Η Σχετικότητα υπό έλεγχο: Ήταν ο Einstein σωστός;

Πηγή: Physical Review Focus, Οκτώβριος 2005

Σχεδόν 90 χρόνια αφότου ο Einstein διατύπωσε την Γενική Θεωρία της Σχετικότητας - η οποία είναι η τρέχουσα θεωρία που έχουμε για τη βαρύτητα - οι επιστήμονες επιτέλους τελείωσαν τη συλλογή δεδομένων με τα οποία θα ελέγξουν πειραματικά την ισχύ της Γενικής Σχετικότητας.

Τους 17 προηγούμενους μήνες, ο δορυφόρος της NASA Gravity Probe-B (GP-B) περιφερόταν γύρω από τη Γη, χρησιμοποιώντας 4 γυροσκόπια εξαιρετικής ακριβείας, περίπου ένα εκατομμύριο φορές καλύτερα από τα καλύτερα γυροσκόπια που χρησιμοποιούμε στην πλοήγηση, για να παραχθούν τα δεδομένα που απαιτούνται για τον έλεγχο της Γ.Σ.

Όπως είχε σχεδιαστεί, το ήλιο που ήταν το ψυκτικό υγρό του πειράματος και τροφοδοτούσε τους μικροπροωθητήρες, τελείωσε και μαζί του τελείωσε και η συλλογή δεδομένων, καθώς και η τελική φάση της ρύθμισης των οργάνων του πειράματος. Όλα τα δεδομένα, διάρκειας 50 εβδομάδων, έχουν μεταφερθεί από τον δορυφόρο στους υπολογιστές του επιχειρησιακού κέντρου του πειράματος στο πανεπιστήμιο Stanford, όπου οι επιστήμονες του GP-B έχουν αρχίσει το τελικό επίπονο έργο της ανάλυσης και επιβεβαίωσης των δεδομένων.

Ήταν ο Einstein σωστός; Δεν θα το ξέρουν πριν να περάσουν άλλοι 18 μήνες, αλλά οι φυσικοί ανά τον κόσμο περιμένουν υπομονετικά τα αποτελέσματα.

"Ήταν μια τρομερή αποστολή για όλους μας," ανέφερε ο Francis Everitt από το Stanford, επικεφαλής του πειράματος GP-B. "Το Gravity Probe B παρουσίασε αρκετές προκλήσεις κατά τη διάρκειά του, και η ομάδα ανταποκρίθηκε πολύ καλά σε όλες τις περιστάσεις. Με όλα τα δεδομένα που συγκεντρώθηκαν τώρα, προχωρούμε ώστε κατά τους επόμενους 15 μήνες να βεβαιωθούμε ότι κάθε τι θα ελεγχθεί και θα επανελεγχτεί με όσο περισσότερους τρόπους γίνεται. Η NASA και το Stanford μπορούν να είναι υπερήφανοι για όσα έχουν επιτευχθεί μέχρι τώρα"

Τη φετινή χρονιά εορτάζεται η 100η επέτειος του έτους των θαυμάτων του Einstein κατά το οποίο πήρε το διδακτορικό του στη φυσική από το πανεπιστήμιο της Ζυρίχης, και δημοσίευσε 4 θεμελιακές εργασίες που περιλάμβαναν την ειδική θεωρία της σχετικότητας και μια εργασία για το φως, η οποία του έδωσε και το βραβείο Νόμπελ το 1921. Η μεγάλη όμως επιτυχία του Einstein ήρθε το 1916 με τη δημοσίευση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας στην οποία επέκτεινε την ειδική σχετικότητα ώστε να περιλαμβάνει και την έννοια της βαρύτητας. Με τη Γενική Σχετικότητα ο Einstein άλλαξε για πάντα την Νευτώνεια αντίληψη για τη βαρύτητα ως μια δύναμη, βάζοντας το αξίωμα ότι ο χώρος και ο χρόνος είναι αξεδιάλυτα συνδεδεμένοι σ' ένα 4-διάστατο ιστό που λέγεται χωροχρόνος, και ότι η βαρύτητα είναι απλά η αναδίπλωση και η συστροφή αυτού του ιστού από τα ουράνια σώματα που φέρουν μάζα.

