Η εξήγηση της μετατόπισης του περιηλίου του Ερμή από τη Γενική Σχετικότητα

Share

Η παρατήρηση της ολικής έκλειψης από τον Άρθουρ Έντιγκτον – και όσες ακολούθησαν μετά – δεν ήταν ο μοναδικός επιτυχημένος έλεγχος της Γενικής Σχετικότητας. Ήταν όμως απλή, αναμφισβήτητη και εντυπωσίασε σημαντικά για πολλές δεκαετίες. Το μεγαλύτερο ενδιαφέρον για την θεωρία τον έδειξαν οι αστρονόμοι και οι μαθηματικοί μιας που αυτή μετέβαλε ριζικά την άποψη του σύμπαντος, σε σύγκριση με την κλασσική νευτώνεια εικόνα του Κόσμου.

perihelion_precession

Μία από τις πιο σημαντικές προβλέψεις – και εξηγήσεις – της Γενικής Σχετικότητας ήταν η μικροσκοπική απόκλιση της τροχιάς του Ερμή γύρω από τον Ήλιο, που παρέμενε ανεξήγητη με βάση τις αρχές της νευτώνειας φυσικής. Αναφερόμενοι μάλιστα στην κίνηση ενός πλανήτη διαμέσου του τετραδιάστατου χωροχρόνου, αυτή μπορεί να θεωρηθεί σαν μια προβολή πάνω στον χωρικό άξονα της γεωδαισικής τροχιάς (που λέγεται και κοσμική γραμμή). Μια τυπική κοσμική γραμμή ενός πλανήτη σχηματίζει σπείρα με το πέρασμα του χρόνου, και η προβολή της εμφανίζεται σαν μια σχεδόν τέλεια έλλειψη. Η λέξη σχεδόν είναι το κλειδί σε αυτή την διατύπωση. Σύμφωνα με την περιγραφή του σύμπαντος από τον Αϊνστάιν η έλλειψη που σχηματίζει η προβολή της τροχιάς ενός πλανήτη καθώς κινείται γύρω από τον Ήλιο, που και ο ίδιος περιστρέφεται γύρω από τον εαυτό του, με το πέρασμα του χρόνου δημιουργείται ένα φαινόμενο που λέγεται μετακίνηση ή προπόρευση του περιηλίου.

Σε όλους δε τους πλανήτες (εκτός του Ερμή) η μετακίνηση του περιηλίου είναι ασήμαντη και γι αυτό η θεωρία του Νεύτωνα δίνει το ίδιο αποτέλεσμα με τη Γενική Σχετικότητα. Στην περίπτωση όμως του Ερμή, που βρίσκεται βαθειά μέσα στο φρέαρ βαρύτητας του Ήλιου, η Γενική Σχετικότητα δίνει μια προπόρευση του περιηλίου της τάξης των 43 δευτερολέπτων ανά αιώνα, που όμως δεν προβλέπεται από τη θεωρία βαρύτητας του Νεύτωνα. Οι αστρονόμοι του 19ου αιώνα όμως είχαν παρατηρήσει αυτή την προπόρευση χωρίς βέβαια να την έχουν εξηγήσει συνολικά. Συγκεκριμένα οι αστρονόμοι έβλεπαν μια προπόρευση του περιηλίου κατά 576 δευτερόλεπτα ανά αιώνα. Ωστόσο το μεγαλύτερο τμήμα αυτής εξηγείται από την μηχανική του Νεύτωνα εξ αιτίας της επίδρασης άλλων πλανητών πάνω στον Ερμή. Έμεναν όμως τα 43 δευτερόλεπτα της μετακίνησης του περιηλίου χωρίς καμία ικανοποιητική εξήγηση. Κατά καιρούς δόθηκαν διάφορες εξηγήσεις όπως για παράδειγμα η ύπαρξη ενός άγνωστου πλανήτη μεταξύ του Ερμή και του Ήλιου, που όμως δεν μπορούσανε να βρουν οι αστρονόμοι.

