Test Einsteinove opće relativnosti ima velike implikacije


Istraživači su za izvođenje koristili satelit koji kruži oko Zemlje ultraprecizan test temeljne premise Einsteinove teorije opće relativnosti, koja je moderna teorija gravitacije. Pitanje je jesu li dvije različite vrste mase — gravitacijska i inercijalna — identične. Znanstvenici su otkrili da su dva objekta na satelitu pala prema Zemlji istom brzinom, s točnošću od jednog dijela u kvadrilijunu. Ovaj uspješan test Einsteinove teorije ima značajne implikacije na trenutne kozmičke misterije – na primjer, pitanje postoje li tamna materija i tamna energija.

Zavaravanje starih

Gravitacija je sila koja drži svemir na okupu, povlačeći udaljene galaksije i vodeći ih u vječnom kozmičkom plesu. Snagom gravitacije djelomično upravlja udaljenost između dvaju objekata, ali također i masa objekata. Objekt s većom masom doživljava veću gravitaciju. Tehnički naziv za ovu vrstu mase je “gravitacijska masa”.

Masa ima još jedno svojstvo, koje bismo mogli nazvati inercijom. To je sklonost objekta da se odupre promjenama u kretanju. Drugim riječima, teže se pomiču masivnije stvari: lakše je gurati bicikl nego auto. Tehnički naziv za ovu vrstu mase je “inercijalna masa”.

Nema razloga prvi pretpostaviti da su gravitacijska masa i inercijalna masa iste. Jedan upravlja silom gravitacije, dok drugi upravlja kretanjem. Da su različiti, teški i laki predmeti padali bi različitim brzinama, a doista su filozofi u staroj Grčkoj primijetili da čekić i pero različito padaju. Čini se da teški predmeti padaju brže od lakih. Sada znamo da je krivac otpor zraka, ali to u prošlosti nije bilo očito.

Situacija se razjasnila 17th stoljeća, kada je Galileo izveo niz eksperimenata koristeći rampe i kugle različitih masa kako bi pokazao da objekti različitih masa padaju istom brzinom. (Njegov često citirani eksperiment ispuštanja lopti s tornja u Pisi vjerojatno je apokrif.) A 1971. astronaut David Scott uvjerljivo ponovio Galilejev eksperiment na bezzračnom Mjesecu, kada je ispustio čekić i pero, pa su identično pali. Stari Grci su bili prevareni.

Mračna pretpostavka

Tvrdnja da su inercijalna i gravitacijska masa iste poznata je kao načelo ekvivalencije, a Einstein je ekvivalenciju ugradio u svoju teoriju gravitacije. Opća teorija relativnosti uspješno predviđa kako objekti padaju u većini okolnosti, a znanstvena zajednica je prihvaća kao najbolju teoriju gravitacije.

Pametniji brže: Big Think bilten

Pretplatite se za kontraintuitivne, iznenađujuće i dojmljive priče koje se dostavljaju u vašu pristiglu poštu svakog četvrtka

Međutim, “većina” okolnosti ne znači “sve”, a astronomska promatranja otkrila su neke zbunjujuće misterije. Kao prvo, galaksije rotiraju brže nego što njihove zvijezde i plinovi u njima mogu objasniti ili nego što Einsteinova teorija gravitacije može objasniti. Najprihvaćenije objašnjenje za ovu razliku je postojanje supstance koja se zove tamna tvar – materija koja ne emitira svjetlost. Još jedna kozmička zagonetka je opažanje da se širenje Svemira ubrzava. Kako bi objasnili ovu neobičnost, znanstvenici su pretpostavili da je svemir pun odbojnog oblika gravitacije koji se naziva tamna energija.

Međutim, ovo su pitanja utemeljenih nagađanja. Moguće je da ne razumijemo u potpunosti gravitaciju ili zakone gibanja. Prije nego što možemo imati ikakvo povjerenje da su tamna tvar i tamna energija stvarne, moramo potvrditi Einsteinovu teoriju opća relativnost s vrlo visokom preciznošću. Da bismo to učinili, moramo pokazati da je načelo ekvivalencije istinito.

Dok je Isaac Newton testirao načelo ekvivalencije još u 1600-ima, moderni pokušaji su mnogo točniji. U 20. stoljeću astronomi su odbili lasere od ogledala koje su astronauti Apolla ostavili na Mjesecu kako bi pokazali da su inercijalna i gravitacijska masa iste s točnošću od jednog dijela u 10 trilijuna. To je postignuće bilo impresivno. Ali najnoviji eksperiment otišao je još dalje.

Opća teorija relativnosti prolazi još jedan test

Skupina istraživača pod nazivom Mikroskop kolaboracija lansirala je satelit u svemir 2016. Cilindri od titana i platine bili su na brodu, a namjera znanstvenika bila je testirati princip ekvivalencije. Postavljanjem aparata u svemir izolirali su opremu od vibracija i malih gravitacijskih razlika koje stvaraju obližnje planine, podzemna nalazišta nafte i minerala i slično. Znanstvenici su pratili položaj cilindara pomoću električnih polja. Ideja je da bi, ako bi dva objekta kružila različito, trebala koristiti dva različita električna polja kako bi ostala na mjestu.

Otkrili su da su potrebna električna polja ista, što im je omogućilo da utvrde da su sve razlike u inercijskoj i gravitacijskoj masi manje od jednog dijela u kvadrilijunu. U biti, napravili su preciznu validaciju principa ekvivalencije.

Iako je to očekivani ishod sa stajališta opće relativnosti, on ima vrlo značajne posljedice za proučavanje tamne materije i tamne energije. Iako su te ideje popularne, neki znanstvenici vjeruju da se rotacijska svojstva galaksija mogu bolje objasniti novim teorijama gravitacije. Mnoge od ovih alternativnih teorija impliciraju da načelo ekvivalencije nije sasvim savršeno.

MicroSCOPE mjerenje nije pokazalo kršenje načela ekvivalencije. Njegovi rezultati isključuju neke alternativne teorije gravitacije, ali ne sve. Istraživači pripremaju drugi eksperiment, nazvan MicroSCOPE2, koji bi trebao biti oko 100 puta precizniji od svog prethodnika. Ako uoči odstupanja od načela ekvivalencije, to će znanstvenicima dati ključne smjernice prema razvoju novih i poboljšanih teorija gravitacije.