Για άλλη μια φορά, οι φυσικοί επιβεβαίωσαν μία από τις βασικές ιδέες του Άλμπερτ Αϊνστάιν για τη βαρύτητα – αυτή τη φορά με τη βοήθεια ενός αστέρα νετρονίων που “αναβοσβήνει” στο διάστημα, δηλαδή ένα πάλσαρ. Η δοκιμασία εξέτασε την αρχή της ισοδυναμίας κάτω από ακραίες συνθήκες, σε ένα σύστημα που αποτελείται από δύο αστρικά πτώματα γνωστά ως λευκοί νάνοι και ένα ακόμη πιο πυκνό αστέρι νετρονίων και έδειξε ότι η αρχή της ισοδυναμίας κάνει διάνα στις προβλέψεις της.
Εδώ εμφανίζεται ένα πάλσαρ (PSR J0337-1715) με τους δύο συνοδούς λευκούς νάνους. Το πράσινο πλέγμα απεικονίζει την καμπυλότητα του χωροχρόνου που προκαλείται από τις διάφορες μάζες. (Το μέγεθος και οι αποστάσεις των τριών σωμάτων δεν είναι υπό κλίμακα.)
Το νέο πρότζεκτ κάνει μια παλιά ιδέα ακόμη πιο σίγουρη: ότι τα βαριά και ελαφριά αντικείμενα πέφτουν με τον ίδιο ρυθμό. Ο Αϊνστάιν δεν ήταν το πρώτο άτομο που το συνειδητοποίησε αυτό. Υπάρχουν αμφισβητούμενοι υπολογισμοί του Γαλιλαίου που αποδεικνύουν αυτή την αρχή όταν έριχνε διάφορα βάρη από τον Πύργο της Πίζας τον 16ο αιώνα. Ενώ οι προτάσεις αυτής της ιδέας εμφανίζονται και στο έργο του Ισλαμιστή φιλόσοφου και φυσικού του 12ου αιώνα Abu’l-Barakāt al-Baghdādī . Αυτή η ιδέα τελικά εισήλθε στο μοντέλο φυσικής του Ισαάκ Νεύτωνα και στη συνέχεια στη θεωρία του Einstein για τη γενική σχετικότητα ως «βαρυτική αρχή της ισχυρής ισοδυναμίας» (SEP). Η γενική σχετικότητα, την οποία πρότεινε ο μεγάλος φυσικός το 1916, θεωρεί ότι η βαρύτητα είναι συνέπεια της εγγενούς κύρτωσης του χωροχρόνου: Τα μεγάλα αντικείμενα στρεβλώνουν τον κοσμικό ιστό, δημιουργώντας ένα είδος τούνελ γύρω από το οποίο στρέφονται τα άλλα σώματα.
Αυτό το νέο πείραμα καταδεικνύει την αλήθεια της Αρχής της ισχυρής ισοδυναμίας SEP, χρησιμοποιώντας ένα αστέρι νετρονίων που πέφτει , με μεγαλύτερη ακρίβεια από ποτέ.
Την SEP την γνωρίζουμε εδώ και πολύ καιρό. Ίσως να έχετε δει το βίντεο των αστροναυτών του Απόλλωνα να ρίχνουν ένα φτερό και ένα σφυρί στο κενό του φεγγαριού, δείχνοντας ότι πέφτουν με τον ίδιο ρυθμό στη σεληνιακή βαρύτητα.
Αλλά οι μικρές δοκιμές στα σχετικά αδύναμα βαρυτικά πεδία της Γης , το φεγγάρι ή τον ήλιο δεν φτάνουν για την πλήρη εξέταση της SEP, σύμφωνα με την Sharon Morsink, αστροφυσικό στο Πανεπιστήμιο της Αλμπέρτα στον Καναδά, η οποία δεν συμμετείχε στο νέα μελέτη.
