Attēla kredīts: NASA / JPL
Agrāk vai vēlāk Einšteina valdīšana, tāpat kā Ņūtona valdīšana pirms viņa, beigsies. Lielākā daļa zinātnieku uzskata, ka fizikas pasaules satricinājumi, kas apgāzīs mūsu priekšstatus par pamata realitāti, ir neizbēgami, un patlaban starp zirgiem notiek dažas teorijas, kas konkurē par troņa pēcteci.
Skrējienā ir tādas prātā virzošas idejas kā 11 dimensiju Visums, universālas “konstantes” (piemēram, smaguma spēks), kas mainās telpā un laikā un paliek tikai patiesi fiksētas neredzētā 5. dimensijā, bezgalīgi vibrējošās virknēs kā realitātes pamatelementi un telpas un laika audums, kas nav gluds un nepārtraukts, kā ticēja Einšteins, bet sadalīts diskrētos, nedalāmos gabalos, kuru lielums ir pazudis. Eksperiments galu galā noteiks, kurš triumfs.
NASA Jet reaktīvās piedziņas laboratorijas (JPL) zinātnieki izstrādā jaunu eksperimenta koncepciju, lai precīzāk nekā jebkad agrāk pārbaudītu Einšteina relativitātes prognozes. Viņu misija, kas efektīvi izmanto mūsu Saules sistēmu kā milzu laboratoriju, palīdzētu sašaurināt sacenšanās teoriju lauku un tuvinātu mūs vienam solim nākamajai fizikas revolūcijai.
Māja sadalīta
Iespējams, ka tas daudz nesatur vairuma cilvēku prātus, bet liela shēma jau sen ir skārusi mūsu pamatpratni par Visumu. Pašlaik pastāv divi veidi, kā izskaidrot telpas, laika, matērijas un enerģijas raksturu un uzvedību: Einšteina relativitāte un kvantu mehānikas “standarta modelis”. Abi ir ārkārtīgi veiksmīgi. Piemēram, globālā pozicionēšanas sistēma (GPS) nebūtu iespējama bez relativitātes teorijas. Tikmēr datori, telekomunikācijas un internets ir kvantu mehānikas atspēriena punkti.
Bet abas teorijas ir kā dažādas valodas, un vēl neviens nav pārliecināts, kā tulkot starp tām. Relativitāte izskaidro gravitāciju un kustību, apvienojot telpu un laiku 4 dimensiju, dinamiskā, elastīgā realitātes audumā, ko sauc par telpas laiku, ko saliek un savelk tajā esošā enerģija. (Masa ir viena enerģijas forma, tāpēc tā rada gravitāciju, deformējot telpas laiku.) Savukārt kvantu mehānika pieņem, ka telpa un laiks veido plakanu, nemaināmu “posmu”, uz kura izvēršas vairāku daļiņu ģimeņu drāma. . Šīs daļiņas var laika gaitā virzīties gan uz priekšu, gan atpakaļ (kaut ko relativitāte to neļauj), un šo daļiņu mijiedarbība izskaidro dabas pamat spēkus - ar acīmredzamu gravitācijas izņēmumu.
Strupceļš starp šīm divām teorijām ir turpinājies gadu desmitiem ilgi. Lielākā daļa zinātnieku pieņem, ka kaut kā galu galā tiks izstrādāta vienojoša teorija, kas abus apņem, parādot, kā patiesības, ko tie satur, var precīzi ietilpt vienā, visaptverošā realitātes ietvarā. Šāda “visa teorija” dziļi ietekmētu mūsu zināšanas par Visuma dzimšanu, attīstību un iespējamo likteni.
JPL zinātnieks Slava Turševs un viņa kolēģi ir domājuši par veidu, kā izmantot Starptautisko kosmosa staciju (ISS) un divus mini satelītus, kas riņķo saules tālākajā pusē, lai pārbaudītu relativitātes teoriju ar vēl nepieredzētu precizitāti. Viņu koncepcija, kas daļēji izstrādāta ar NASA Bioloģisko un fizisko pētījumu biroja finansējumu, būtu tik jutīga, ka tā varētu atklāt trūkumus Einšteina teorijā, tādējādi nodrošinot pirmos cietos datus, kas nepieciešami, lai atšķirtu, kura no konkurējošajām teorijām par visu piekrīt realitātei un kas ir tikai izdomāts krīta darbs.
Eksperimentā, ko sauca par relativitātes lāzera asometrisko testu (LATOR), tiks apskatīts, kā saules gravitācija novirza lāzera gaismas starus, ko izstaro divi mini satelīti. Gravitācija saliek gaismas ceļu, jo tas savelk telpu, caur kuru gaisma iet. Standarta analoģija šai telpas-laika deformācijai pēc gravitācijas ir iztēloties telpu kā plakanu gumijas loksni, kas stiepjas zem tādu priekšmetu svara kā saule. Lapas spiediena dēļ objekts (pat bez masas gaismas daļiņa), kas iet netālu no saules, nedaudz pagriežas, ejot tam garām.
