesnosti svého měřícího zařízení Eddington ukázal, že hvězdné světlo se skutečně ohýbalo o toto množství - a tím účinně obžaloval Newtona.
LATOR by změřil tuto výchylku miliardou (109) krát přesností Eddingtonova experimentu a 30 000 krát přesností současného držitele záznamu: serendipitózní měření využívající signály z kosmické lodi Cassini na cestě k prozkoumání Saturn.
"Myslím, že [LATOR] by byl docela důležitým pokrokem v základní fyzice," říká Clifford Will, profesor fyziky na Washingtonské univerzitě, který významně přispěl k post-newtonské fyzice a není přímo zapojen do LATOR. "Měli bychom se i nadále snažit prosazovat větší přesnost při testování obecné relativity, jednoduše proto, že jakákoli odchylka by znamenala, že existuje nová fyzika, o které jsme dříve nevěděli."
Solární laboratoř
Experiment by pracoval takto: Dva malé satelity, každý asi jeden metr široký, by byly vypuštěny na oběžné dráze obíhající kolem Slunce zhruba ve stejné vzdálenosti jako Země. Tento pár mini-satelitů by obíhal pomaleji než Země, takže asi 17 měsíců po startu by byly mini-satelity a Země na opačných stranách Slunce. I když by tyto dva satelity byly od sebe vzdáleny asi 5 milionů km, úhel mezi nimi při pohledu ze Země by byl malý, pouze asi 1 stupeň. Společně by dva satelity a Země tvořily hubený trojúhelník, s laserovými paprsky po stranách a jedním z těchto paprsků procházejících blízko slunce.
Turyshev plánuje změřit úhel mezi dvěma satelity pomocí interferometru namontovaného na ISS. Interferometr je zařízení, které zachycuje a kombinuje paprsky světla. Měřením toho, jak vlny světla ze dvou mini-satelitů navzájem „interferují“, může interferometr měřit úhel mezi satelity s mimořádnou přesností: asi 10 miliardtin sekundy, nebo 0,01? As (mikrosekundy). Když se vezme v úvahu přesnost ostatních částí konstrukce LATOR, dává to celkovou přesnost pro měření toho, jak velká gravitace ohýbá laserový paprsek asi 0,02? Jako pro jedno měření.
"Použití ISS nám přináší několik výhod," vysvětluje Turyshev. "Za prvé, je to nad zkreslením zemské atmosféry a je také dost velké, abychom mohli umístit dvě čočky interferometru daleko od sebe (jedna čočka na každém konci příhradového nosníku), což zlepšuje rozlišení a přesnost Výsledek."
0,02? Jako přesnost LATOR je dost dobrá, aby odhalila odchylky od Einsteinovy relativity předpovídané aspirujícími Teoriemi všeho, které se pohybují od zhruba 0,5 do 35? Souhlas s měřením LATORu by byl pro každou z těchto teorií velkým přínosem. Pokud však ani LATOR nenajde žádnou odchylku od Einsteina, většina současných uchazečů - spolu s jejich 11 rozměry, pixelovaným prostorem a nekonstantními konstantami - utrpí smrtelnou ránu a „předá“ tento obrovský zaprášený knihovní fond na obloze .
Protože mise vyžaduje pouze existující technologie, Turyshev říká, že LATOR by mohl být připraven k letu již v roce 2009 nebo 2010. Takže to nemusí být příliš dlouho, než dojde k porušení paty ve fyzice a nové teorii gravitace, prostoru a času zabere trůn.
Původní zdroj: NASA / Science Story