“Σε κάποιο επίπεδο, η πλειονότητα των φυσικών πιστεύει ότι η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν, που ονομάζεται γενική σχετικότητα, είναι σωστή. Ωστόσο, αυτή η πίστη βασίζεται κυρίως σε παρατηρήσεις φαινομένων που συμβαίνουν σε περιοχές του διαστήματος με ασθενή βαρύτητα, ενώ η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν προοριζόταν να εξηγήσει φαινόμενα που συμβαίνουν κοντά σε πολύ ισχυρά βαρυτικά πεδία », δήλωσε η Morsink. “Τα αστέρια νετρονίων και οι μαύρες τρύπες είναι τα αντικείμενα που έχουν τα ισχυρότερα γνωστά βαρυτικά πεδία, οπότε οποιαδήποτε δοκιμή βαρύτητας που περιλαμβάνει αυτά τα αντικείμενα δοκιμάζει πραγματικά την καρδιά της θεωρίας βαρύτητας του Αϊνστάιν.”
Τα αστέρια νετρονίων είναι οι πυρήνες των νεκρών αστεριών που έχουν καταρρεύσει. Πολύ πυκνά, αλλά όχι αρκετά πυκνά για να σχηματίσουν μαύρες τρύπες, μπορούν να “πακετάρουν” μάζες μεγαλύτερες από εκείνες του ήλιου μας σε στροβιλιζόμενες σφαίρες πλάτους λίγων χιλιομέτρων.
Οι ερευνητές επικεντρώθηκαν σε έναν τύπο άστρου νετρονίων που ονομάζεται πάλσαρ, το οποίο από την Γη φαίνεται να αναβοσβήνει καθώς περιστρέφεται, σαν φάρος. Αυτή η αναλαμπή είναι αποτέλεσμα ενός φωτεινού σημείου στην επιφάνεια του αστεριού που περιστρέφεται και που από μακριά φαίνεται σαν το φως ενός φάρου, 366 φορές το δευτερόλεπτο. Αυτή η περιστροφή είναι αρκετά κανονική με σταθερό ρυθμό.
Αυτό το pulsar, γνωστό ως J0337 + 1715, είναι ξεχωριστό ακόμη και μεταξύ των πάλσαρ: Είναι κλειδωμένο σε μια σφιχτή δυαδική τροχιά με ένα λευκό νάνο αστέρι. Τα δύο αστέρια περιστρέφονται το ένα το γύρω από το άλλο, ενώ συγχρόνως στρέφονται γύρω από ένα τρίτο αστέρι, επίσης ένα λευκό νάνο, όπως η Γη και το φεγγάρι κάνουν καθώς περιστρέφονται γύρω από τον ήλιο.
Το σύστημα, γνωστό ως PSR J0337 + 1715, βρίσκεται 4.200 έτη φωτός από τη Γη, προς την κατεύθυνση του αστερισμού του Ταύρου. Το πάλσαρ που στρέφεται 366 φορές ανά δευτερόλεπτο, περιστρέφεται αμοιβαία γύρω από έναν από τους λευκούς νάνους. το ζεύγος αυτό στρέφεται γύρω από ένα κοινό κέντρο μάζας κάθε 1.6 ημέρες της Γης. Αυτό το δίδυμο τώρα είναι σε τροχιά με περίοδο 327 ημερών γύρω από τον άλλο δεύτερο λευκό νάνο, που βρίσκεται πολύ πιο μακριά. Το πάλσαρ έχει 1,4 φορές τη μάζα του ήλιου σε μια σφαίρα μεγέθους μιας πόλης, ενώ ο εσωτερικός λευκός νάνος έχει μάζα μόνο 0,2 ηλιακές μάζες και είναι περίπου στο μέγεθος της Γης. Επομένως, είναι πολύ διαφορετικά αντικείμενα – αλλά πρέπει να έλκονται από τον εξωτερικό λευκό νάνο με τον ίδιο τρόπο αν η αρχή της ισοδυναμίας κάνει διάνα στις προβλέψεις της.
(Οι ερευνητές έχουν ήδη δείξει ότι η βαρυτική αρχή της ισχυρής ισοδυναμίας SEP είναι αληθινή για τέτοιες τροχιές στο ηλιακό μας σύστημα: η Γη και το φεγγάρι επηρεάζονται ακριβώς στον ίδιο βαθμό από τη βαρύτητα του ήλιου, υποδεικνύουν οι μετρήσεις.)
