GRAVITY PROBE B

 

Teoria względności Alberta Einsteina ma dwa skrzydła: szczegółową teorię względności i ogólną teorię względności [często zwaną “teorią grawitacji”].

Szczególna teoria względności [SR lub STW] ma dwa aksjomaty/założenia, których popularnie można sformułować tak:

 

1.wszystkie prawa fizyki są takie same dla wszystkich obserwatorów inercjalnych

 

2.prędkość światła w próżni c jest niezależna od stanu kinematycznego dowolnego obserwatora inercjalnego.

 

Przyjęcie tych dwóch postulatów/założeń prowadzi w sposób konieczny do odrzucenia geometrii Euklidesa opisującej przestrzeń i czas. Przestrzeń nie ma już struktury wiązki włóknistej ,której bazą jest oś czasu, co oznacza, że rezygnujemy z mechaniki Galileusza-Newtona.

 

Dwa postulaty/założenia A.Einsteina spełnia model zwany czterowymiarową ,afiniczną przestrzenią Minkowskiego. Przestrzeń ta zostaje wyposażona w iloczyn skalarny ,który utrzymuje w niej strukturę pseudoeuklidesową.

 

Przestrzeń Minkowskiego jest zupełną reprezentacją geometryczną szczegółowej teorii względności i w tym sensie teoria ta jest uważana za zamkniętą.

 

Obalenie SR może się odbyć na drodze empirycznej przez wykazanie doświadczalne nie spełnienia co najmniej jednego z dwóch wymienionych postulatów.

Tylko w tym przypadku całość struktury formalnej SR staje się bezużyteczna i może być uchylona, zastąpiona jakąś inną strukturą formalną.

 

Od strony doświadczalnej i praktycznej, SR jest stosowana i przestrzegana wszędzie tam gdzie mamy do czynienia z prędkościami przyświetlnymi. I w tym znaczeniu ,SR jest sprawdzana codziennie w technologii jądrowej, elektronicznej i astronomicznej. Kto mówi o braku dowodów doświadczalnych na prawdziwość szczegółowych praw wynikających z SR ,ten nie jest poważnym partnerem do rozmowy, ten ośmiesza się.

 

Zupełnie inaczej jest z ogólną teorią względności. GR nie jest teorią zamkniętą , jej modele matematyczne podlegają nieustannym badaniom, pojawiają się inne modele, weryfikowane są doświadczalnie hipotezy wynikające z innych modeli.

 

Miniony rok kończył się mocnym “pogrzebowym “ akcentem, czyli sugestią ,że szczególna teoria względności została obalona w Gran Sasso.

Tuman medialny, powstały na bazie ciekawego eksperymentu wykonanego w Gran Sasso [z udziałem centrum genewskiego CERN- LHC] przez fizyków- neutrinowców ,zasłonił całkowicie znaczenie i wagę innego eksperymentu potwierdzającego fundamentalne twierdzenie ogólnej teorii względności Alberta Einsteina.

 

O tym niezwykłym eksperymencie i jego znaczeniu dla technologii naukowej, oraz dla filozoficznego obrazu wszechświata jest niniejszy artykuł.

 

Eksperyment rozpoczęty w 2004 roku, był zaprojektowany przez zespół Uniwersytetu Stanforda pod kierownictwem L.Schiffa , a NASA partycypowała w nim budując i umieszczając na orbicie odległej o 640 km satelitę-sondę o nazwie Gravity Probe B .

 

Satelita Gravity Probe B

 

Trwał ten eksperyment do maja 2011 roku ,kiedy to opublikowano ostatecznie wyniki badań po wielu rozmaitych przygodach, zarówno aparatury pomiarowej, jak i zespołów badawczych.

 

Jego nazwa “Gravity Probe B” [akronim GP-B] można spolszczyć na :”Badanie grawitacji-B”, litera B oznacza, iż jest to testowanie teorii grawitacji Einsteina w fazie drugiej. O fazie pierwszej ,z roku 1997 ,czytaj pozycję [3].

 

Celem tego eksperymentu był sprawdzenie prawdziwości hipotezy OTW przewidującej wystąpienie w sąsiedztwie każdej dużej ,wirującej masy [masy astronomicznej] tzw. efektu Lense – Thirringa.

 

                                           GŁÓWNA IDEA OGÓLNEJ TEORII WZGLĘDNOŚCI

Ideą fundamentalną Ogólnej Teorii Względności [ OTW] jest hipoteza, iż czasoprzestrzeń zachowuje się dynamicznie : podlega działaniom ze strony mas i sama na te masy wpływa [1].

Przestrzeń wokół wielkich mas [astronomicznych] ma zmienioną strukturę metryczną .Odległość dwóch dowolnych punktów w takiej zmienionej przestrzeni oblicza się inaczej, niż w geometrii Euklidesa.

