Bildekreditt: NASA / JPL
Før eller siden vil regjeringen til Einstein, som Newtons regjering før ham, ta slutt. En omveltning i fysikkens verden som vil styrte forestillingene om grunnleggende virkelighet er uunngåelig, tror de fleste forskere, og for tiden pågår det et hesteveddeløp mellom en håndfull teorier som konkurrerer om å bli tronens etterfølger.
I løpet er slike tankebøyende ideer som et 11-dimensjonalt univers, universelle "konstanter" (for eksempel tyngdekraften) som varierer over rom og tid og bare forblir virkelig festet i en usett 5. dimensjon, uendelig vibrerende strenger som grunnleggende bestanddeler av virkeligheten, og et stoff med rom og tid som ikke er jevn og kontinuerlig, som Einstein trodde, men delt inn i diskrete, udelelige deler av forsvinnende liten størrelse. Eksperimentet vil til slutt bestemme hvilke triumfer.
Et nytt konsept for et eksperiment for å teste spådommene om Einsteins relativitet mer presist enn noen gang før, utvikles av forskere ved NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL). Deres oppdrag, som effektivt bruker solsystemet vårt som et gigantisk laboratorium, ville bidra til å begrense feltet for å slåss om teorier og bringe oss et skritt nærmere den neste revolusjonen innen fysikk.
Et hus delt
Det veier kanskje ikke tungt på de fleste menneskers sinn, men et stort skisma har lenge plaget vår grunnleggende forståelse av universet. Det eksisterer to måter å forklare rom, tid, materie og energi art og oppførsel for tiden: Einsteins relativitet og kvantemekanikkens «standardmodell». Begge er ekstremt vellykkede. GPS (Global Positioning System), for eksempel, ville ikke være mulig uten relativitetsteorien. Datamaskiner, telekommunikasjon og Internett er i mellomtiden spin-offs av kvantemekanikk.
Men de to teoriene er som forskjellige språk, og ingen er ennå sikre på hvordan de skal oversettes mellom dem. Relativitet forklarer tyngdekraft og bevegelse ved å forene rom og tid til et 4-dimensjonalt, dynamisk, elastisk virkelighetsstoff som kalles rom-tid, som er bøyd og forvrengt av energien den inneholder. (Masse er en form for energi, så den skaper tyngdekraften ved å fordreie rom-tid.) Kvantemekanikk, på den annen side, antar at rom og tid danner et flatt, uforanderlig "scene" der dramaet til flere familier av partikler utspiller seg . Disse partiklene kan bevege seg både fremover og bakover i tid (noe relativitet ikke tillater), og samspillet mellom disse partiklene forklarer de grunnleggende kreftene i naturen - med det skinnende unntaket av tyngdekraften.
Dødsfallet mellom disse to teoriene har pågått i flere tiår. De fleste forskere antar at det på en eller annen måte til slutt vil bli utviklet en samlende teori som underlager de to, som viser hvordan sannhetene de hver inneholder kan passe pent innenfor en enkelt, altomfattende virkelighetsramme. En slik "teori om alt" ville påvirke kunnskapen vår om universets fødsel, evolusjon og eventuelle skjebne.
Slava Turyshev, en forsker ved JPL, og kollegene hans har tenkt på en måte å bruke den internasjonale romstasjonen (ISS) og to minisatellitter som går i bane rundt solsiden til å teste relativitetsteorien med enestående nøyaktighet. Konseptet deres, delvis utviklet gjennom finansiering fra NASAs kontor for biologisk og fysisk forskning, ville være så følsomt at det kunne avdekke feil i Einsteins teori, og dermed gi de første harde dataene som trengs for å skille hvilke av de konkurrerende teoriene om alt stemmer overens med virkeligheten og som bare er fancy krittarbeid.
Eksperimentet, kalt Laser Astrometric Test Of Relativity (LATOR), ville se på hvordan solens tyngdekraft avleder laserstråler som sendes ut av de to minisatellittene. Tyngdekraften bøyer lysets vei fordi den snevrer rommet som lyset passerer gjennom. Standardanalogien for denne krengningen av rom-tid etter tyngdekraft er å forestille seg rom som et flatt gummiark som strekker seg under vekten av gjenstander som solen. Depresjonen i arket ville føre til at en gjenstand (til og med en lysmasse uten lysmasse) som passerte i nærheten av solen, svinger litt mens den gikk.