Η ακριβής χρονομέτρηση του πάλσαρ J0337 + 1715, σε συνδυασμό με τη σχέση του με τα δύο πεδία βαρύτητας που δημιουργήθηκαν από τα δύο λευκά αστέρια νάνους, προσφέροντας στους αστρονόμους μια μοναδική ευκαιρία να δοκιμάσουν αυτή την αρχή.
Το πάλσαρ είναι πολύ βαρύτερο από τα άλλα δύο αστέρια του συστήματος. Αλλά το πάλσαρ πέφτει προς το καθένα νάνο αστέρι λίγη απόσταση λόγω της αμοιβαίας βαρύτητας τους, εξ αιτίας της μεγαλύτερης μάζας του. (Το ίδιο συμβαίνει με εσάς και τη Γη. Όταν πηδάτε, πέφτετε προς τον πλανήτη πολύ γρήγορα. Αλλά και ο πλανήτης πέφτει – πλησιάζει προς εσάς επίσης – αλλά πολύ αργά, λόγω της δικής σας χαμηλής βαρύτητας, αλλά με τον ίδιο ακριβώς ρυθμό με εσάς.) Και επειδή το J0337 + 1715 είναι τόσο ακριβής χρονομετρητής, οι αστρονόμοι στη Γη μπορούν να παρακολουθούν πώς τα βαρυτικά πεδία των δύο νάνων λευκών άστρων επηρεάζουν την περίοδο του πάλσαρ.
Καθώς ο παλμός του φωτός στράφηκε σε μια στιγμή προς τη Γη, ο ενδιάμεσος χρόνος μεταξύ των παλμών μειώθηκε. Αυτό επέτρεψε στους φυσικούς να φτιάξουν ένα ισχυρό μοντέλο της κίνησης του αστεριού νετρονίων μέσω του διαστήματος, εξηγώντας με ακρίβεια πώς αυτό αλληλεπιδρά με τα πεδία βαρύτητας των γειτονικών λευκών νάνων του. Η εργασία τους βασίστηκε σε μια τεχνική που χρησιμοποιήθηκε σε μια προηγούμενη εργασία, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature το 2018, για τη μελέτη του ίδιου συστήματος.
Η εργασία έδειξε ότι τα αντικείμενα σε αυτό το σύστημα συμπεριφέρθηκαν όπως προβλέπει η θεωρία του Αϊνστάιν – ή τουλάχιστον δεν διέφερε από τις προβλέψεις του Αϊνστάιν για περισσότερα από 1,8 μέρη ανά εκατομμύριο. Αυτό είναι το απόλυτο όριο της ακρίβειας της ανάλυσης δεδομένων του τηλεσκοπίου τους. Ανέφεραν 95% εμπιστοσύνη στα ευρήματά τους.
Μια παραβίαση της αρχής της ισοδυναμίας θα εκδηλωνόταν ως μια παραμόρφωση της τροχιάς του πάλσαρ – μια διαφορά ανάμεσα στην τροχιά του άστρου νετρονίων και αυτού του εσωτερικού συνοδού λευκού νάνου. Δηλαδή οι ερευνητές μέτρησαν κατά πόσο ο εσωτερικός λευκός νάνος και το άστρο νετρονίων, με τα διαφορετικά βάρη τους, επηρεάζονταν διαφορετικά από τη βαρύτητα του εξωτερικού λευκού νάνου, δηλαδή «έπεφταν» προς αυτόν με διαφορετική ταχύτητα.
Αυτή η παραμόρφωση θα ανάγκαζε την ακτινοβολία του pulsar να φτάσει σε λίγο διαφορετικό χρόνο από τον αναμενόμενο. Αλλά οι ερευνητές δεν ανίχνευσαν καμία τέτοια παραμόρφωση.
Η Morsink, η οποία χρησιμοποιεί δεδομένα ακτίνων Χ για να μελετήσει τη μάζα, τα πλάτη και τα μοτίβα επιφάνειας των αστεριών νετρονίων, είπε ότι αυτή η επιβεβαίωση δεν είναι εκπληκτική, αλλά είναι σημαντική για την έρευνά της.