 

Krzywizna przestrzeni i zmieniona metryka w pobliżu Ziemi

 

Najkrótszą linią między dwoma dowolnymi punktami nie jest linia prosta. Swobodny ruch [ bezwładnościowy, bez udziału sił ] po linii prostej nie jest możliwy. Wszystkie ciała w przestrzeni bliskiej dużej masie, poruszają się po torach krzywoliniowych, zwanych – geodetykami [2].

 

Tym samym można powiedzieć ,iż w pewnym sensie przestrzeń jest “przyklejona” do mas, a efekt ten jest tym większy im większa jest masa.

 

To “przyklejenie” nie występuje, gdy masa zmieniająca czasoprzestrzeń porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym , bez przyspieszenia. Układy inercjalne nie “czują “ przestrzeni, ona nie jest przez nie “wleczona”, czyli STW nie przewiduje krzywizny przestrzeni, dynamiki przestrzeni, ani takiego efektu jak efekt Lense-Thirringa.

Teoria układów nieinercjalnych, to domena OTW.

 

Kto stosuje do nich STW ,to dokonuje nadużycia, fałszuje modele teoretyczne określonych zjawisk fizycznych.

Na przykład, jeśli duża masa jest w ruchu prostoliniowym z przyspieszeniem, to zakrzywiona przestrzeń wokół niej też się porusza, jest “ciągnięta “ przez tą masę.Formalizm STW zastosowany do takich układów prowadzi do fałszywej fizyki.

 

                                               RELATYWISTYKA UKŁADÓW  WIRUJĄCYCH

Ziemia wiruje wokół osi. W takim ruchu istnieje przyspieszenie, jest to wirujący układ nieinercjalny. Jeśli doświadczalnie stwierdzimy ,że z ruchem obrotowym Ziemi, wiruje także otaczająca ją przestrzeń, to wykażemy za jednym zamachem

• dynamikę krzywizny przestrzeni

 

W 1918 roku dwaj fizycy austriaccy J. Lense i H. Thirring wykazali matematycznie ,że rotująca wielka masa “wlecze” za sobą w kierunku ruchu, styczną do niej przestrzeń i relacje metryczne w niej. Wobec tego inercjalni obserwatorzy w pobliżu Ziemi nie mogą stanowić nieruchomego układu odniesienia. Układy inercjalne są też “wleczone”[ ang. frame-dragging effect)[3].

Pomysł, jak wykryć efekt L-T polega na zastosowaniu układu ,superprecyzyjnych żyroskopów w postaci czterech kwarcowych bączków o promieniu 19 mm każdy, pokrytych niobem [zastosowanie nionu powoduje, że każda kula będzie nadprzewodnikiem w odpowiedniej temperaturze]i wykonujących ruch orbitalny wokół Ziemi.

Wykorzystana jest własność wirującego żyroskopu [bąka symetrycznego] polegająca na zachowywaniu przez niego stałego położenia osi obrotu w przestrzeni.

 

Oś żyroskopu w zawieszeniu tzw. Cardana nie jest poddana działaniu momentów sił i zachowuje stały kierunek w przestrzeni inercjalnej.

 

Jeśli ta przestrzeń inercjalna będzie “wleczona” zgodnie z wirowaniem Ziemi, to po dłuższym czasie kierunki osi wirowania owych czterech super-dokładnych bączków ulegną zmianie.

Satelitę z układem żyroskopów umieszczono na 640-km orbicie biegunowej.

 

                                                   POMIAR EFEKTU LENSE-THIRRINGA

Jednak zmiana kierunku osi żyroskopu[każdego z czterech] jest spowodowana dwom efektami relatywistycznymi.

 

Jeden- który nie był celem eksperymentu –to efekt geodetyczny wywołany przez krzywiznę przestrzeni wokół Ziemi[efekt niezależny od wirowania globu], oraz oddziaływanie typu “spin-orbita”. Ich sumaryczna wielkość , oszacowana teoretycznie pokazana jest na rys.4.i wynosi 6606 mikrosekund /rok [działa w płaszczyźnie orbity].

　

Drugi efekt, którego potwierdzenie i zmierzenie było celem eksperymentu, wywołany “wleczeniem” układu inercjalnego, czyli efektem L-T ma wartość znacznie mniejszą, bo 39 mikrosekund/rok i działa prostopadle do płaszczyzny orbity.

Z uwagi na znikomość obydwu kątów ,dokładność pomiarów decydowała o sensie eksperymentu. Zainteresowanych szczegółami technicznymi[które są fascynujące !] odsyłam do pozycji [4 ], [ 5].

 

 

Uczynię jedynie wzmiankę ,że należało rozwiązać dwa trudne zagadnienia:

 

1.jak zmierzyć kierunek ustawienia osi żyroskopów.