Αν και η σχετικότητα είναι ένας από τους θεμέλιους λίθους της σύγχρονης φυσικής, είναι ωστόσο η λιγότερο ελεγμένη από τις θεωρίες του Einstein. Ο λόγος είναι, όπως το έθεσε κάποτε ο φυσικός του Caltech Kip Thorne, "Στον κόσμο των μαύρων τρυπών και του σύμπαντος, ομιλείται η γλώσσα της σχετικότητας, και μάλιστα ομιλείται και με ένταση. Αλλά στο δικό μας μικροσκοπικό ηλιακό σύστημα, τα φαινόμενα της γενικής σχετικότητας ακούγονται σαν ψίθυροι."

Κι έτσι οποιεσδήποτε μετρήσεις σχετικιστικών φαινομένων βαρύτητας γύρω από τη Γη, πρέπει να γίνουν με εξαιρετική ακρίβεια. Τα τελευταία 90 χρόνια, πολλοί έλεγχοι της θεωρίας δείχνουν ότι ο Einstein ήταν στη σωστή πορεία. Αλλά στους περισσότερους από τους προηγούμενους ελέγχους τα σχετικιστικά σήματα έπρεπε να εξαχθούν από ένα σημαντικό θόρυβο υποβάθρου. Ο σκοπός του πειράματος GP-B είναι να ελέγξει τη θεωρία του Einstein κάνοντας πείραμα μέσα σε ένα εργαστήριο σε τροχιά, και ελαττώνοντας με τον τρόπο αυτό το θόρυβο υποβάθρου σε αμελητέα επίπεδα. Επίσης με το πείραμα αυτό μπορεί να εξεταστεί η Γενική Σχετικότητα και με νέους τρόπους.

Απατηλά απλό

Το GP-B εκτοξεύθηκε στις 29 Απριλίου του 2004 από την αεροπορική βάση Vandenberg στην ακτή της California, και χρησιμοποιεί 4 σφαιρικά γυροσκόπια για να μετράει με ακρίβεια δύο παράξενα φαινόμενα που προβλέπονται από τη θεωρία του Einstein. Το ένα είναι το γεωδετικό φαινόμενο - δηλαδή το μέγεθος κατά το οποίο η Γη στρεβλώνει το πέριξ αυτής χώρο. Το άλλο φαινόμενο ονομάζεται "σύρσιμο του πλαισίου" και είναι το πόσο παρασύρεται από την κίνηση της Γης ο χωροχρόνος γύρω της.

Πώς μετράει το GP-B αυτά τα φαινόμενα; Στη σύλληψή του το πείραμα είναι απλό: Τοποθετούμε ένα γυροσκόπιο και ένα τηλεσκόπιο σ' ένα δορυφόρο που περιφέρεται γύρω από τη Γη (Το GP-B χρησιμοποιεί 4 γυροσκόπια πλεονασματικά). Στην αρχή του πειράματος ευθυγραμμίζουμε και το τηλεσκόπιο και τον άξονα περιστροφής του γυροσκοπίου με κάποιο μακρινό σημείο αναφοράς, κάποιο άστρο που χρησιμεύει ως οδηγό σημείο. Κρατάμε συνεχώς το τηλεσκόπιο ευθυγραμμισμένο με το άστρο-οδηγό για ένα έτος καθώς το διαστημικό σκάφος περιφέρεται γύρω από τη Γη πάνω από 5000 φορές. Σύμφωνα με τη θεωρία του Einstein, κατά τη διάρκεια ενός έτους η γεωδετική στρέβλωση του χωροχρόνου γύρω από τη Γη θα έκανε τον άξονα περιστροφής του γυροσκοπίου να μετακινηθεί από το αρχικό άστρο-οδηγό κατά την μικροσκοπική γωνία των 6.6 δευτερολέπτων (0,0018 μοίρες). Παρόμοια, η συστροφή του τοπικού χωροχρόνου θα έκανε τον άξονα περιστροφής του γυροσκοπίου να μετακινηθεί σε μια κάθετη κατεύθυνση κατά μια ακόμα πιο μικρή γωνία 0,041 δευτερόλεπτα (0.000011 μοίρες), περίπου όσο το πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας όπως φαίνεται από απόσταση 10 μιλίων.

