|
|
|
MICROSCOPE: Η ευρωπαϊκή αποστολή για την επιβεβαίωση της Αρχής ΙσοδυναμίαςΆρθρο, Μάιος 2008 |
|
Η γαλλο-ευρωπαϊκή διαστημική αποστολή MICROSCOPE έχει σαν σκοπό, με μια μέτρηση τρομακτικής ακριβείας, την επιβεβαίωση μιας από τις βασικές αρχές της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν: της Αρχής Ισοδυναμίας (EP). Να αποδειχθεί η αλήθεια της καθολικότητας της ελεύθερης πτώσης των σωμάτων, η ιδέα δηλαδή ότι όλα τα σώματα πέφτουν ακριβώς με τον ίδιο τρόπο στο κενό και στο ίδιο βαρυτικό πεδίο.
Αν αυτή η αρχή ήταν λανθασμένη, ακόμη και στο παραμικρό, αυτό θα αρκούσε για να κατεδαφίσει όλο το οικοδόμημα που έχει συλλάβει ο Αϊνστάιν. Για την ώρα, αυτή η αρχή έχει επαληθευτεί κατά 0,000000001% περίπου. Όμως μελλοντικά πειράματα στο διάστημα όπως το STEP του Stanford, Galileo Galilei της Ιταλικής Διαστημικής Υπηρεσίας και ο γαλλο-ευρωπαϊκός δορυφόρος MICROSCOPE, που ο τελευταίος αναμένεται να εκτοξευτεί προς τα τέλη του 2010, θα είναι χίλιες φορές πιο ακριβής συγκριτικά με όλα τα πειράματα που έχουν πραγματοποιηθεί μέχρι σήμερα.
Ο λόγος που θέλουν να μάθουν οι φυσικοί την ακρίβεια της Αρχής της Ισοδυναμίας είναι ότι πολλές προταθείσες θεωρίες, για το συνδυασμό της κβαντομηχανικής με τη θεωρία της γενικής σχετικότητας, επιβεβαιώνουν ότι αυτή η Αρχή πρέπει να είναι λανθασμένη. Av λοιπόν ο δορυφόρος MICROSCOPE επιβεβαιώσει τη θεωρία του Αϊνστάιν, τότε θα πρέπει και πάλι να αρχίσουμε από το μηδέν! Αριστερά: Ο δορυφόρος MICROSCOPE έχει όγκο κατά προσέγγιση ένα κυβικό μέτρο, με δύο αναπτυσσόμενα ηλιακά πάνελ στην μία πλευρά. Στην άλλη πλευρά βρίσκονται ο ιχνηλάτης των αστεριών (για την ακριβή τοποθέτηση του στο διάστημα), και το μηχανικό και θερμικό υλικό του. Οι δύο πλευρικές πλευρές φέρουν τέσσερα μίνι συστήματα τριών ηλεκτρικών προωθητών, που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της δορυφορικής τοποθέτησης και τροχιάς. Επίσης, περιλαμβάνει συστήματα ελέγχου για να μην επηρεάζεται από δυνάμεις, όπως είναι η ηλιακή πίεση, η έλξη της ατμόσφαιρας και από τις ζώνες Van Allen, που θα αλλάζουν την τροχιά του (θα πρέπει να υπάρχει μόνο η βαρυτική έλξη). Ιστορικά πειράματα Το πρώτο γνωστό πείραμα για την απόδειξη της Ασθενούς Αρχής
της Ισοδυναμίας είναι του Γαλιλαίου (1610) που απέδειξε την
ισότητα της επιτάχυνσης δύο οποιωνδήποτε σωμάτων όταν έριξε σφαίρες
διαφορετικών μαζών από τον Πύργο της Πίζας. Αργότερα ο Νεύτων (1680) κατέφυγε στη χρήση του
εκκρεμούς. Η περίοδος ενός εκκρεμούς, ενός σώματος που αιωρείται από νήμα αμελητέας μάζας, είναι
πολλαπλάσιο του λόγου της βαρυτικής προς την αδρανειακή του μάζα. Αν η
περίοδος αυτή είναι η ίδια, ανεξάρτητα από το μέγεθος ή τη σύσταση του
ταλαντούμενου σώματος, τότε συμπεραίνεται πως ο λόγος