“Σε αυτό το έργο, πρέπει να υποθέσουμε ότι η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν είναι σωστή, δεδομένου ότι η ανάλυση δεδομένων είναι ήδη πολύ περίπλοκη”, δήλωσε η Morsink. “Έτσι, οι δοκιμές της βαρύτητας του Αϊνστάιν χρησιμοποιώντας αστέρια νετρονίων με κάνουν πραγματικά να νιώθω καλύτερα για την υπόθεσή μας ότι η θεωρία του Αϊνστάιν περιγράφει σωστά τη βαρύτητα ενός αστεριού νετρονίων!”
Χωρίς να καταλάβει την SEP, ο Αϊνστάιν δεν θα μπορούσε ποτέ να αναπτύξει τις ιδέες του σχετικά με τη σχετικότητα. Σε μια εικόνα που περιέγραψε ως «την πιο τυχερή σκέψη στη ζωή μου», αναγνώρισε ότι τα αντικείμενα σε ελεύθερη πτώση δεν αισθάνονται τα βαρυτικά πεδία που τους τραβούν.
(Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι αστροναύτες σε τροχιά γύρω από τη Γη επιπλέουν. Σε συνεχή ελεύθερη πτώση, δεν βιώνουν το βαρυτικό πεδίο που τους κρατά σε τροχιά. Χωρίς παράθυρα, δεν θα ήξεραν ότι η Γη ήταν καθόλου εκεί.)
Τώρα, μια οποιαδήποτε εναλλακτική θεωρία της βαρύτητας έχει ένα ακόμη πιο περιορισμένο εύρος δυνατοτήτων που η θεωρία τους πρέπει να ταιριάζει, ώστε να ταιριάζει με αυτό που έχουμε δει.
Η νέα μελέτη δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature .
Αν χρησιμοποιήσουμε το 2ο νόμο του Νεύτωνα τότε η μάζα του σώματος στο νόμο αυτό λέγεται αδρανειακή. Αν όμως χρησιμοποιήσουμε το παγκόσμιο νόμο της βαρύτητας (ανάμεσα στη Γη και ένα σώμα) τότε η μάζα του σώματος στο νόμο της βαρύτητας, λέγεται βαρυτική.
Είναι όμως οι δύο μάζες (αδρανειακή και βαρυτική) ίσες; Αυτό ήταν ένα ερώτημα που βασάνισε αρχικά το Νεύτωνα και ύστερα το Γαλιλαίο με αυτή όμως την διατύπωση: Άραγε σώματα με διαφορετική μάζα επιταχύνονται εξίσου στο βαρυτικό πεδίο της Γης;.
Τα δύο αυτά ερωτήματα είναι ισοδύναμα. Ο νόμος βαρύτητας του Νεύτωνα δείχνει ότι η επιτάχυνση ενός σώματος, που βρίσκεται σε συγκεκριμένο σημείο του βαρυτικού πεδίου της Γης, εξαρτάται μόνο από τη μάζα της Γης, δηλαδή είναι η ίδια για κάθε σώμα με οποιαδήποτε μάζα που θα βρεθεί στο σημείο αυτό.
Η πρώτη εκδοχή της Αρχής της Ισοδυναμίας (Ασθενής Αρχή )
Με βάση τα παραπάνω, διατυπώθηκε η πρώτη από τις τρεις εκδοχές της Αρχής της Ισοδυναμίας, η γνωστή κι ως Ασθενής Αρχή της Ισοδυναμίας, η οποία εμφανίζεται υπό δύο ισοδύναμες μορφές: Την Αρχή Ισοδυναμίας του Γαλιλαίου “Σώματα με διαφορετική μάζα επιταχύνονται εξίσου εντός βαρυτικού πεδίου”, (γι αυτό και ονομάστηκε και ως “Αρχή της Ομοιόμορφης Ελεύθερης Πτώσης”) και την Αρχή Ισοδυναμίας του Νεύτωνα “Η αδρανειακή και η βαρυτική μάζα κάθε σώματος είναι ίσες μεταξύ τους”.