Όπως είπε κάποτε και ο συνιδρυτής του GP-B, William Fairbank : "Καμιά αποστολή δεν θα μπορούσε να είναι απλούστερη από την Gravity Probe B. Πρόκειται μόνο για, ένα αστέρι, ένα τηλεσκόπιο και μια περιστρεφόμενη σφαίρα." Παρόλα αυτά, χρειάστηκε η εξαιρετική συνεργασία του Stanford, της NASA, της Lockheed Martin και μιας πλειάδας φυσικών, μηχανικών και επιστημόνων διαστημικής για 44 περίπου χρόνια, ώστε να αναπτύξουν τα γυροσκόπια εξαιρετικής ακριβείας και την υπόλοιπη τεχνολογία αιχμής που χρειαζόταν για να πραγματοποιηθεί αυτό το απατηλά απλό πείραμα. Οι ρότορες του γυροσκοπίου με μέγεθος μιας μπάλας του πινγκ-πονγκ για παράδειγμα, έπρεπε να είναι τόσο τέλεια σφαιρικοί και ομογενείς, που χρειάστηκαν 10 χρόνια και μια τελείως νέα τεχνολογία κατασκευής για να τους φτιάξουν. Τώρα έχουν πάρει μια θέση στο βιβλίο ρεκόρ Guinness, ως τα πιο σφαιρικά αντικείμενα του κόσμου. Παρόμοια, χρειάστηκαν 2 χρόνια για να κατασκευάσουν τα άψογα πρίσματα για το τηλεσκόπιο του πειράματος που ακολουθεί το άστρο οδηγό. Μερικοί επιστήμονες σχολιάζουν ότι ο ίδιος ο Einstein, που εργαζόταν κάποτε στις ευρεσιτεχνίες, θα το απολάμβανε να κάνει μια ανασκόπηση στις συγκεκριμένες εξαιρετικές τεχνολογίες.

Ο Bradford Parkinson του Stanford, από τους υπεύθυνους ερευνητές στο GP-B και βραβευμένος με το βραβείο Draper του 2003 για την Μηχανική είπε: "Η αισιοδοξία περίσσευε το 1960 όταν άρχισε το πρόγραμμα GP-B. Δεν είχαμε ιδέα πόσο δύσκολο θα ήταν, και χρειάστηκαν 30 χρόνια για να αναπτυχθεί η τεχνολογία να κάνουμε τέλειες σφαίρες, η τεχνολογία για επικάλυψη, η τεχνολογία διαβάσματος των μετρήσεων, η κρυογενική τεχνολογία, η τεχνολογία κατεύθυνσης του τηλεσκοπίου κ.λ.π. Τίποτα από αυτά δεν ήταν δυνατόν το 1960."

Λειτούργησε μέχρι ν' αδειάσει το ήλιο

Κατά την εκτόξευση, το δοχείο Dewar, ένα γιγάντιο θερμός που καταλαμβάνει το μεγαλύτερο μέρος του διαστημικού οχήματος, και περιείχε 650 γαλόνια ηλίου σε υπερρευστή κατάσταση, σε θερμοκρασία ελάχιστα πάνω από το απόλυτο μηδέν. Το ήλιο στο δοχείο Dewar εξυπηρετούσε δύο ζωτικούς σκοπούς. Πρώτον, ήταν η υπερρευστή δεξαμενή που διατηρούσε τα 4 γυροσκόπια σε υπεραγώγιμες θερμοκρασίες. Αυτές χρειάζονταν για την καταγραφή των προσανατολισμών των αξόνων περιστροφής τους. Δεύτερον, το αέριο ήλιο που εξατμιζόταν από την δεξαμενή, ξαναχρησιμοποιόταν ως προωθητικό αέριο για τους μικροπροωθητήρες του σκάφους, ώστε να διατηρεί τον κατάλληλο προσανατολισμό και τον κατάλληλο ρυθμό περιστροφής κατά την τροχιά του ώστε να δείχνει συνεχώς προς το άστρο οδηγό. Όταν σχεδιαζόταν το Dewar, η ομάδα υπολόγισε προσεκτικά ότι 650 γαλόνια θα ήταν αρκετά για να συντηρήσουν την αποστολή του GP-B τουλάχιστον για 16 μήνες, και ότι ένα δοχείο Dewar αρκετά μεγάλο ώστε να χωράει αυτή την ποσότητα, μόλις που θα μπορούσε να περάσει από το ρύγχος του πυραύλου Delta II της Boeing με τον οποίο θα γινόταν η εκτόξευση. Όταν το ήλιο τελείωσε στις 29 Σεπτεμβρίου είχε ξεπεράσει τους αρχικούς υπολογισμούς της ομάδας κατά 3 εβδομάδες.