Στις μέρες μας υπήρξαν βελτιώσεις ακόμα και του ίδιου του πειράματος του Γαλιλαίου - το 1987 στο Πανεπιστήμιο του Colorado - δηλαδή παρατήρηση σωμάτων σε ελεύθερη πτώση, κατά τις οποίες η καταγραφή της πορείας των σωμάτων έγινε με λέιζερ. Κατά την εκτέλεση των ανωτέρω πειραμάτων χρησιμοποιήθηκε μια μεγάλη ποικιλία διαφορετικών υλικών: Χαλκός, νερό, θειικός χαλκός, άσβεστος, διάφορες μορφές ξύλου, κ.ά. Η διαφορετικότητα στη σύσταση των υλικών αυτών ανάγεται τελικά σε διαφορετική συγκρότηση των πυρήνων των ατόμων τους: Διαφορετικοί αριθμοί πρωτονίων, νετρονίων ηλεκτρονίων, διαφορετικοί δεσμοί στις χημικές ενώσεις, διαφορετικές δυναμικές ενέργειες στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των στοιχειωδών αυτών σωματιδίων. Η επαλήθευση της Αρχής της Ισοδυναμίας για όλες αυτές τις περιπτώσεις οδηγεί στο συμπέρασμα πως η συνεισφορά κάθε τέτοιας δυναμικής ενέργειας στη μάζα του σώματος είναι η αυτή, τόσο για την αδρανειακή όσο και για τη βαρυτική του μάζα. Δηλαδή, η μάζα που αντιστοιχεί π.χ. στην ηλεκτρομαγνητική δυναμική ενέργεια, σύμφωνα με την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας, εμφανίζεται και αυτή υπό δύο μορφές: Αδρανειακή και Βαρυτικη. H επαλήθευση της Αρχής της Ισοδυναμίας σε πολλές περιπτώσεις διαφορετικών υλικών - δηλαδή για πολλές διαφορετικές τιμές της δυναμικής αυτής ενέργειας - σημαίνει πως η αδρανειακή και η βαρυτικη μάζα που αντιστοιχούν στην εν λόγω ενέργεια, είναι με τη σειρά τους ίσες. Στόχοι αποστολής Η αποστολή MICROSCOPE έχει δύο κύριους σκοπούς - την δοκιμή της Αρχής Ισοδυναμίας (EP) μεταξύ της μάζας αδρανείας και της βαρυτικής μάζας με ένα υψηλό επίπεδο ακρίβειας, με ένα κέρδος 2 ή 3 τάξεις μεγέθους σε σχέση με τα πειράματα που έχουν γίνει στη Γη - να βελτιωθεί η κατασκευή δορυφόρων χωρίς καμιά άλλη έλξη πλην της βαρύτητας για τις μελλοντικές αποστολές της φυσικής και αστρονομίας, Η αποστολή MICROSCOPE, που είναι μια κοινή προσπάθεια της Γαλλικής Διαστημικής Υπηρεσίας CNES και της ESA, θα επιτρέψει στους φυσικούς αρχές του 2011 να πετύχουν μια δοκιμασία της Αρχής Ισοδυναμίας (EP) με μια ακρίβεια 10-15. Η ασθενής αρχή της ισοδυναμίας, ή η καθολικότητα της ελεύθερης πτώσης, έχει εξεταστεί όπως είδαμε με πολυάριθμες μεθόδους (όργανο ισορροπίας με στρέψη, λέιζερ κ.λπ.), αλλά ο θόρυβος και οι δονήσεις έμφυτοι σε οποιοδήποτε συνδεδεμένο περιβάλλον πειράματος περιορίζουν την ακρίβεια μικρότερη από 10-13. Οι νέες όμως θεωρίες της φυσικής, όπως η θεωρία χορδών ή η υπερβαρύτητα προτείνει μια πιθανή παραβίαση της EP κάτω από 10-13: . Υπάρχει λοιπόν ανάγκη να γίνουν μετρήσεις κάτω από αυτό το επίπεδο ακρίβειας και τούτο το γεγονός δείχνει τη σημασία της αποστολής, που θα χρησιμοποιήσει το διάστημα ως πειραματικό περιβάλλον, σε έναν δορυφόρο απαλλαγμένο της βαρυτικής έλξης.