Και όλα αυτά μέχρι που η δημοσίευση της θεωρίας του Αϊνστάιν ήρθε να δώσει την απάντηση, προβλέποντας ακριβώς μια προπόρευση του περιηλίου του Ερμή της τάξης των 43 δευτερολέπτων του τόξου ανά αιώνα. Βέβαια, η εξήγηση του Αϊνστάιν δεν κρίθηκε αμέσως από όλους ικανοποιητική. Ήταν τόσο παράδοξη, ώστε πολλοί αστρονόμοι αρνήθηκαν ακόμη και να τη συζητήσουν. Έγιναν κι άλλες υποθέσεις. Ανάμεσα τους, ακούστηκε και η πρόταση ότι ο πυρήνας του Ήλιου περιστρέφεται ταχύτατα και μ’ αυτό τον τρόπο εξηγείται η προπόρευση του περιηλίου του Ερμή. Καμία από τις υποθέσεις αυτές δεν αποδείχτηκε. Μέσα στις επόμενες δεκαετίες, όλες οι εναλλακτικές προτάσεις απορρίφθηκαν και μόνον η γενική θεωρία της σχετικότητας ερμήνευσε τα ανεξήγητα φαινόμενα, προσφέροντας ταυτόχρονα μια νέα και τελειότερη περιγραφή του Σύμπαντος που κατοικούμε.

Στο παρακάτω σχήμα βλέπουμε μια άλλη δοκιμή της Γενικής Σχετικότητας. Πρόκειται για ένα μικρό, μικρό πρόβλημα με τον πλανήτη Ερμή. Απλώς, η τροχιά του δεν ήταν και τόσο σωστή. Οι νόμοι του Kepler (που προέρχονται από το νόμο βαρύτητας του Νεύτωνα), έλεγαν ότι όλοι οι πλανήτες θα πρέπει να κινούνται σε ελλείψεις γύρω από τον Ήλιο. Αλλά στην περίπτωση του Ερμή αυτό δεν συνέβαινε επακριβώς. Ο Ερμής κάνει μία έλλειψη γύρω από τον ήλιο, όπου το περιήλιον του κάνει μια μετακίνηση (περιστροφή) – πολύ μικρή μεν, αλλά δεν παραμένει σταθερή λόγω της κυρτής γεωμετρίας του χώρου κοντά στον ήλιο (ας μην ξεχνάμε ότι ο Ερμής είναι πολύ κοντά στον Ήλιο και επηρεάζεται ισχυρά από το βαρυτικό του πεδίο).

PerhelionAdvanceAnimation

Πολύ αργότερα έγινε με εντυπωσιακό τρόπο η επιβεβαίωση της γενικής σχετικότητας και με τα περιστρεφόμενα άστρα νετρονίων (πάλσαρ), που έχουν τεράστια πυκνότητα και είναι τα κατάλοιπα από την κατάρρευση ενός μεγάλου άστρου. Οι αστέρες αυτοί περιστρέφονται ταχύτατα και «φωτίζουν» περιοδικά την Γη – σαν ένας κοσμικός φάρος – με ισχυρές δέσμες ραδιοκυμάτων. Η κίνηση ενός πάλσαρ και τα φαινόμενα που τη συνοδεύουν υπακούουν στην αντίληψη για τη βαρύτητα που κομίζει η θεωρία του Αϊνστάιν.

Το 1960, πέντε χρόνια μετά τον θάνατο του Αϊνστάιν οι επιστήμονες απέκτησαν ρολόγια υψηλής ακριβείας (ατομικά ρολόγια). Εγκατέστησαν ένα από αυτά στο ισόγειο ενός πολυώροφου κτηρίου και το δεύτερο στο τελευταίο πάτωμα. Τα ρολόγια ήταν απόλυτα συγχρονισμένα. Κι όμως, αυτό που βρισκόταν στο ισόγειο εμφάνισε μιαν επιβράδυνση σε σύγκριση με το άλλο του τελευταίου πατώματος, επειδή βρισκόταν βαθύτερα στο εσωτερικό του πεδίου βαρύτητας της Γης. Το πείραμα απέδειξε για άλλη μια φορά την αλλοίωση του χωροχρόνου στις περιοχές της πυκνής παρουσίας της ύλης.

Leave a Comment

Share