Η αρχή της ισοδυναμίας βαρύτητας και αδράνειας, που προβλέπει την ισότητα της βαρυτικής και της αδρανειακής μάζας, εκτός του Γαλιλαίου (1610) και Νεύτωνα (1680) είχε και έχει γίνει προσπάθεια πειραματικής επαλήθευσης και από άλλους: από τον Ιωάννη το Φιλόπονο της Αλεξανδρείας (490-570 μ.Χ.), τον Simon Stevin (1586), τον Friedrich Wilhelm Bessel (1832), μέχρι τον Loránd Eötvös (1908) που βρήκε ισότητα με ακρίβεια 1 προς 1 δισεκατομμύριο, τους Roll, Krotkov και Dicke (1964) με ακρίβεια 1 προς 100 δισεκατομμύρια και άλλους πολλούς, φτάνοντας σήμερα στη φανταστική ακρίβεια του 1 προς 1 τρισεκατομμύριο.
Η δεύτερη εκδοχή της Αρχής της Ισοδυναμίας (Ενδιάμεση ή Μετρίως Ισχυρή) ή του Einstein
Η ισοδυναμία αδρανειακής και βαρυτικής μάζας που στη θεωρία του Νεύτωνα ήταν μια απλή σύμπτωση, ενοχλούσε τον Αϊνστάιν. Ο Αϊνστάιν στήριξε τη θεωρία της Γενικής Σχετικότητας στην αρχή της ισοδυναμίας σύμφωνα με την οποία, δεν υπάρχει πείραμα που να μπορεί να διακρίνει ένα πεδίο βαρύτητας από μια ισοδύναμη ομαλή επιτάχυνση. Δηλαδή το ίδιο φυσικό φαινόμενο αποδίδεται είτε στην επιτάχυνση του συστήματος αναφοράς είτε στην επίδραση της βαρύτητας ανάλογα με το σύστημα αναφοράς. Έτσι ένα διαστημόπλοιο που περιστρέφεται στο διάστημα, δημιουργεί συνθήκες τεχνητής βαρύτητας.
Η προηγούμενη όμως Αρχή της Ισοδυναμίας, όπως την διατύπωσε ο Αϊνστάιν, είναι η δεύτερη εκδοχή, γνωστή και ως Ενδιάμεση (ή Μετρίως Ισχυρή) Αρχή της Ισοδυναμίας η οποία αναφέρεται από πολλούς συγγραφείς ως Αρχή Ισοδυναμίας του Αϊνστάιν, έχοντας συνδεθεί με τη θεωρία του. Βεβαίως στη θεωρία του ισχύει και η Ασθενής Αρχή της Ισοδυναμίας και ότι κάθε μη βαρυτικό φαινόμενο της Φυσικής, παρατηρούμενο από τοπικά αδρανειακό σύστημα αναφοράς, είναι ανεξάρτητο από το σημείο του σύμπαντος στο οποίο ευρίσκεται το εν λόγω σύστημα.
Ας τονιστεί ότι στην δεύτερη Αρχή της Ισοδυναμίας του Αϊνστάιν ή την Ενδιάμεση Αρχή δεν περιορίζεται μόνο στα φαινόμενα της κίνησης, όπως στην περίπτωση της Ασθενούς Αρχής, αλλά επεκτείνεται και σε άλλα, όπως εκείνα του ηλεκτρομαγνητισμού ή της σωματιδιακής φυσικής (όχι όμως, ακόμα, σε όλα!)
Η τρίτη εκδοχή ή Ισχυρή Αρχή της Ισοδυναμίας
Υπάρχει όμως και η τρίτη εκδοχή της Αρχής της Ισοδυναμίας: η Ισχυρή Αρχή της Ισοδυναμίας. Το περιεχόμενο της είναι ίδιο με την 2η εκδοχή (Ενδιάμεση Αρχή της Ισοδυναμίας), μόνο που αναφέρεται όχι μόνο στα μη βαρυτικά φαινόμενα της φυσικής, αλλά σε όλα τα φαινόμενα της φυσικής. Γι αυτό, η 3η Αρχή αφορά και φαινόμενα όπως, για παράδειγμα, μια πειραματική διάταξη για τη μέτρηση της βαρυτικής έλξης μεταξύ δύο σωμάτων προς επαλήθευση του Νόμου της Παγκόσμιας Έλξης (Ζυγός του Cavendish) ή τη βαρυτική έλξη μεταξύ των στοιχειωδών σωματιδίων που συγκροτούν τους πυρήνες των ατόμων ενός σώματος (Ενέργεια βαρυτικής Σύνδεσης) φαινόμενο μεγάλου ενδιαφέροντος σε ό,τι αφορά τον πειραματικό έλεγχο της Αρχής της Ισοδυναμίας.
