Кредит за изображение: НАСА / JPL
Рано или късно царуването на Айнщайн, подобно на царуването на Нютон преди него, ще се свърши. Подемът в света на физиката, който ще свали представите ни за основна реалност, е неизбежен, смятат повечето учени, и в момента се провежда конна надпревара между шепа теории, които се състезават за наследник на трона.
В движение са такива идеи за огъване на ума, като 11-измерена вселена, универсални „константи“ (като силата на гравитацията), които варират в пространството и времето и остават наистина фиксирани в невиждано 5-то измерение, безкрайно минимални вибриращи струни като основни съставки на реалността и тъкан от пространство и време, която не е гладка и непрекъсната, както Айнщайн вярваше, но разделена на дискретни, неделими парчета с изчезващо малки размери. Експериментът в крайна сметка ще определи кои триумфира.
Нова концепция за експеримент за тестване на прогнозите за относителността на Айнщайн по-точно от всякога е разработена от учени в лабораторията за реактивни двигатели на НАСА (JPL). Тяхната мисия, която ефективно използва нашата слънчева система като гигантска лаборатория, би помогнала за стесняване на полето на протичащите теории и ще ни доближи с една крачка към следващата революция във физиката.
Къща разделена
Може да не тежи сериозно на умовете на повечето хора, но голяма разкола отдавна е поразила нашето фундаментално разбиране за Вселената. В момента съществуват два начина за обяснение на природата и поведението на пространството, времето, материята и енергията: относителността на Айнщайн и „стандартния модел“ на квантовата механика. И двете са изключително успешни. Глобалната система за позициониране (GPS), например, не би била възможна без теорията за относителността. Компютрите, телекомуникациите и Интернет междувременно са отклонения на квантовата механика.
Но двете теории са като различни езици и никой все още не е сигурен как да превежда между тях. Относителността обяснява гравитацията и движението, като обединява пространството и времето в 4-измерена, динамична, еластична тъкан на реалността, наречена пространство-време, която е огъната и изкривена от енергията, която съдържа. (Масата е една форма на енергия, така че тя създава гравитация чрез изкривяване на пространството и времето.) Квантовата механика, от друга страна, предполага, че пространството и времето образуват плосък, неизменен „етап“, на който се развива драмата на няколко семейства частици. , Тези частици могат да се движат както напред, така и назад във времето (нещо относителността не позволява), а взаимодействията между тези частици обясняват основните сили на природата - с изключителното изключение на гравитацията.
Застоя между тези две теории продължава от десетилетия. Повечето учени предполагат, че по някакъв начин в крайна сметка ще бъде разработена обединяваща теория, която обхваща двете, показвайки как истините, които съдържат, могат да се впишат добре в една, всеобхватна рамка на реалността. Подобна „Теория на всичко“ би повлияла дълбоко на нашите знания за раждането, еволюцията и евентуалната съдба на Вселената.
Слава Туришев, учен от JPL, и неговите колеги са измислили начин да използват Международната космическа станция (МКС) и два мини сателита, орбитиращи в далечната страна на Слънцето, за да тестват теорията на относителността с безпрецедентна точност. Тяхната концепция, разработена отчасти чрез финансиране от Службата за биологични и физически изследвания на НАСА, би била толкова чувствителна, че би могла да разкрие недостатъци в теорията на Айнщайн, като по този начин предостави първите твърди данни, необходими за разграничаване коя от конкуриращите се теории за всичко е съгласна с реалността и които са просто фантазия с креда.
Експериментът, наречен лазерен астрометричен тест за относителност (LATOR), ще разгледа как гравитацията на слънцето отклонява лъчи на лазерна светлина, излъчвана от двата мини сателита. Гравитацията огъва пътя на светлината, защото изкривява пространството, през което преминава светлината. Стандартната аналогия за това изкривяване на пространството-времето чрез гравитация е да си представим пространството като плосък лист гума, който се простира под тежестта на предмети като слънцето. Депресията в листата би накарала един предмет (дори безмасова частица светлина), минаващ в близост до слънцето, да се обърне леко, докато минаваше.
