Ο έλεγχος της γενικής σχετικότητας του Einstein

Άρθρο, Νοέμβριος 2003

Η NASA ανακοίνωσε πριν λίγες ημέρες ότι η αποστολή Gravity Probe B (GP-B), για τον έλεγχο της θεωρίας της Γενικής Σχετικότητας, τελικά θα πραγματοποιηθεί στις 6 Δεκεμβρίου 2003, με τη βοήθεια ενός πυραύλου Delta II.

Ογδόντα επτά χρόνια μετά τη διατύπωση της Γενικής θεωρίας από τον Αϊνστάιν, η NASA και το Πανεπιστήμιο του Stanford θα ξεκινήσουν σε ένα μήνα περίπου ένα πείραμα μεγάλης ακρίβειας, που κόστισε 650 εκατομμύρια δολάρια, για να αποδειχθούν δύο προβλέψεις της γενικής θεωρίας.

Αφού είχαμε οκτώ ακυρώσεις της ημερομηνίας έναρξης του πειράματος, λόγω μεγάλων τεχνικών προβλημάτων, τελικά πιστεύεται ότι έφτασε η πολυπόθητη ημερομηνία της αποστολής του δορυφόρου που μεταφέρει μερικές συσκευές, εξαιρετικής τεχνολογίας, για να εξετάσουν τη βασική δομή του χωρόχρονου.

Φυσικά, αν δεν υπάρξει κάποιο καινούργιο απρόοπτο. Πριν από λίγο καιρό, η απογείωση του δορυφόρου ματαιώθηκε λόγω βλάβης στη θερμομονωτική διάταξη που διατηρεί τα γυροσκόπια σε θερμοκρασία λίγο μεγαλύτερη από το απόλυτο μηδέν.

Μέσα σε αυτές τις συσκευές συμπεριλαμβάνεται ένα σφαιρικό γυροσκόπιο, που είναι τόσο λείο ώστε αν είχε το μέγεθος της Γης, το μεγαλύτερο βουνό του θα έχει ύψος μόλις 2.4 μέτρων.

Το GP-B είναι ένα πείραμα σχετικότητας που αναπτύχθηκε για να εξετάσει δύο προβλέψεις της γενικής σχετικότητας. Συγκεκριμένα, τέσσερα γυροσκόπια θα τοποθετηθούν σε γήινη τροχιά, 650 km πάνω από τη Γη, για να μελετήσουν τη συμπεριφορά τους εκτός του πεδίου βαρύτητας.

Τα γυροσκόπια θα ελεγχθούν με μεγάλη ακρίβεια  για μικροσκοπικές μεταβολές στην κατεύθυνση της ιδιοπεριστροφής τους, η οποία προκαλείται από την αλληλεπίδρασή τους με τη Γη.

Αυτά τα γυροσκόπια θα είναι τόσο απαλλαγμένα από κάθε παρεμβολή, που θα δώσουν ένα σχεδόν τέλειο σύστημα αναφοράς για να μετρηθούν οι επιδράσεις της Γης πάνω σε αυτά.

Η θεωρία του Αϊνστάιν

Στα παράξενα πορίσματα της γενικής θεωρίας της σχετικότητας, πρωτεύουσα θέση έχει η παραμόρφωση του χωροχρόνου.

Ένα ογκώδες σώμα, όπως η Γη, προκαλεί όχι μόνο μια γεωμετρική καμπύλωση στον περιβάλλοντα χώρο αλλά και λόγω της περιστροφής της, συμπαρασύρει επίσης σε μια μικρή συστροφή τον περιβάλλοντα χώρο.

Όταν το φως από ένα μακρινό αστέρα διέρχεται κοντά από ένα άλλο άστρο, η τροχιά του καμπυλώνεται επειδή η βαρύτητα του αστέρα έχει καμπυλώσει τον περιβάλλοντα χώρο, και όχι επειδή έλκεται το φως. Αυτή η στρέβλωση θα επηρεάσει επίσης οποιοδήποτε άλλο περιφερόμενο ουράνιο σώμα γύρω από το άστρο. Για ένα γυροσκόπιο που είναι σε τροχιά κοντά στη Γη, αυτή η διαστρέβλωση του χωρόχρονου οδηγεί σε μια κλίση του άξονα περιστροφής του γυροσκοπίου στο επίπεδο της τροχιάς. Αυτή η επίδραση προβλέπεται από τη γενική θεωρία σχετικότητας ότι είναι 150 φορές μεγαλύτερη από το δεύτερο φαινόμενο, της παράσυρσης του αδρανειακού συστήματος αναφοράς. Το GP-B θα μετρήσει αυτήν την επίδραση με ακρίβεια ένα μέρος προς 10.000.