Faktiski sers Artūrs Eddingtons pirmo reizi pārbaudīja Einšteina vispārējās relativitātes teoriju, izmērot saules gaismas lieces virzienu saules aptumsuma laikā 1919. gadā. Kosmiskajā ziņā saules gravitācija ir diezgan vāja; Gaismas stara ceļš, kas apņem saules malu, būtu saliekts tikai par aptuveni 1,75 loka sekundēm (loka sekunde ir 1/3600 no grāda). Sava mērīšanas aprīkojuma precizitātes robežās Eddingtons parādīja, ka zvaigžņu gaisma patiešām ir noliecusies par šo daudzumu - un, to darot, efektīvi aizskāra Ņūtonu.
LATOR izmērītu šo novirzi ar miljarda (109) reizes lielāku par Eddingtona eksperimenta precizitāti un 30 000 reizes ar pašreizējā rekordista precizitāti: serendipitous mērījums, izmantojot kosmosa kuģa Cassini signālus ceļā, lai izpētītu Saturnu.
"Es domāju, ka [LATOR] būtu diezgan nozīmīgs sasniegums fizikālās pamatfizikas attīstībā," saka Klifords Vilks, Vašingtonas universitātes fizikas profesors, kurš ir devis lielu ieguldījumu post Ņūtona fizikā un nav tieši saistīts ar LATOR. "Mums jāturpina censties panākt lielāku precizitāti vispārējās relativitātes testēšanā, vienkārši tāpēc, ka jebkāda veida novirzes nozīmētu jaunu fiziku, par kuru mēs iepriekš nezinājām."
Saules laboratorija
Eksperiments darbosies šādi: Divi mazi satelīti, katrs apmēram viena metra platumā, tiks palaisti orbītā, kas riņķo sauli aptuveni tādā pašā attālumā kā Zeme. Šis mini satelītu pāris riņķos ap lēnāk nekā Zeme, tāpēc apmēram 17 mēnešus pēc palaišanas minisatelīti un Zeme atradīsies pretējās saules pusēs. Pat ja abi satelīti būtu aptuveni 5 miljonu km attālumā viens no otra, leņķis starp tiem, skatoties no Zemes, būtu niecīgs, tikai aptuveni 1 grāds. Abi abi pavadoņi un Zeme kopā veidotu izdilis trīsstūri ar lāzera stariem gar tā malām un vienu no tiem, kas iet tuvu saulei.
Turševs plāno izmērīt leņķi starp diviem satelītiem, izmantojot interferometru, kas uzstādīts uz ISS. Interferometrs ir ierīce, kas uztver un apvieno gaismas starus. Izmērot, kā divu mini satelītu gaismas viļņi “traucē” viens otram, interferometrs ar ārkārtīgi precīzu precizitāti var izmērīt leņķi starp satelītiem: apmēram 10 miljardu sekundes no sekundes vai 0,01? Kā (mikro-loka sekundes). Ja ņem vērā LATOR konstrukcijas pārējo daļu precizitāti, tas dod vispārēju precizitāti, lai izmērītu, cik liels smaguma spēks saliek lāzera staru aptuveni 0,02? Kā vienam mērījumam.
“ISS izmantošana dod mums dažas priekšrocības,” skaidro Turyševs. “Pirmkārt, tas atrodas virs Zemes atmosfēras izkropļojumiem, un tas ir arī pietiekami liels, lai ļautu mums novietot divus interferometra objektīvus tālu viens no otra (pa vienam objektīvam uz katru saules paneļa kopnes galu), kas uzlabo izšķirtspēju un precizitāti rezultāti. ”
LATOR 0,02 ± kā precizitāte ir pietiekami laba, lai atklātu novirzes no Einšteina relativitātes, ko paredz centīgās teorijas par visu, kas svārstās no aptuveni 0,5 līdz 35? Vienošanās ar LATOR mērījumiem būtu būtisks stimuls jebkurai no šīm teorijām. Bet, ja pat LATOR neatradīs nekādas novirzes no Einšteina, tad vairums pašreizējo pretendentu - kopā ar 11 izmēriem, pikseļu atstarpi un konstantām konstantēm - piedzīvos liktenīgu triecienu un “pāries” uz šo lielo putekļaino bibliotēku kaudzi debesīs .
Tā kā misijai ir vajadzīgas tikai esošās tehnoloģijas, Turyševs saka, ka LATOR varētu būt gatavs lidot jau 2009. vai 2010. gadā. Tāpēc var paiet pārāk ilgs laiks, līdz fizikas strupceļš tiek sagrauts un jauna gravitācijas, telpas un laika teorija prasa tronis.
Oriģinālais avots: NASA / Science Story