Всъщност именно чрез измерване на огъването на звездна светлина от слънцето по време на слънчево затъмнение през 1919 г. сър Артър Едингтън за първи път изпробва теорията на общата относителност на Айнщайн. В космическо отношение гравитацията на слънцето е доста слаба; пътят на лъчева светлина, прескачаща ръба на Слънцето, ще бъде огънат само с около 1.75 арсекунди (дъга е 1/3600 от градус). В границите на точността на своето измервателно оборудване Едингтън показа, че звездната светлина наистина се огъва от това количество - и по този начин ефективно възпрепятства Нютон.
LATOR би измерил това отклонение с милиард (109) пъти повече от точността на експеримента на Едингтън и с 30 000 пъти повече от точността на сегашния рекордьор: безсмислено измерване, използващо сигнали от космическия кораб Касини на път да изследва Сатурн.
„Мисля, че [LATOR] би бил доста важен напредък за фундаменталната физика“, казва Клифърд Уил, професор по физика в Университета във Вашингтон, който е направил голям принос в пост-нютоновата физика и не е пряко ангажиран с LATOR. „Трябва да продължим да се опитваме да настояваме за по-голяма точност при тестване на общата относителност, просто защото всяко отклонение ще означава, че има нова физика, за която не бяхме наясно преди.“
Слънчева лаборатория
Експериментът би работил така: Два малки спътника с ширина около един метър ще бъдат изстреляни в орбита, обикаляща слънцето на приблизително същото разстояние като Земята. Тази двойка мини спътници ще орбитира по-бавно, отколкото Земята, така че около 17 месеца след изстрелването, мини сателитите и Земята ще бъдат на противоположните страни на Слънцето. Въпреки че двата спътника са на разстояние около 5 милиона км, ъгълът между тях, гледан от Земята, би бил малък, само около 1 градус. Заедно двата спътника и Земята биха образували мършав триъгълник, с лазерни лъчи по протежение на страните му, а един от тези лъчи минава близо до слънцето.
Туришев планира да измери ъгъла между двата спътника с помощта на интерферометър, монтиран на МКС. Интерферометърът е устройство, което улавя и комбинира лъчи светлина. Чрез измерване на това как вълните светлина от двата мини сателита се „намесват“ един в друг, интерферометърът може да измерва ъгъла между спътниците с изключителна точност: около 10 милиарда арсекунда или 0,01? (Микро-дъги секунди). Когато се вземат предвид точността на другите части на LATOR дизайна, това дава обща точност за измерване колко гравитация огъва лазерния лъч от около 0,02?, Колкото за едно измерване.
„Използването на МКС ни дава няколко предимства“, обяснява Туришев. „От една страна, тя е над изкривяванията на земната атмосфера, а също така е достатъчно голяма, за да ни позволи да поставим двете лещи на интерферометъра далеч един от друг (по една леща на всеки край на фермата на слънчевия панел), което подобрява разделителната способност и точността на резултати. "
Точността на LATOR от 0,02 е достатъчно добра, за да разкрие отклонения от относителността на Айнщайн, предвидени от амбициозните теории на всичко, които варират от приблизително 0,5 до 35 °. Съгласието с измерванията на LATOR би било основен стимул за която и да е от тези теории. Но ако не се намери отклонение от Айнщайн дори от LATOR, повечето от настоящите претенденти - заедно с техните 11 измерения, пикселирано пространство и непостоянни константи - ще претърпят фатален удар и ще „преминат“ към тази велика прашна библиотека в небето ,
Тъй като мисията изисква само съществуващи технологии, Туришев казва, че LATOR може да бъде готов да лети веднага след 2009 или 2010 г. Така че може да не е много дълго, преди да се прекъсне безизходицата във физиката и нова теория за гравитацията, пространството и времето да отнеме трон.
Оригинален източник: НАСА / Science Story