Faktisk var det ved å måle bøyningen av stjernelys av solen under en solformørkelse i 1919 at Sir Arthur Eddington først testet Einsteins teori om generell relativitet. I kosmiske termer er solens tyngdekraft ganske svak; banen til en lysstråle som skummer solkanten, ville bare bøyes med omtrent 1,75 bueekunder (et buesekund er 1/3600 av en grad). Innenfor nøyaktigheten av måleutstyret hans, viste Eddington at stjernelys faktisk bøyde seg med dette beløpet - og ved å gjøre det effektivt impeached Newton.
LATOR ville måle denne avbøyningen med en milliard (109) ganger presisjonen til Eddingtons eksperiment og 30 000 ganger presisjonen til den nåværende rekordholderen: en serendipitøs måling ved hjelp av signaler fra Cassini-romfartøyet på vei for å utforske Saturn.
"Jeg tror [LATOR] ville være et ganske viktig fremskritt for grunnleggende fysikk," sier Clifford Will, professor i fysikk ved Washington University som har gitt store bidrag til post-Newtonian fysikk og ikke er direkte involvert i LATOR. "Vi bør fortsette å prøve å presse på for mer nøyaktighet i å teste generell relativitet, ganske enkelt fordi noen form for avvik ville bety at det er ny fysikk som vi ikke var klar over før."
Sollaboratorium
Eksperimentet ville fungere slik: To små satellitter, hver rundt en meter bred, ville bli skutt ut i en bane som sirkler rundt solen omtrent på samme avstand som Jorden. Dette par mini-satellittene ville gå i sirkulasjon saktere enn Jorden gjør, så omtrent 17 måneder etter oppskytningen ville minisatellittene og Jorden være på motsatte sider av solen. Selv om de to satellittene ville være omtrent 5 millioner km fra hverandre, vil vinkelen mellom dem sett fra Jorden være liten, bare omtrent 1 grad. Sammen skulle de to satellittene og Jorden danne en mager trekant, med laserstråler langs sidene, og en av disse bjelkene som passerer nær solen.
Turyshev planlegger å måle vinkelen mellom de to satellittene ved hjelp av et interferometer montert på ISS. Et interferometer er et apparat som fanger og kombinerer lysstråler. Ved å måle hvordan bølger av lys fra de to minisatellittene “forstyrrer” hverandre, kan interferometeret måle vinkelen mellom satellittene med ekstraordinær presisjon: rundt 10 milliarddeler av et buesekund, eller 0,01? Som (mikro-buesekunder). Når presisjonen til de andre delene av LATOR-designet vurderes, gir dette en generell nøyaktighet for å måle hvor mye tyngdekraft som bøyer laserstrålen på omtrent 0,02? Som for en enkelt måling.
“Å bruke ISS gir oss noen fordeler,” forklarer Turyshev. “For det første er det over forvrengningene av jordens atmosfære, og det er også stort nok til å la oss plassere de to linsene til interferometeret langt fra hverandre (ett objektiv i hver ende av solcellepanelstolen), noe som forbedrer oppløsningen og nøyaktigheten til resultater.”
0,02? Som nøyaktighet av LATOR er god nok til å avsløre avvik fra Einsteins relativitet forutsagt av de håpefulle teoriene om alt, som spenner fra omtrent 0,5 til 35? Som. Avtale med LATORs målinger ville være et stort løft for noen av disse teoriene. Men hvis ingen avvik fra Einstein blir funnet selv av LATOR, vil de fleste av de nåværende kandidatene - sammen med deres 11 dimensjoner, pikslert rom og ubestandige konstanter - lide et dødelig slag og "gi videre" til den store støvete biblioteksbunken på himmelen .
Fordi oppdraget bare krever eksisterende teknologier, sier Turyshev at LATOR kan være klar til å fly så snart 2009 eller 2010. Så det kan ikke gå for lang tid før stillingen i fysikken er ødelagt og en ny teori om tyngdekraft, rom og tid tar trone.
Original kilde: NASA / Science Story
