Obrazový kredit: NASA / JPL
Skôr alebo neskôr sa Einsteinova vláda, rovnako ako Newtonova vláda pred ním, skončí. Väčšina vedcov verí, že vo svete fyziky, ktorý zvrhne naše predstavy o základnej realite, je prevrat nevyhnutný. Medzi hrstkou teórií, ktoré súťažia o nástupcu trónu, sa v súčasnosti deje dostih.
V behu sú také myšlienky ohýbajúce myseľ ako 11-dimenzionálny vesmír, univerzálne „konštanty“ (ako je sila gravitácie), ktoré sa líšia v priestore a čase a zostávajú skutočne fixované v neviditeľnej piatej dimenzii, nekonečne vibrujúce struny ako Einstein veril, ale rozdelil sa na diskrétne, nedeliteľné kusy miznúceho rozmeru, základné zložky reality a štruktúru priestoru a času, ktorá nie je plynulá a súvislá. Experiment nakoniec určí, ktoré víťazstvo.
Vedci z laboratória Jet Propulsion Laboratory (JPL) vyvíjajú vedci nový koncept experimentu, ktorého cieľom je otestovať predpovede Einsteinovej relativity presnejšie ako kedykoľvek predtým. Ich misia, ktorá efektívne využíva našu slnečnú sústavu ako obrie laboratórium, by pomohla zúžiť pole teórií súperiacich o teórie a priviesť nás o krok bližšie k ďalšej revolúcii vo fyzike.
Dom rozdelený
To nemusí byť pre väčšinu ľudí príliš ťažké, ale veľké rozkoly už dlho trápia naše základné chápanie vesmíru. V súčasnosti existujú dva spôsoby vysvetlenia povahy a správania priestoru, času, hmoty a energie: Einsteinova relativita a „štandardný model“ kvantovej mechaniky. Obaja sú mimoriadne úspešní. Napríklad globálny pozičný systém (GPS) by nebol možný bez teórie relativity. Počítače, telekomunikácie a internet sú medzitým kvantovou mechanikou.
Tieto dve teórie sú však ako rôzne jazyky a nikto si zatiaľ nie je istý, ako ich medzi nimi prekladať. Relativita vysvetľuje gravitáciu a pohyb zlúčením priestoru a času do 4-rozmernej, dynamickej, elastickej látky reality nazývanej priestor-čas, ktorá je ohýbaná a deformovaná energiou, ktorú obsahuje. (Hmota je jednou formou energie, takže vytvára gravitáciu deformáciou priestorového času.) Kvantová mechanika na druhej strane predpokladá, že priestor a čas tvoria plochý, nemeniteľný „stupeň“, na ktorom sa odohráva dráma niekoľkých rodín častíc. , Tieto častice sa môžu pohybovať dopredu a dozadu v čase (niečo, čo relativita neumožňuje) a interakcie medzi týmito časticami vysvetľujú základné sily prírody - s do očí bijúcou výnimkou gravitácie.
Pat medzi týmito dvoma teóriami trvá už desaťročia. Väčšina vedcov predpokladá, že sa nakoniec nejako vyvinie zjednocujúca teória, ktorá zahŕňa tieto dve, ukazujúce, ako sa pravdy, ktoré každá obsahuje, môžu úhľadne zmestiť do jediného komplexného rámca reality. Takáto „teória všetkého“ by hlboko ovplyvnila naše vedomosti o narodení, evolúcii a prípadnom osude vesmíru.
Slava Turyshev, vedkyňa JPL a jeho kolegovia, vymysleli spôsob, ako využiť Medzinárodnú vesmírnu stanicu (ISS) a dva mini-satelity obiehajúce na opačnej strane slnka na testovanie teórie relativity s bezprecedentnou presnosťou. Ich koncept, ktorý sa čiastočne vyvinul prostredníctvom financovania Úradu biologického a fyzikálneho výskumu NASA, by bol taký citlivý, že by mohol odhaliť nedostatky v Einsteinovej teórii, a tak poskytnúť prvé tvrdé údaje potrebné na rozlíšenie, ktoré z konkurenčných teórií všetkého súhlasia s realitou a ktoré sú iba efektnou kriedou.
Experiment, nazvaný Laserový astrometrický test relativity (LATOR), by sa zameral na to, ako gravitácia Slnka odkláňa lúče laserového svetla emitovaného dvoma mini-satelitmi. Gravitácia ohýba cestu svetla, pretože deformuje priestor, ktorým svetlo prechádza. Štandardnou analógiou tohto deformácie časopriestoru gravitáciou je predstaviť si priestor ako plochý list gumy, ktorý sa tiahne pod hmotnosťou predmetov, ako je slnko. Depresia v plachte by spôsobila, že sa predmet (dokonca hmota častíc bez hmoty) prechádzajúca okolo Slnka mierne otáča, keď prechádza.
