Επιτέλους! Μετά από 45 χρόνια ξεκινά ένα πείραμα της βαρύτητας με το σκάφος Gravity Probe B

Από την ιστοσελίδα των New York Times, 13 Απριλίου 2004

Το 1959  έπεσε η πρώτη ιδέα από τρεις επιστήμονες του Στάνφορντ να γίνει ένα πείραμα που να επιβεβαιώνει την καρδιά της κληρονομιάς του Αλβέρτου Αϊνστάιν, την Γενική Θεωρία της Σχετικότητας.

Τώρα, 45 χρόνια μετά και έχοντας ξοδευτεί 700 εκατομμύρια δολάρια, το όνειρό τους αρχίζει να υλοποιείται. Ένα σκάφος με το περίεργο όνομα Gravity Probe B (διερευνητής βαρύτητας) βρίσκεται πάνω σε έναν πύραυλο στη βάση της Πολεμικής Αεροπορίας των ΗΠΑ Vandenberg στην Καλιφόρνια. Πρόκειται να προωθηθεί σε τροχιά την επόμενη Δευτέρα (19 Απριλίου) σε μια δεκαοκτάμηνη αποστολή.

Κατά τη διάρκεια αυτών των 45 ετών, έχουν απονεμηθεί σχεδόν 100 διδακτορικά στο Στάνφορντ και αλλού με θέμα αυτό το πρόγραμμα. Προς αναζήτηση του στόχου τους, οι μηχανικοί έχουν φτιάξει τις πιο τέλειες σφαίρες που έχουν γίνει ποτέ καθώς και το μεγαλύτερο θερμομονωτικό δοχείο που πέταξε ποτέ στο διάστημα.

"Το πρόγραμμα ακυρώθηκε επτά φορές και άλλες τόσες συνεχίστηκε", αναφέρει ο Δρ C. W. Francis Everitt, ένας φυσικός του Στάνφορντ, που συμμετείχε στο πρόγραμμα το 1962 και είναι τώρα ο επικεφαλής του.

Το νέο πείραμα

Το πείραμα οργανώνεται για να εξετάσει μία από τις πιο εσωτερικές προβλέψεις της θεωρίας της βαρύτητας του Einstein, τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, η οποία έχει προβλέψει την ύπαρξη των μαύρων οπών. Το σκάφος περιέχει τέσσερα γυροσκόπια για να μετρήσει εάν και πώς η Γη που περιστρέφεται συστρέφει το χωρόχρονο γύρω της, όπως τα φύλλα σε έναν ανεμοστρόβιλο.

Οι απαντήσεις, λέει ο Everitt οι συνάδελφοί του και η NASA, θα δώσουν στους φυσικούς ακριβείς μετρήσεις για τους τρόπους που η ύλη στρεβλώνει το χωρόχρονο για να παραγάγει το φαινόμενο της βαρύτητας. Αυτό θα τους επιτρέψει να καταλάβουν με ποιο τρόπο οι μαύρες οπές δημιουργούν τις τεράστιες ενέργειες των κβάζαρ, και ίσως βρει αποδεικτικά στοιχεία νέων δυνάμεων στο Σύμπαν.

"Εάν δουλέψει τόσο καλά όσο εμείς σκεφτόμαστε, θα δοκιμάσουμε τη θεωρία του Einstein 10 έως 100 φορές καλύτερα από οποιοδήποτε άλλο προηγούμενο πείραμα", αναφέρει ο Everitt.

Αλλά άλλοι επιστήμονες λένε ότι δεν υπάρχει περίπτωση, εκτός κι αν συμβεί καμιά έκπληξη, να βγει μια νέα φυσική (με νέες κρυμμένες διαστάσεις) με το πείραμα των γυροσκοπίων. Οι, όλο και περισσότερο, ακριβείς παρατηρήσεις των δορυφόρων, του δικού μας φεγγαριού, των πλανητών και άλλων σωμάτων κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών ήδη έχουν καταλήξει στο συμπέρασμα ότι η Γενική Σχετικότητα είναι σωστή, τουλάχιστον στα όρια της αναμενόμενης ακρίβειας του πειράματος του Στάνφορντ.

Ακόμα, ο Kip Thorne, ένας φυσικός στο Τεχνολογικό Ίδρυμα της Καλιφόρνιας, που δεν είναι μέλος της ομάδας, είπε ότι είναι σημαντικό να γίνει μια άμεση μέτρηση της Γενικής Θεωρίας χωρίς αστρονομικές αβεβαιότητες ή θεωρητικά πλαίσια.

