Είναι η Γη σε μια δίνη του χωρόχρονου;

Πηγή: Science@NASA, 16 Νοεμβρίου 2005

Είναι η Γη σε μια δίνη του χωρόχρονου; Θα ξέρουμε σύντομα την απάντηση όταν ελεγχθούν ορισμένα δεδομένα, που συλλέχθηκαν από τα πειράματα φυσικής στην αποστολή Gravity Probe B (GP-B) της NASA και του Στάνφορντ. Η αποστολή τελείωσε πρόσφατα αφού για ένα χρόνο συγκεντρώνονταν επιστημονικά στοιχεία όταν ήταν σε γήινη τροχιά. Τα αποτελέσματα, που η ανάλυση τους θα κρατήσει ένα άλλο χρόνο, πρέπει να αποκαλύψουν τη μορφή του χωρόχρονου γύρω από τη Γη -- και, ενδεχομένως, τη δίνη

Αριστερά: Συστροφή του χωρόχρονου γύρω από τη Γη.

Ο χώρος και ο χρόνος, σύμφωνα με τις θεωρίες της σχετικότητας του Αϊνστάιν, βρίσκονται μαζί στον ίδιο ιστό τεσσάρων διαστάσεων, το λεγόμενο χωρόχρονο. Η τεράστια μάζα της Γης πτυχώνει αυτό το ύφασμα, σαν ένα βάρος που σχηματίζει τοπικά ένα 'πηγάδι' σε ένα επίπεδο ελαστικό φύλλο στη μέση του. Η βαρύτητα, λέει ο Αϊνστάιν, είναι απλά η κίνηση των αντικειμένων που ακολουθούν τις καμπύλες γραμμές αυτού του πηγαδιού.

Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα (όπως ο ήλιος μας), τόσο πιο πολύ τεντώνει το χωρόχρονο. Ενώ οι τροχιές των πλανητών απεικονίζονται ως οι διαδρομές που ακολουθούν μπίλιες διαφορετικών μαζών, οι οποίες κυλούν πάνω στο φύλλο του ελαστικού και παγιδεύονται στο βαθύ «πηγάδι» που περιβάλλει τον Ήλιο. Το μήλο, λόγου χάρη, δεν έλκεται προς τη Γη από μια δύναμη, αλλά απλώς κυλάει μέσα στο τοπικό «πηγάδι» του χωρόχρονου που δημιουργήθηκε από τη Γη.

Στο Gravity Probe B έγιναν δύο πειράματα. Το ένα ήταν να εξεταστεί 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.

Εάν η Γη ήταν στάσιμη, αυτό θα ήταν το τέλος της ιστορίας. Αλλά η Γη δεν είναι στάσιμη. Οι πλανήτες μας στρέφονται, και η ιδιοπεριστροφή πρέπει να συστρέφει (να στροβιλίζει) το πηγάδι, ελαφρώς, τραβώντας το γύρω σε στρόβιλο των 4 διαστάσεων. Είναι αυτό που πήγε να ελέγξει το GP-Β στο διάστημα.

Η ιδέα πίσω από το πείραμα είναι απλή:

Να βάλουμε ένα περιστρεφόμενο γυροσκόπιο σε τροχιά γύρω από τη Γη, με τον άξονα περιστροφής του να δείχνει προς κάποιο απόμακρο αστέρι ως σταθερό σημείο αναφοράς. Απαλλαγμένος από τις εξωτερικές δυνάμεις, ο άξονας του γυροσκοπίου πρέπει να συνεχίσει να δείχνει στο αστέρι -- για πάντα. Αλλά εάν το διάστημα είναι σε στροβιλισμό, η κατεύθυνση του άξονα του γυροσκοπίου θα πρέπει να παρασύρεται όσο περνάει ο χρόνος. Αν παρατηρήσουμε αυτή την αλλαγή στην κατεύθυνση σχετικά με το σταθερό αστέρι, θα μπορούσαν να μετρηθούν οι συστροφές του χωρόχρονου.

Στην πράξη, όμως, το πείραμα είναι παρά πολύ δύσκολο να γίνει.