Ο Mac Keiser, επιστημονικός προϊστάμενος του GP-B ο οποίος διευθύνει την ομάδα ανάλυσης των μετρήσεων στο Stanford, λέει: "Το να πάρουμε τα δεδομένα 50 εβδομάδων από τον δορυφόρο είναι ιδιαίτερα σημαντικό - όχι μόνο επειδή μας επιτρέπει να ελαττώσουμε το στατιστικό σφάλμα των αποτελεσμάτων μας, αλλά επίσης και γιατί η Γη στο διάστημα αυτό έχει κάνει σχεδόν μια περιφορά γύρω από τον Ήλιο. Αυτός ο πλήρης κύκλος θα μας επιτρέψει να εκμεταλλευτούμε το πλεονέκτημα ενός από τα σήματα για καλιμπράρισμα που χρησιμοποιήσαμε και να εξαλείψουμε πιθανές πηγές συστηματικών σφαλμάτων. "

Το επόμενο βήμα του τελευταίου επιτεύγματος

Η συμπλήρωση της συλλογής δεδομένων οριοθετεί το τελευταίο επίτευγμα πριν από την αναγγελία και δημοσίευση των αποτελεσμάτων αυτού του ιστορικού πειράματος διάρκειας 44 ετών. Είναι μια στιγμή θριάμβου και συγκίνησης για την ομάδα του GP-B. Μερικά μέλη της ομάδας εργάστηκαν πάνω από 15 χρόνια. Καθώς η εστίαση της αποστολής φεύγει από τις λειτουργίες του διαστημ8κού σκάφους και πηγαίνει στην ανάλυση των δεδομένων, είναι η ώρα να αποχωρήσουν πολλοί από τους μηχανικούς και τους ειδικούς της αποστολής και αυτό οπωσδήποτε φέρνει μια νότα μελαγχολίας στο κατά τα άλλα πνεύμα ευφορίας που έφερε η επιτυχία.

"Είναι σα να στέλνεις πια το παιδί σου στο κολέγιο," λέει ο διευθυντής του προγράμματος Gaylord Green.

Ενώ ο Tony Lyons, διευθυντής προγράμματος από το κέντρο πτήσης Marshall της NASA, λέει: "Η συμπλήρωση της αποστολής του GP-B είναι το μεσουράνημα σκληρής προσπάθειας, άσκησης και προπαρασκευής πολλών ετών για την ομάδα του GP-B. Κάθε μέλος της ομάδας θα αισθάνεται υπερήφανο γι αυτήν την επιτυχία.."

Η επιστημονική ομάδα του GP-B θα χρειαστεί πάνω από ένα χρόνο για να συμπληρώσει την ανάλυση των δεδομένων, ενώ θ' ακολουθήσει ένα διάστημα άνω των έξι μηνών για να γραφτούν και να προωθηθούν στα επιστημονικά περιοδικά οι αντίστοιχες εργασίες με τα αποτελέσματα των πειραμάτων. Σύμφωνα με το πρωτόκολλο που έχει ακολουθήσει η NASA και σε άλλες αποστολές που περιλάμβαναν ποσοτικές μετρήσεις ακριβείας, δεν θα υπάρξουν προκαταρκτικές ανακοινώσεις των αποτελεσμάτων, ούτε και εκτιμήσεις για τα δεδομένα πριν από την τυπική ανακοίνωση και δημοσίευση των αποτελεσμάτων, η οποία αναμένεται στις αρχές του 2007.