Εάν η Γενική Σχετικότητα αποτύχει - όπως θεωρούν οι περισσότεροι θεωρητικοί ότι πρέπει τελικά - είναι πιθανό να αποτύχει με ένα εκπληκτικό τρόπο, είπε.

Οποιαδήποτε απόκλιση από τη Γενική Σχετικότητα θα ήταν "ένα σημαντικό αποτέλεσμα", είπε ο Thorne. Αλλά ακόμα κι αν βρεθεί ότι τα νέα πειράματα συμφωνούν με αυτή, κατέληξε, θα είναι ένα ορόσημο, στα βιβλία για χρόνια, μια σημαντική κληρονομιά για τις μελλοντικές γενεές".

Από τον περασμένο αιώνα

Η έμπνευση για το πείραμα της βαρύτητας ξεκινάει από το 19ο αιώνα και τον αυστριακό φυσικό και φιλόσοφο Ernst Mach. Είχε δηλώσει τότε ότι όλη η κίνηση ήταν σχετική, και είχε σκεφτεί ότι επομένως και η αδράνεια οποιουδήποτε αντικειμένου στον κόσμο καθοριζόταν από τη σχέση της με οτιδήποτε άλλο μέσα στο σύμπαν.

Ο Einstein πήρε υπ' όψιν του την Αρχή του Mach, και ήταν μέρος της έμπνευσης του για τη Γενική Σχετικότητα. Αυτή η θεωρία περιγράφει πως ο χωρόχρονος αναγκάζει τους πλανήτες, τα μήλα που πέφτουν στη γη και τις ακτίνες του φωτός, να ακολουθήσουν κυρτές τροχιές αντί ευθειών.

Αλλά σε μια συστροφή Mach, φάνηκε ότι η περιστρεφόμενη ύλη θα μπορούσε όχι μόνο να κάνει 'βαθούλωμα' στο χώρο (διάστημα), αλλά και να το αναγκάσει να στραφεί.

Συστροφή χωρόχρονου

Κάθε ογκώδες περιστρεφόμενο αντικείμενο θα σέρνει 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.

Το φαινόμενο, που λέγεται Frame Dragging, είναι τόσο μικρό κοντά στη Γη, που οι φυσικοί για δεκαετίες δεν μπορούσαν να το εξετάσουν. Σε ένα χρόνο αυτή η στροφή θα ήταν περίπου το 1/100.000 της μιας μοίρας - περίπου το πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας όπως φαίνεται από μισό χιλιόμετρο μακριά.

Αλλά το 1959, ο Leonard Schiff του Στάνφορντ (και ανεξάρτητα από αυτόν ο George Pugh), πρότειναν ότι γυροσκόπια στο διάστημα θα μπορούσαν να κάνουν αυτό το πείραμα. Σύντομα, κολυμπώντας σε μια πισίνα, ο Schiff και ο William Fairbank, επίσης του Στάνφορντ, στρατολόγησαν έναν συνάδελφο τους, το Robert Cannon, έναν καθηγητή της αεροναυτικής που ήταν επίσης εμπειρογνώμονας πάνω στα γυροσκόπια. Το 1962 συνεργάστηκαν και με τον Everitt, ένα νέο τότε βρετανό φυσικό.

Το 1964 η NASA έδωσε στην ομάδα του Στάνφορντ την ευκαιρία να μελετήσουν την ιδέα. Ενώ η ομάδα του Στάφορντ έφτιαχνε τα γυροσκόπια η  Lockheed Martin έφτιαχνε το σκάφος που θα τα μετέφερε στο διάστημα.

Καθώς η κατασκευή του σκάφους προχωρούσε, η NASA έστειλε ανθρώπους στο φεγγάρι και στον Άρη. Ο πόλεμος του Βιετνάμ άρχισε και τελείωσε. Το Παγκόσμιο Εμπορικό Κέντρο κτίστηκε και έπεσε. Ο Διερευνητής της Βαρύτητας Α, το Gravity Probe A,  που πέταξε στις 18 Ιουνίου 1976, έδειξε με ποιο τρόπο η βαρύτητα έχει επιπτώσεις στο ρυθμό που κτυπούν τα ρολόγια.

Το προηγούμενο είναι γνωστό σε πολλούς επιστήμονες, σαν το "Πείραμα του Ρολογιού" ή το "Πείραμα της Ερυθρής Μετατόπισης (Red Shift)". Στο πείραμα αυτό είχαν γίνει πειράματα για να δοκιμάσουν την ισχύ της Αρχής Ισοδυναμίας του Einstein.