 

2.względem czego mierzyć odchylenie osi żyroskopów.

 

Określenie kierunku osi [punkt 1] odbywało się z wykorzystaniem kwantowego efektu Londona, a mianowicie: nadprzewodząca kula wirująca wywołuje powstanie pola magnetycznego o osi równoległej do osi wirowania i wystarczy pilnować to pole za pomocą superczułego magnetometru , by znać kierunek osi żyroskopu.

 

Aby uzyskać efekt Londona całość układu wsadzono do olbrzymiego termosu z ciekłym helem o temperaturze 1,65 K, bo przy takiej temperaturze niob staje się nadprzewodnikiem.

 

Punkt 2 zrealizowano za pomocą miniaturowego teleskopu umieszczonego na sondzie i wycelowanego w

gwiazdę odniesienia IM Peg (HR8703), będącą w rzeczywistości układem podwójnym typu RS Cyn o średniej jasności wizualnej 5^m,6.

Przez cały czas misji była ona obserwowana z dokładnością 0,1 milisekund łuku .Obserwacja była kontrolowana przez interferometr radiowy z powierzchni Ziemi.

 

Eksperyment Gravity Probe B pod względem technicznym, jest triumfem precyzyjnej mechaniki i optyki początków XXI wieku. Zmierzono z odległości 600 km kąty o wartości rzędu mikrosekund łuku !

Wykonano kuliste obiekty fizyczne ,najdoskonalsze i najbardziej idealne w kształcie geometrycznym w dziejach technologii ludzkiej.

 

Dla nauki jest to kolejne, równie cenne i niezwykła potwierdzenie najpiękniejszej teorii fizyki XX wieku. Nie pierwsze i nie ostatnie [zobacz wyczerpujący przegląd testów OTW dokonany w pozycji [6]].

 

                                            GR - WIELKA PRZYGODA NAUKI O PRZYRODZIE

Jeszcze za życia Einsteina zweryfikowano OTW w dwóch eksperymentach: zmierzono ruch peryhelium Merkurego, oraz zaobserwowano ugięcie światła gwiazd w pobliżu Słońca .

 

W latach 70-tych ub.w. za pomocą satelitarnych zegarów zmierzono wpływ potencjału grawitacyjnego na czas.

 

Sprawdzono także tzw. efekt Shapiro[hipoteza w roku 1964,wykrycie -1966] — opóźnienie czasowe sygnału elektromagnetycznego [fal radiowych] przechodzącego w pobliżu ciała masywnego.

 

W 1993 roku R.Hulse i J.Taylor dostali nobla za zbadanie relatywistycznych podwójnych pulsarów [obiekt PSR 1913+16] weryfikując szereg wniosków wypływających z równań Einsteina.

 

Jesteśmy w przededniu sprawdzenia prawdziwości idei Alberta Einsteina o istnieniu fal grawitacyjnych. Kosmologia przymierza się do zastosowania OTW dla zbudowania innego obrazu struktury wszechświata ,w stosunku do dotychczasowego paradygmatu.

 

Nie jest wykluczony powrót do idei określanych przez “oświeceniowców” - antropocentryzmem .Zjawisko wirowania światów [galaktyk, lub gromad galaktyk] może prowadzić do swoistego zamknięcia czasoprzestrzeni, otorbienia ,występowania “bąbli” czasoprzestrzeni.

Takim bąblem czasoprzestrzeni może być otoczenie najbliższe Układu Słonecznego.

 

Pojawia się coraz więcej dowodów obserwacyjnych ,że wszechświat nie jest płaski i nieskończony [ tak jak przyjęto w drugiej połowie XX wieku], a raczej jest zamknięty, czyli skończony.

Dokonywane są poważne korekty oszacowania ilości materii we wszechświecie [ i tym samym gęstości, a ten parametr decyduje o modelu geometrii wszechświata ] i także oszacowania wartości stałej Hubblea .

 

Pierwsze dekady XXI wieku mogą być czasem kolejnej “wiosny” space-time physics , czyli jej gruntownego przeobrażenia.

　

Uwaga.

Zdjęcia pochodzą z pozycji [4], [5], oraz wikipedia ,wersja angielska

 

Literatura

[1]J.B. Hartle, Grawitacja, wprowadzenie do ogólnej teorii względności,Warszawa,2010

[2]B.Schutz, Wstęp do ogólnej teorii wględności,Warszawa,1995

[3]I.Ciufolini i inni,Dedection of Lense-Thirring Effect Due to Earths spin,arXiv:gr-qc/9704065

[4] Stanford University.

[5] NASA's Gravity Probe B Confirms Two Einstein Space-Time Theories

[6] W.Turiszew, Eksperymentalne testy ogólnej teorii względności,Uspiechi Fiziczieskich Nauk,T.179,z.1.2009