Τα τέσσερα γυροσκόπια μέσα στο σκάφος GP-Β είναι οι τελειότερες σφαίρες που έγιναν ποτέ από τους ανθρώπους. Αυτές οι μεταλλικές σφαίρες - στο μέγεθος μιας μπάλας του πινγκ-πονγκ - από λιωμένο χαλαζία και πυρίτιο διαμέτρου 3.81 εκατοστών,  δεν μεταβάλλονται ποτέ από μια τέλεια σφαίρα περισσότερα από 40 ατομικά στρώματα. Εάν τα γυροσκόπια δεν ήταν τόσο σφαιρικά, οι άξονες περιστροφής τους θα ταλαντεύονταν ακόμη και χωρίς τα αποτελέσματα της σχετικότητας.

Σύμφωνα με τους υπολογισμούς, ο στροβιλισμός του χωρόχρονου γύρω από τη Γη πρέπει να αναγκάσει τους άξονες των γυροσκοπίων να παρασυρθούν μόνο κατά 0,041 δεύτερα του τόξου κατά τη διάρκεια ενός έτους. Ένα δεύτερο δε είναι το 1/3600 της μιας μοίρας. Για να μετρήσει αυτήν την γωνία με ακρίβεια, το GP-V χρειάστηκε μια φανταστική ακρίβεια 0.0005 δεύτερων. Είναι σαν να μετράμε το πάχος ενός φύλλου χαρτιού που βρίσκεται 200 χιλιόμετρα μακριά.

Οι ερευνητές του GP-Β εφηύραν εξολοκλήρου νέες τεχνολογίες για να το κατορθώσουν. Ανέπτυξαν έναν δορυφόρο "ελεύθερο έλξης", που θα μπορούσε να γλιστράει στα εξωτερικά στρώματα της γήινης ατμόσφαιρας χωρίς τη διατάραξη των γυροσκοπίων. Υπολόγισαν πώς να κρατήσουν το γήινο μαγνητικό πεδίο μακριά από το διαστημικό σκάφος. Και παρασκεύασαν μια συσκευή για να μετρήσουν την περιστροφή ενός γυροσκοπίου -- χωρίς να αγγίξουν το γυροσκόπιο.

Η πρόκληση από το πείραμα ήταν μεγάλη. Οι επιστήμονες του GP-V αφιέρωσαν πολύ χρόνο και χρήματα για να το κάνουν

Εικόνα: Ένα από τα σφαιρικά γυροσκόπια Gravity Probe Β.

"Δεν υπήρξαν κάποιες σημαντικές εκπλήξεις" στην απόδοση του πειράματος, λέει ο καθηγητής της φυσικής Francis Everitt, ο κύριος υπεύθυνος για το πείραμα GP-V στο πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. Τώρα που όλα τα στοιχεία είναι πλήρη, λέει ότι υπάρχει μεγάλος ενθουσιασμός μεταξύ των επιστημόνων του GP-V και γίνεται σκληρή δουλειά.

Είναι δε εν εξελίξει μια προσεκτική, λεπτομερής ανάλυση των στοιχείων. Οι επιστήμονες θα την κάνουν σε τρία στάδια, εξηγεί ο Everitt. Κατ' αρχάς, θα εξετάσουν τα στοιχεία από κάθε ημέρα του χρόνου που κράτησε το πείραμα, ελέγχοντας για παρατυπίες. Έπειτα θα διασπάσουν τα στοιχεία σε, κατά προσέγγιση, μηνιαία κομμάτια, και τελικά θα εξετάσουν ολόκληρο το έτος. Κάνοντας αυτή τη διαδικασία οι επιστήμονες πρέπει να είναι σε θέση να βρουν οποιαδήποτε προβλήματα, που με μια απλούστερη ανάλυση θα μπορούσαν να τα χάσουν.

Τελικά επιστήμονες σε όλο τον κόσμο θα διερευνήσουν τα στοιχεία, λέει ο Everitt, "θέλουμε τους πιο αυστηρούς κριτικούς για μας".

Οι στόχοι είναι υψηλοί. Εάν ανιχνεύσουν οι επιστήμονες τη δίνη, όπως ακριβώς αναμένεται, αυτό απλά σημαίνει ότι ο Αϊνστάιν ήταν σωστός και πάλι. Αλλά εάν δεν είναι; Τότε μπορεί να υπάρχει μια ρωγμή στη θεωρία του Αϊνστάιν, μια μικροσκοπική απόκλιση που θα ανακοινώνει μια επανάσταση στη φυσική.

Κατ' αρχάς, υπάρχουν πολλά στοιχεία για ανάλυση. Μέχρι τότε μείνετε λοιπόν συντονισμένοι.