Δεξιά εμφανίζεται το κύριο όργανο του δορυφόρου MICROSCOPE, το Διαφορικό Επιταχυνσιόμετρο: Μια ενδεχόμενη επιτάχυνση των πειραματικών μαζών προκαλεί την εμφάνιση ηλεκτρικού πεδίου στο σύστημα ηλεκτροδίων, με στόχο τη διατήρηση τους σε ακινησία. Η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου αποτελεί ένδειξη του μεγέθους της επιτάχυνσης αυτής των μαζών, και καταγράφεται δίνοντας μια εικόνα της ελεύθερης πτώσης τους στο βαρυτικό πεδίο της Γης. Στο πείραμα MICROSCOPE, το πεδίο βαρύτητας της Γης είναι αυτό στο οποίο παρατηρείται και ελέγχεται η κίνηση της ελεύθερης πτώσης δύο μαζών, που αποτελούνται από διαφορετικά υλικά. Έτσι και οι δύο μάζες βρίσκονται στο ίδιο ακριβώς πεδίο βαρύτητας. Το ελεγχόμενο ηλεκτροστατικό πεδίο, που προστέθηκε για να σπάσει την πειραματική συμμετρία, εξαναγκάζοντας τις δύο μάζες να παραμείνουν στην ίδια τροχιά, μετριέται με μια μεγάλη ακρίβεια: μια ελάχιστη ανωμαλία της συμμετρίας είναι η απόδειξη της παραβίασης της Αρχής της Ισοδυναμίας EP.
Για περισσότερες πληροφορίες για την Αρχή της Ισοδυναμίας δείτε και το σχετικό άρθρο Οι τρεις μορφές της Αρχής της ισοδυναμίας και την σχετική ιστοσελίδα |
Δεξιά:
τα δύο σώματα πέφτουν ταυτόχρονα στο πείραμα του Γαλιλαίου
Πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια επιτεύχθηκε στο πείραμα του Ούγγρου φυσικού Loránd Eötvös
(1908). Στο πείραμα αυτό
χρησιμοποιήθηκε ο ζυγός στρέψης ένα όργανο το οποίο
αρχικά είχε σχεδιαστεί και χρησιμεύσει για γεωφυσικές μελέτες, και
συγκεκριμένα για τον εντοπισμό ανωμαλιών στο βαρυτικό πεδίο της Γης λόγω
ανομοιογένειας του εδάφους. Στα υπό εξέταση σώματα, εκτός από το βαρυτικό πεδίο της Γης - το
οποίο σχετίζεται με τη βαρυτική μάζα του καθενός - επιδρά και η δύναμη
αδράνειας (η γνωστή φυγόκεντρη δύναμη) εξαιτίας της περιστροφής της Γης η οποία
είναι ανάλογη προς την αδρανειακή μάζα του κάθε σώματος. Αν η αδρανειακή
και η βαρυτική μάζα των σωμάτων δεν είναι ίσες μεταξύ τους, τότε στον ζυγό
εμφανίζεται ροπή στρέψης. Αν παρατηρηθεί παραβίαση της Ασθενούς Αρχής της
Ισοδυναμίας το διαπιστώνουμε με διαδοχικές στρέψεις του
οργάνου.
O Eötvös πέτυχε ακρίβεια μετρήσεων της τάξης του 1O-8 -
1O-9 στη συνέχεια
όμως υπήρξαν αλλεπάλληλες βελτιώσεις του ίδιου πειράματος από πολλούς ερευνητές. 
Ο δορυφόρος MICROSCOPE θα πετάξει σε ένα ύψος 800 km κατά μήκος μιας
σχεδόν πολικής και ηλιοσύγχρονης τροχιάς με μια εκκεντρότητα μόνο 5.10-3.
Εκμεταλλεύεται δε αυτήν την χαμηλή ελλειπτική τροχιά για να
διατηρήσει το ωφέλιμο φορτίο του σε ένα πολύ σταθερό θερμικό περιβάλλον. 