Οι αστρονόμοι ενώ έχουν ήδη επαληθεύσει την καμπύλωση του χώρου από το 1919, το δεύτερο φαινόμενο όμως, που ονομάζεται παράσυρση του αδρανειακού συστήματος αναφοράς, δεν έχει επιβεβαιωθεί πειραματικά. Σύμφωνα με την πρόβλεψη της ΓΘΣ ένα ογκώδες σώμα, σαν τη Γη, που περιστρέφεται συστρέφει το χωροχρόνο. Ένα γυροσκόπιο σε τροχιά γύρω από τη Γη τείνει να στραφεί μακριά από το επίπεδο της τροχιάς του γιατί η περιστροφή της Γης το παρασέρνει μαζί του.

Όπως συμβαίνει και με τις υδάτινες δίνες, η περιστροφή της Γης δεν επηρεάζει τα σημεία του χώρου που απέχουν πολύ, το φαινόμενο είναι έντονο κοντά στην επιφάνεια του πλανήτη.

Έτσι για πρώτη φορά, μετά από 87 χρόνια από τη διατύπωση της γενικής θεωρίας από τον Αϊνστάιν, το πείραμα GP-B θα εξετάσει την περίφημη πρόβλεψη του με μια ακρίβεια 1%.

Το πείραμα

Στην καρδιά της πειραματικής διάταξης του GP-B υπάρχουν τέσσερα γυροσκόπια με μέγεθος όσο μία μπάλα του πινγκ-πονγκ. Κάθε γυροσκόπιο περιστρέφεται μέσα σε μία σφαιρική υποδοχή με ακτίνα μεγαλύτερη από αυτήν του γυροσκοπίου λιγότερο από 1 /2000 εκατοστά. Όταν ψυχθεί σε θερμοκρασία 1,648 K, το περίβλημα του γυροσκοπίου, κατασκευασμένο από νιόβιο, επιτρέπει τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος χωρίς αντίσταση. Συγχρόνως, αέριο ήλιο περιστρέφει το γυροσκόπιο με συχνότητα έως 10.000 στροφές το λεπτό, και τα ηλεκτρόδια του επιτρέπουν να αιωρείται.

Ο άξονας περιστροφής του γυροσκοπίου είναι διαρκώς παράλληλος στον άξονα βορρά-νότου του μαγνητικού του πεδίου. Η μέτρηση των απειροελάχιστων μεταβολών της διεύθυνσης του άξονα περιστροφής γίνεται με τη βοήθεια των SQUID (Υπεραγώγιμων Συσκευών Κβαντικής Συμβολής), που ουσιαστικά είναι υπερευαίσθητα μαγνητόμετρα. Αυτά μπορούν να ανιχνεύσουν μεταβολές στην κλίση του περιστρεφόμενου γυροσκοπίου της τάξης των 0.1 του χιλιοστού του δευτερολέπτου μιας μοίρας. Αυτό αντιστοιχεί στο πλάτος μιας τρίχας όταν παρατηρείται σε απόσταση 150 km.

Το τηλεσκόπιο του GP-B θα στοχεύει σταθερά στον αστέρα IM Pegasi. Εάν ο χώρος ήταν επίπεδος, ο άξονας περιστροφής κάθε γυροσκοπίου θα έπρεπε να παραμένει παράλληλος στη διεύθυνση στόχευσης του τηλεσκοπίου. Εάν όμως ισχύουν οι εξισώσεις του Αϊνστάιν, η καμπύλωση του χώρου λόγω της βαρύτητας (το γεωδαιτικό φαινόμενο) θα προκαλέσει την κλίση του γυροσκοπίου κατά 0.14 μοίρες ανά έτος, ενώ ο στροβιλισμός του χώρου θα μετατοπίσει τον άξονα του κατά 7/10.000 της μοίρας σε κάθετη διεύθυνση - λιγότερο από το πλάτος μίας ανθρώπινης τρίχας, όπως αυτή διακρίνεται από απόσταση 16 km.