Επιπτώσεις της Αρχής Ισοδυναμίας του Αϊνστάιν
Η Αρχή της Ισοδυναμίας (κυρίως η δεύτερη) έχει ορισμένες επιπτώσεις που έχουν επιβεβαιωθεί πειραματικά και άλλαξαν δραστικά τις απόψεις μας για την υπόσταση της βαρύτητας ως αλληλεπίδρασης.
Ένα φαινόμενο το οποίο προβλέπεται από την 2η Αρχή της Ισοδυναμίας είναι η καμπύλωση μιας φωτεινής ακτίνας εξαιτίας της βαρύτητας. Το 1919. αστρονομικές παρατηρήσεις της θέσης των άστρων που βρίσκονται κοντά στον Ήλιο έδειξαν ότι πραγματικά υπάρχει μια καμπύλωση της τροχιάς των φωτεινών ακτίνων που έρχονται από τα άστρα αυτά λόγω της βαρυτικής έλξης του Ηλίου. Το φαινόμενο αυτό το συναντάμε στις φωτεινές ακτίνες των μακρινών κβάζαρ όταν διέρχονται κοντά από ένα γαλαξία, οπότε οι ακτίνες κάμπτονται.
Υπάρχει όμως κι ένα άλλο επακόλουθο της αρχής της ισοδυναμίας: είναι η επίδραση της βαρύτητας στο χρόνο. Για να το καταλάβουμε ας θεωρήσουμε έναν κυκλικό δίσκο που περιστρέφεται γύρω από άξονα συνδεδεμένο με τη Γη. Στην περιφέρεια του δίσκου αυτού έχει τοποθετηθεί ένα ρολόι, ενώ ένα δεύτερο στον άξονα περιστροφής.
Τότε ο παρατηρητής που βρίσκεται στη Γη βλέπει το ρολόι της περιφέρειας να πηγαίνει πιο αργά από το ρολόι του άξονα περιστροφής, που είναι ακίνητο στο σύστημα αναφοράς της Γης. Ο παρατηρητής στη Γη δικαιολογεί τη διαφορά στις ενδείξεις των δύο ρολογιών από την ταχύτητα του ρολογιού, που κινείται με τον δίσκο και, άρα, υφίσταται το φαινόμενο της διαστολής του χρόνου που προβλέπει η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας.
Η δικαιολογία όμως αυτή δεν ισχύει για τον παρατηρητή που κινείται μαζί με το δίσκο. Γι’ αυτόν κανένα ρολόι δεν κινείται. Το κινούμενο ρολόι όμως υφίσταται, λόγω της κυκλικής κίνησης, μια φυγόκεντρο δύναμη, που δεν ασκείται στο ρολόι που βρίσκεται στον άξονα περιστροφής. Έτσι ο κινούμενος με το ρολόι παρατηρητής δικαιολογεί τη διαφορά χρόνου των δύο ρολογιών στο γεγονός ότι αυτά βρίσκονται υπό την επίδραση διαφορετικών πεδίων δυνάμεων. Σύμφωνα με αυτήν, ρολόγια που βρίσκονται σε ισχυρά βαρυτικά πεδία προχωρούν βραδύτερα από ρολόγια που βρίσκονται σε ασθενέστερα πεδία. Το φαινόμενο αυτό της επίδρασης της βαρύτητας πάνω στο χρόνο, γνωστό ως βαρυτική μετατόπιση, διαπιστώθηκε και πειραματικά με τη μετατόπιση των φασματικών γραμμών προς μικρότερες συχνότητες (προς το ερυθρό) εξαιτίας του πεδίου βαρύτητας της Γης ή του Ήλιου, ανάλογα στο πεδίο που γίνεται.
