Οι μετρήσεις με λέιζερ επιβεβαιώνουν τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Einstein ότι η Γη συστρέφει τον χώρο

Από το Nature, 18 Οκτωβρίου 2004

Μία από τις τελευταίες μη επιβεβαιωμένες πειραματικά προβλέψεις της Γενικής Σχετικότητας, ότι η Γη  όπως περιστρέφεται συστρέφει τη δομή του χώρου, επιβεβαιώθηκε μετά από την πρώτη ακριβή μέτρηση με τη βοήθεια λέιζερ.

Το πείραμα, που πραγματοποιείται χωρίς ουσιαστικά κανένα κόστος με τη βοήθεια λέιζερ εγκατεστημένων στη Γη, κάνει την ίδια δουλειά σχεδόν με την έρευνα που κάνει και το διαστημικό σκάφος Gravity Probe B (Διερευνητής της Βαρύτητας) στο διάστημα. Το αμερικανικό σκάφος των 700 εκατομμυρίων προωθήθηκε τον Απρίλιο για να εξετάσει ακριβώς το ίδιο φαινόμενο. Όμως, η επιστημονική ομάδα του Gravity Probe έχει αμφιβολίες για το εάν το αποτέλεσμα με τα επίγεια λέιζερ είναι πραγματικά τόσο ακριβές όσο φαίνεται.

Η συστροφή του χώρου είναι μια συνέπεια της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Einstein, η οποία περιγράφει τη βαρύτητα σαν μια κυρτότητα ή στρέβλωση του χωροχρόνου, που παράγεται όταν τεράστια σώματα περιστρέφονται μέσα σε αυτόν. Για παράδειγμα όπως ένα κουτάλι που περιστρέφεται μέσα σε ένα φλιτζάνι δημιουργεί μια δίνη στο υγρό.

Η θεωρία πιστεύει δηλαδή ότι μια περιστρεφόμενη μάζα συστρέφει το διάστημα γύρω της, ένα φαινόμενο γνωστό ως φαινόμενο Lense - Thirring, ή σαν "σύρσιμο του πλαισίου". Το φαινόμενο είναι σημαντικό όταν πρόκειται να μελετήσουμε ακραίες καταστάσεις, όπως η περιστροφή των κβάζαρ ή την περιστροφή των πιδάκων της ύλης ή της ακτινοβολίας γύρω από τις μαύρες τρύπες.

Είναι γνωστό ότι κάθε ογκώδες περιστρεφόμενο αντικείμενο συστρέφει αργά το χωρόχρονο γύρω του, σύμφωνα με τους υπολογισμούς των Josef Lense και Hans Thirring, αυστριακών φυσικών, το 1918. Αυτό σημαίνει ότι εάν είσαστε, για παράδειγμα, σε τροχιά γύρω από τη Γη, δεν θα αισθανόσαστε καμία δύναμη και θα θεωρούσατε ότι είσαστε σε ηρεμία, όμως θα βρίσκατε ότι περιστρέφεστε αργά σε σχέση με τα απόμακρα αστέρια

Μέχρι τώρα όμως οι επιστήμονες δεν είχαν αρκετά ακριβή όργανα για να μετρήσουν τις μικροσκοπικές διαταραχές στη δομή του κόσμου μας.

Ο Ignazio Ciufolini στο Πανεπιστήμιο Lecce στην Ιταλία και ο Erricos Pavlis στο Πανεπιστήμιο του Μέρυλαντ στη Βαλτιμόρη παρακολουθούσαν την πορεία των δύο δορυφόρων της NASA, LAGEOS και LAGEOS 2, πάνω από 11 χρόνια, με λέιζερ που μετρούν αποστάσεις με ακρίβεια μερικών χιλιοστών. Λόγω του φαινομένου αυτού οι τροχιές του δορυφόρου σύρονται από τη θέση τους, περίπου 2 μέτρα κάθε χρόνο, αναφέρει η αναφορά  των ερευνητών στο περιοδικό Nature.

Οι ερευνητές λένε ότι το αποτέλεσμά τους είναι το 99% της τιμής που προβλέπεται από τη Σχετικότητα, με ένα λάθος έως 10%. "Το αποτέλεσμά τους είναι η πρώτη ακριβής μέτρηση του φαινομένου Lense - Thirring", σχολιάζει ο Neil Ashby, ένας φυσικός από το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο.