Εν τω μεταξύ, ο Leonard  Schiff πέθανε το 1971 και ο Fairbank, το 1989. Το 1979 ο Cannon επέστρεψε από το Caltech στο Στάνφορντ και ο Everitt, είναι τώρα 69 ετών ενώ τότε ήταν μόλις 28.

Γυροσκόπια και Squids

Έτσι φτάσαμε στο 2004.

Στην καρδιά της συσκευής, είναι τα γυροσκόπια. Που έχουν απομονωθεί όσο γίνεται περισσότερο από όλο τον υπόλοιπο κόσμο. Είναι τέσσερις σφαίρες από χαλαζία ελαφρώς μεγαλύτερες από τις σφαίρες του γκολφ. Θεωρούνται τα τελειότερα σφαιρικά αντικείμενα που έχουν κατασκευαστεί ποτέ στον κόσμο. Τόσο σφαιρικά και χωρίς εξογκώματα είναι, από τα οποία εξέχουν μόνο 40 στρώματα ατόμων.

Για σύγκριση, αν η Γη ήταν τόσο τέλεια σφαιρική, το πιο ψηλό βουνό της θα ήταν 20 πόντους.

Στο διάστημα, θα αιωρούνται με τη βοήθεια ηλεκτρικών πεδίων και θα περιστρέφονται 10.000 φορές ανά λεπτό μέσα σε ένα τηλεσκόπιο χαλαζία, που θα έχει ένα σταθερό άξονα αναφοράς. Την κατεύθυνση ενός άστρου οδηγού, του IM Pegasi.

Για να σιγουρευτούν οι επιστήμονες ότι καμία εξωτερική επίδραση δεν θα δημιουργήσει καμιά ταλάντευση στις περιστρεφόμενες σφαίρες, το τηλεσκόπιο θα πλέει ελεύθερα μέσα σε ένα εξωτερικό διαστημικό σκάφος εξοπλισμένο με έρμα για να αισθανθεί και να μετρήσει οποιαδήποτε έλξη δημιουργηθεί από υπάρχουσες μικροποσότητες της ατμόσφαιρας εκεί πάνω.

Περιβάλλεται επίσης από μια υπεραγωγική φιάλη μολύβδου που τα προστατεύει από τα μαγνητικά πεδία. Και ολόκληρη η συσκευή ψύχεται από υγρό ήλιο, με θερμοκρασία λιγότερο από 2 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν.

Αλλά δεν είναι μόνο αυτό. Αφού απομονωθούν τα γυροσκόπια από τον υπόλοιπο κόσμο και ευθυγραμμιστούν με το άστρο IM Pegasi, πρέπει να ελέγξουν οι επιστήμονες με ποιο τρόπο περιστρέφονται.

Για αυτόν τον λόγο, οι σφαίρες από χαλαζία είναι καλυμμένες με νιόβιο, το οποίο χάνει όλη την ηλεκτρική του αντίσταση σε αυτές τις θερμοκρασίες. Κατά συνέπεια, όταν περιστρέφονται οι σφαίρες, μερικά από τα ηλεκτρόνια στο νιόβιο ξεφεύγουν από τα άτομά τους. Η σχετική κίνησή τους δημιουργεί ένα μικρό ρεύμα που παράγει ένα μικροσκοπικό μαγνητικό πεδίο, που ανακαλύπτεται από ανιχνευτές γνωστούς ως SQUIDS (Υπεραγωγικές Συσκευές Κβαντικής Συμβολής), τοποθετημένους γύρω από το γυροσκόπιο.

Τα SQUIDS έχουν δύο αποστολές. Η μία είναι να μετρηθεί ο συστροφή του χωρόχρονου λόγω περιστροφής της Γης (Frame Dragging), που θα ανάγκαζε τα γυροσκόπια να στραφούν στην κατεύθυνση της γήινης περιστροφής. Η άλλη είναι να μετρηθεί μια παράμετρος που ονομάζεται γάμμα, ή με άλλα λόγια πόση είναι η ύλη που αναγκάζει τη γεωμετρία του χώρου να παρεκκλίνει από την "επίπεδη" ευκλείδια γεωμετρία. Επειδή η Γη κάνει το χωρόχρονο γύρω της να υποστεί ένα 'βαθούλωμα', μια κυκλική τροχιά γύρω από τη Γη θα πρέπει να αποδειχθεί ότι έχει μια περιφέρεια ελαφρώς μικρότερη από το γνωστό  τύπο π*d (όπου d η διάμετρος της τροχιάς).