V skutočnosti to bolo pomocou merania ohybu hviezdneho svetla slnkom počas zatmenia Slnka v roku 1919, kedy Sir Arthur Eddington prvýkrát testoval Einsteinovu teóriu všeobecnej relativity. Z kozmického hľadiska je gravitácia slnka dosť slabá; dráha lúča svetla, ktorý prekračuje okraj slnka, by bola ohnutá iba asi o 1,75 arcsekundy (arcsekunda je 1/3600 stupňa). V medziach presnosti svojho meracieho zariadenia Eddington ukázal, že hviezdne svetlo sa skutočne ohýbalo týmto množstvom - a tým efektívne obvinil Newtona.
LATOR by túto odchýlku zmeral miliardou (109)-násobkom presnosti Eddingtonovho experimentu a 30 000-násobkom presnosti súčasného držiteľa záznamu: serendipitózne meranie využívajúce signály z kozmickej lode Cassini na jej ceste k objaveniu Saturn.
„Myslím si, že [LATOR] by bol docela dôležitým pokrokom v základnej fyzike,“ hovorí Clifford Will, profesor fyziky na Washingtonskej univerzite, ktorý významne prispel k post-newtonovskej fyzike a nie je priamo zapojený do LATOR. "Mali by sme sa naďalej snažiť presadiť väčšiu presnosť pri testovaní všeobecnej relativity, jednoducho preto, že akákoľvek odchýlka by znamenala, že existuje nová fyzika, o ktorej sme predtým nevedeli."
Solárne laboratórium
Experiment by fungoval takto: Dva malé satelity, každý približne jeden meter široký, by boli vypustené na obežnú dráhu obiehajúcu okolo Slnka v približne rovnakej vzdialenosti ako Zem. Táto dvojica satelitov by obiehala pomalšie ako Zem, takže približne 17 mesiacov po vypustení by boli satelity a Zem na opačných stranách Slnka. Aj keď by tieto dva satelity boli od seba vzdialené asi 5 miliónov km, uhol medzi nimi pri pohľade zo Zeme by bol malý, iba asi 1 stupeň. Spoločne by tieto dva satelity a Zem tvorili chudý trojuholník s laserovými lúčmi pozdĺž jeho strán a jedným z týchto lúčov prechádzajúcich blízko Slnka.
Turyshev plánuje zmerať uhol medzi dvoma satelitmi pomocou interferometra namontovaného na ISS. Interferometer je zariadenie, ktoré zachytáva a kombinuje lúče svetla. Meraním toho, ako vlny svetla z dvoch mini-družíc „interagujú“ navzájom, môže interferometer merať uhol medzi satelitmi s mimoriadnou presnosťou: približne 10 miliárd sekúnd arcsekundy alebo 0,01? As (mikroscsekundy). Ak sa vezme do úvahy presnosť ostatných častí konštrukcie LATOR, dáva sa tým celková presnosť na meranie toho, aká veľká je gravitácia ohybu laserového lúča asi 0,02? Ako pri jednotlivom meraní.
„Používanie ISS nám prináša niekoľko výhod,“ vysvetľuje Turyshev. „Za prvé, je to nad narušením zemskej atmosféry a je tiež dosť veľké na to, aby sme umiestnili obe šošovky interferometra ďaleko od seba (jedna šošovka na každom konci krovu solárneho panela), čo zlepšuje rozlíšenie a presnosť výsledky. "
0,02? Ako presnosť LATOR je dosť dobrá na to, aby odhalila odchýlky od Einsteinovej relativity predpovedané ašpirujúcimi teóriami všetkého, ktoré sa pohybujú od zhruba 0,5 do 35? Súhlas s meraniami LATOR-u by bol veľkým prínosom pre ktorúkoľvek z týchto teórií. Ale ak ani LATOR nezistí žiadnu odchýlku od Einsteina, väčšina súčasných uchádzačov - spolu s ich 11 rozmermi, pixelovaným priestorom a nekonštantnými konštantami - bude zasiahnutá smrteľnou ranou a „prejde“ do tejto veľkej zaprášenej knižnice na oblohe. ,
Pretože misia vyžaduje iba existujúce technológie, Turyshev tvrdí, že LATOR by mohol byť pripravený letieť už v roku 2009 alebo 2010. Takže nemusí trvať dlho, kým sa zlomí patová situácia vo fyzike a nová teória gravitácie, priestoru a času zaberie trón.
Pôvodný zdroj: NASA / Science Story