Αμφιβολίες

Αλλά μερικοί επιστήμονες παραμένουν δύσπιστοι αν οι μετρήσεις τους είναι τόσο ακριβείς όσο λένε οι επιστήμονες. "Μια από τις δυσκολίες είναι πως να βγάλουμε την επίδραση της συστροφής από την τεράστια βαρυτική επίδραση της Γης", λέει ο Will Clifford, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο στο St. Louis, ο οποίος προεδρεύει της συμβουλευτικής επιστημονικής επιτροπής της NASA για το σκάφος Gravity Probe Β. Οι υπολογισμοί ήταν φυσικά δύσκολοι, καθώς ακόμα και χωρίς το φαινόμενο Lense - Thirring οι δορυφόροι θα απέκλιναν.

Εάν η Γη ήταν τέλεια συμμετρική, το φαινόμενο της συστροφής θα ήταν εύκολο να μετρηθεί. Αλλά η άμορφη Γη παράγει ένα ανώμαλο πεδίο βαρύτητας, επισημαίνει, το οποίο μετακινεί τους δορυφόρους πολύ περισσότερο από ό,τι το φαινόμενο της συστροφής.

Αριστερά: Οι δίδυμοι δορυφόροι GRACE

Για να απομονώσουν τα δύο φαινόμενα (δηλαδή να απομακρύνουν τις μεταβολές του πεδίου βαρύτητας της Γης, ένα καθαρά νευτώνειο φαινόμενο), οι Ciufolini και Pavlis χρησιμοποίησαν έναν χάρτη της γήινης βαρύτητας, που είχε δημιουργηθεί από τη διαστημική αποστολή GRACE της NASA, που προωθήθηκε τον Μάρτιο του 2002. Η αποστολή αυτή στηρίζεται σε δύο δορυφόρους σε τροχιά γύρω από τη Γη και σε ύψος, περίπου, 220 χιλιόμετρα. Οι δύο δορυφόροι μετρούσαν τις μικροσκοπικές μεταβολές σε αυτό το ύψος καθώς περνούσαν από διαφορετικά μέρη του πεδίου βαρύτητας της Γης. Η προηγούμενη προσπάθεια του Ciufolini να μετρήσει το φαινόμενο της συστροφής είχε ακρίβεια λιγότερη από 20%, επειδή δεν είχε το βαρυτικό χάρτη της αποστολής GRACE.

"Η μέθοδος με το λέιζερ μπορεί να προσφέρει ακρίβεια, αλλά είναι ακόμα αβέβαιο εάν τα μοντέλα της βαρύτητας της αποστολής GRACE είναι αρκετά ακριβή", λέει ο John Ries, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τέξας. Προσθέτει ότι η ομάδα του Διερευνητή της Βαρύτητας Β είναι επίσης δύσπιστη, και θεωρεί ότι ο Ciufolini μπορεί να είχε υποτιμήσει αρκετά τα λάθη του.

Πάντως, η εξερεύνηση της βαρύτητας με το σκάφος Gravity Probe B αναμένεται να προσφέρει μια μέτρηση για το φαινόμενο της συστροφής με ακρίβεια 1% μέσα στο 2006. "Θαυμάζω τους ανθρώπους που έχουν εργαστεί επί 40 χρόνια σε αυτό το πείραμα", λέει ο Ciufolini.

Οι φυσικοί δεν αναμένουν φυσικά ότι  κάποιο από τα πειράματα θα ανατρέψει τη θεωρία της σχετικότητας, αλλά επιμένουν ότι η επιβεβαίωση είναι βασική. Η τελευταία σημαντική πρόβλεψη της Γενικής Σχετικότητας απαιτεί την επιβεβαίωση ότι υπάρχουν τα βαρυτικά κύματα. Το σχετικό πείραμα LIGO, που επιβλέπεται από το Τεχνολογικό Ίδρυμα της Καλιφόρνιας και της Μασαχουσέτης, ψάχνει ήδη για τα βαρυτικά κύματα στη Γη, ενώ τα σκάφη  LISA της NASA αναμένονται να προωθηθούν το 2010.