Αυτό το μικρότερο μήκος της περιφέρειας, που ο Everitt την ονομάζει "ελλείπον μήκος", θα πρέπει να αναγκάσει τα γυροσκόπια να στραφούν σε μια κάθετο κατεύθυνση προς το γήινο άξονα περιστροφής. Μερικοί φυσικοί θεωρούν την παράμετρο γάμμα ως την πιο ενδιαφέρουσα μέτρηση του στροβιλισμού του χωρόχρονου, επειδή πολλές από τις πιο εξωτικές υποθέσεις τους, όπως οι κρυμμένες πρόσθετες διαστάσεις και οι άγνωστες δυνάμεις που διαπερνούν το διάστημα, θα μπορούν να αναγκάσουν τη τιμή της παραμέτρου γάμμα να παρεκκλίνει από την πρόβλεψη του Einstein ακριβώς κατά 1,0.

Ο τεχνολογικός εξοπλισμός του Διερευνητή της Βαρύτητας είναι πολύ καλός και έχει ενσωματωθεί και σε άλλα προγράμματα. Ο εξοπλισμός του για την ψύξη με το υγρό ήλιο, παραδείγματος χάριν, χρησιμοποιήθηκε και στον δορυφόρο υπέρυθρης αστρονομίας Iras το 1983.

Αλλά η επιστημονική κληρονομιά του είναι λιγότερο καθαρή.

Τα πειράματα

Αν και το φαινόμενο της συστροφής του χωρόχρονου (frame dragging) δεν έχει ανιχνευθεί άμεσα, οι αστρονόμοι λένε ότι έχει μετρηθεί έμμεσα. Πέρυσι μια ομάδα ιταλών φυσικών υποστήριξε ότι την έχει μετρήσει με ένα περιθώριο λάθους, περίπου, 20% με την ανάλυση των στοιχείων που πάρθηκαν από τους δύο δορυφόρους Lageos. Όμως, τα επόμενα χρόνια θα μπορούσαν να εκτοξευτούν περισσότεροι δορυφόροι για να μειώσουν το περιθώριο του λάθους σε 1%, την ακρίβεια στην οποία στοχεύει το Gravity Probe B.

Εν τω μεταξύ, τον περασμένο Σεπτέμβριο, αστρονόμοι υποστήριξαν ότι είχαν μετρήσει την παράμετρο γάμμα από τα ραδιοσήματα συγχρονισμού καθώς όδευαν προς τη Γη από το διαστημικό σκάφος Cassini, το οποίο πλησιάζει τον Κρόνο. Τα σήματα καθυστέρησαν καθώς πέρασαν κοντά από τον ήλιο - ο οποίος λόγω της μεγάλης μάζας του κυρτώνει το χώρο - βυθιζόμενα στην βαρυτική του στρέβλωση. Οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι η παράμετρος γάμμα ήταν ίση με την τιμή που έδωσε ο Einstein 1,0 με μια ακρίβεια περίπου ενός μέρους προς 40.000.

Πριν ένα χρόνο πριν, όταν απέτυχε το διαστημικό σκάφος να κάνει μια σημαντική δοκιμή, η NASA συγκάλεσε επιτροπές από μηχανικούς και φυσικούς για να καθορίσει εάν πρόκειται να συνεχιστεί η αποστολή.

Όλοι τότε κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι πράγματι είχε υπάρξει "διάβρωση" στην αποστολή του Probe Gravity B, ιδιαίτερα όσον αφορά τη μέτρηση του γάμμα. Εντούτοις, ανέφεραν, ότι χρειάζεται να γίνει η αποστολή δεδομένου ότι θα εκτελέσει ένα πείραμα φυσικής ακρίβειας στο διάστημα.

Τον περασμένο Νοέμβριο, ένα μήνα προτού το σκάφος πετάξει ηλεκτρικά προβλήματα καθυστέρησαν την πτήση για τέσσερις μήνες.

Μετά από πολλά χρόνια και πολλά χρήματα, η NASA θεωρεί ότι η πτήση είναι ασφαλής.

Και ο διάσημος κοσμολόγος στο πανεπιστήμιο του Σικάγου και πρόεδρος της επιτροπής αναθεώρησης, Michael Turner είπε ότι όλοι θέλουν να δουν να πετυχαίνει η αποστολή. Ενώ ο Everitt ανέφερε ότι ήθελε να γίνει πιο γρήγορα αλλά και "Τα μεσαιωνικά κτίρια των καθεδρικών ναών πήραν περισσότερο χρόνο για να τελειώσουν."