A relativitáselmélet kísérleti tesztelése

132

Idén ünneplik a fizikusok Einstein „csodálatos
évének” századik évfordulóját. Ez volt az az év, amelyben doktorátust
szerzett fizikából a Zürichi Egyetemen, valamint négy cikket tett
közzé, köztük egyet a speciális relativitáselméletről, és egyet a
fényről, amely végül 1921-ben Nobel-díjat eredményezett számára. Bő tíz
évvel később, 1916-ban publikálta az általános relativitáselméletet,
amelyben oly módon terjesztette ki a speciális relativitáselméletet,
hogy az magába foglalja a gravitáció nehezen megfogható koncepcióját.

Az
általános relativitáselmélettel Einstein mindörökre megváltoztatta a
gravitációról, mint erőtérről alkotott newtoni képet, azt állítva, hogy
a tér és idő kibogozhatatlanul összefonódik egy téridőnek nevezett
szerkezetben, ill. hogy a gravitáció pusztán a téridőnek a görbülete, amelyet a tömeggel rendelkező testek okoznak.

Bár
az általános relativitáselmélet a modern fizika egyik alappillére lett,
ez maradt Einstein elméletei közül a legkevésbé ellenőrzött. Ennek oka,
hogy az általános relativitáselmélet által előrejelzett hatások a Föld
környezetében rendkívül kicsik, és bár az elmúlt 90 évben elvégzett
számos kísérlet szerint Einstein a jó úton járt, ezekben a mérésekben a
relativitáselméleti hatásokat igen erős háttérzajból kellett kiemelni.
Igaz ugyan, hogy 1993-ban Russell Hulse és Joseph Taylor
rádiócsillagászok a PSR 1913+16 jelű kettőspulzár felfedezéséért
Nobel-díjat kaptak, ami a gravitációs hullámok kisugárzásával történő
energiavesztés közvetett kimutatásával a relativitáselmélet mindmáig
legbiztosabb igazolása, de a fizikusok régóta szeretnék ellenőrzött
laboratóriumi körülmények között kimérni a téridő hajlását és
csavarodását.

 

Fantáziarajz a Föld által okozott téridő-görbület szemléltetésére. (Stanford Egyetem nyomán)

 

Az
elmúlt 17 hónapban a NASA Gravity Probe B (GP-B) műholdja
ultraprecíziós, a legjobb minőségű hagyományos, a navigációban használtaknál milliószor pontosabb giroszkópokkal felszerelve
keringett a Föld körül. Ezzel egy zavartalan, keringő laboratóriumban
vált lehetővé a mérés során jelentkező háttérzaj szintjének
csökkentése. Az elmúlt időszakban a űrszonda adatokat gyűjtött az
általános relativitáselméletet végső kísérleti tesztjéhez.

Az
elv roppant egyszerű. A 2004. április 20-án a Vandenberg
Légitámaszpontról felbocsátott GP-B műhold négy gömb alakú giroszkópot
használt az Einstein elméletéből következő két különleges hatás
pontos mérésére. Az egyik a geodetikus effektus, vagyis az, hogy a Föld
milyen mértékben hajlítja meg a helyi téridőt, amiben elhelyezkedik. A
másik effektus a tér felcsavarása, amit szemléletesen úgy fogalmazhatunk meg, hogy a forgó Föld
mennyire "vonszolja", húzza magával a helyi téridőt.

A
kísérlet kezdetekor mind a giroszkóp forgástengelyét, mind az űrszondán
elhelyezett vezetőtávcsövet egy igen távoli referenciapont irányába –
egy vezetőcsillag felé irányították. A küldetés 50 hete alatt az
űrszonda több mint ötezerszer megkerülte a Földet. Az elméleti jóslatok
szerint a kb. egy éves időszak alatt a Föld helyi téridejének
geodetikus torzulása miatt a giroszkóp forgástengelye az eredeti
vezetőcsillag irányától eltér, méghozzá a csekély 6,6 ívmásodperces
(0,0018 fok) értékkel. Hasonlóképpen, a Föld felcsavarodó helyi
térideje miatt a forgástengely az előző hatás irányára merőlegesen is
eltér, még ennél is kisebb mértékben: 0,041 ívmásodperccel (0,000011
fok). Ez utóbbi szögtávolság az emberi hajszál vastagsága lenne,
ahogyan megközelítőleg 16 km távolságból láthatnánk.

A
gyakorlati megvalósítás azonban igen nehéz volt, és átfogó
együttműködésre volt szükség többek között a Stanford, a NASA, a
Lockheed Martin és más intézmények fizikusai között, valamint mérnökök
és űrkutatók között. Közel 44 évet (!) vett igénybe az ultrapontos
giroszkópok kifejlesztése, valamint a többi technikai fejlesztés
elvégzése annak érdekében, hogy a tudósok képesek legyenek ennek a
megtévesztően egyszerű kísérletnek az elvégzésére. Például a
pingponglabda méretű forgó giroszkópalkatrészeknek olyannyira
egyneműeknek és tökéletesen gömb alakúaknak kellett lenniük, hogy több
mint 10 évbe került a gyártáshoz szükséges teljesen új technológia
kifejlesztése. A gömbök most szerepelnek a Guiness Rekordok könyvében,
mint a világ leggömbszerűbb objektumai. Hasonlóképpen évekbe telt
azoknak a hibátlan tetőélprizmáknak az elkészítése, amelyeket a
vezetőcsillagra néző távcsőben használtak fel.

A
GP-B küldetésének végén a terveknek megfelelően a műszereket hűtő és a
kis korrekciós hajtóművekhez használt hélium kifogyott. Az 50 hetet
lefedő adatsort letöltötték és a Stanford Egyetemen levő GP-B Mission
Operations Center számítógépeibe került, ahol a GP-B csoport tudósai
megkezdték az adatok sok fáradsággal járó végső ellenőrzését és
elemzését.

Vajon igaza volt-e Einsteinnek? Ezt
még további 15 hónapig, az elemzések befejezéséig nem fogjuk tudni, de
a világ fizikusai rendkívül kíváncsian várják az eredményeket. A végleges eredmények a
legalább 15 hónapig tartó ellenőrzés és elemzések után 2007 első felére
várhatóak.

Forrás: Stanford University

Hozzászólás

hozzászólás