Billedkredit: NASA / JPL
Før eller senere vil Einsteins regering, ligesom Newtons regeringstid før ham, komme til en ende. En omvæltning i fysikens verden, der vil vælte vores forestillinger om grundlæggende virkelighed, er uundgåelig, mener de fleste forskere, og i øjeblikket er en hestevæddeløb i gang mellem en håndfuld teorier, der konkurrerer om at være tronens efterfølger.
I løbet er sådanne tankebøjende ideer som et 11-dimensionelt univers, universelle "konstanter" (som f.eks. Tyngdekraften), der varierer over rum og tid og kun forbliver reelt fastgjort i en usynlig 5. dimension, uendelig vibrerende strenge som grundlæggende bestanddele af virkeligheden og et stof med plads og tid, der ikke er glat og kontinuerligt, som Einstein troede, men opdelt i diskrete, udelelige dele af forsvindende lille størrelse. Eksperimentet bestemmer i sidste ende, hvilke triumfer.
Et nyt koncept til et eksperiment til at teste forudsigelserne af Einsteins relativitet mere præcist end nogensinde før er ved at blive udviklet af forskere ved NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL). Deres mission, der effektivt bruger vores solsystem som et gigantisk laboratorium, ville hjælpe med at indsnævre området for spionteorier og bringe os et skridt nærmere den næste revolution inden for fysik.
Et hus opdelt
Det vejer måske ikke tungt på de fleste menneskers sind, men en stor skisma har længe plaget vores grundlæggende forståelse af universet. Der findes i øjeblikket to måder at forklare rum, tid, materie og energis art og opførsel: Einsteins relativitet og kvantemekanikens ”standardmodel”. Begge er meget succesrige. GPS (Global Positioning System), for eksempel, ville ikke være muligt uden relativitetsteorien. Computere, telekommunikation og Internettet er i mellemtiden spin-offs af kvantemekanik.
Men de to teorier er som forskellige sprog, og ingen er endnu sikker på, hvordan man kan oversætte dem imellem. Relativitet forklarer tyngdekraft og bevægelse ved at forene rum og tid i et 4-dimensionelt, dynamisk, elastisk stof af virkelighed kaldet rumtid, som er bøjet og fordrejet af den energi, den indeholder. (Masse er en form for energi, så den skaber tyngdekraft ved at fordreje rum-tid.) Kvantemekanik på den anden side antager, at rum og tid danner et fladt, uforanderligt "stadium", hvor dramaet i flere familier af partikler udfolder sig . Disse partikler kan bevæge sig både fremad og tilbage i tiden (noget relativitet tillader ikke), og samspillet mellem disse partikler forklarer de grundlæggende kræfter i naturen - med den skinnende undtagelse af tyngdekraften.
Døden mellem disse to teorier er gået i årtier. De fleste forskere antager, at det på en eller anden måde til sidst vil blive udviklet en samlende teori, der underlægger de to, der viser, hvordan sandheden, de hver især indeholder, kan passe pænt inden for en enkelt, altomfattende virkelighedsramme. En sådan ”teori om alt” ville have en dyb indflydelse på vores viden om universets fødsel, evolution og eventuelle skæbne.
Slava Turyshev, en videnskabsmand ved JPL, og hans kolleger har tænkt på en måde at bruge Den Internationale Rumstation (ISS) og to minisatellitter, der kredser rundt på solsides side for at teste relativitetsteorien med en hidtil uset nøjagtighed. Deres koncept, delvis udviklet gennem finansiering fra NASAs kontor for biologisk og fysisk forskning, ville være så følsomt, at det kunne afsløre mangler i Einsteins teori og således give de første hårde data, der var nødvendige for at skelne, hvilken af de konkurrerende teorier om alt stemmer overens med virkeligheden og som kun er smarte kridtværker.
Eksperimentet, kaldet Laser Astrometric Test Of Relativity (LATOR), ville se på, hvordan solens tyngdekraft afbøjer stråler af laserlys, der udsendes af de to minisatellitter. Tyngdekraften bøjer lysets vej, fordi den snor sig rundt i det rum, som lyset passerer igennem. Standardanalogien til denne vridning af rum-tid efter tyngdekraft er at forestille sig plads som et fladt ark gummi, der strækker sig under vægten af genstande som solen. Depressionen i arket ville få en genstand (endda en lysmasse uden lysmasse), der passerer i nærheden af solen, til at vende lidt, mens den gik forbi.
Faktisk var det ved at måle bøjningen af stjernelys af solen under en solformørkelse i 1919, at Sir Arthur Eddington først testede Einsteins teori om generel relativitet. I kosmiske termer er solens tyngdekraft relativt svag; stien til en lysstråle, der skummer solkanten, ville kun blive bøjet med ca. 1,75 buerekanter (et buesekund er 1/3600 af en grad). Inden for hans måleudstyrs nøjagtighed viste Eddington, at stjernelys faktisk bøjede sig med dette beløb - og ved at gøre dette effektivt impeached Newton.
LATOR ville måle denne afbøjning med en milliard (109) gange nøjagtigheden af Eddingtons eksperiment og 30.000 gange nøjagtigheden af den nuværende rekordholder: en serendipitøs måling ved hjælp af signaler fra Cassini-rumfartøjet på vej til at udforske Saturn.
”Jeg tror, [LATOR] ville være et meget vigtigt fremskridt for grundlæggende fysik,” siger Clifford Will, en professor i fysik ved Washington University, der har ydet store bidrag til post-Newtonian fysik og ikke er direkte involveret i LATOR. "Vi bør fortsætte med at forsøge at presse på for mere nøjagtighed i at teste generel relativitet, simpelthen fordi enhver form for afvigelse ville betyde, at der er en ny fysik, som vi ikke var opmærksomme på før."
Sol laboratorium
Eksperimentet ville fungere sådan: To små satellitter, hver omkring en meter bred, ville blive lanceret i en bane, der cirkler solen i omtrent samme afstand som Jorden. Dette par minisatellitter ville kredse langsommere end Jorden gør, så cirka 17 måneder efter lanceringen ville minisatelliterne og Jorden være på modsatte sider af solen. Selvom de to satellitter ville være omkring 5 millioner km fra hinanden, ville vinklen mellem dem set fra Jorden være lille, kun ca. 1 grad. Sammen dannede de to satellitter og Jorden en mager trekant med laserstråler langs siderne, og en af disse bjælker passerer tæt på solen.
Turyshev planlægger at måle vinklen mellem de to satellitter ved hjælp af et interferometer monteret på ISS. Et interferometer er en enhed, der fanger og kombinerer lysstråler. Ved at måle, hvordan bølger af lys fra de to minisatellitter “forstyrrer” hinanden, kan interferometeret måle vinklen mellem satellitterne med en ekstraordinær præcision: cirka 10 milliarddele af et buesekund, eller 0,01? Som (mikro-buesekunder). Når man overvejer præcisionen for de andre dele af LATOR-designet, giver dette en samlet nøjagtighed til at måle, hvor meget tyngdekraft bøjer laserstrålen på ca. 0,02? Som for en enkelt måling.
”Brug af ISS giver os et par fordele,” forklarer Turyshev. ”For det første er det over forvrængningerne af Jordens atmosfære, og det er også stort nok til at lade os placere interferometerets to linser langt fra hinanden (en linse i hver ende af solcellepanelstolen), hvilket forbedrer opløsningen og nøjagtigheden af resultater.”
0,02? Som nøjagtighed af LATOR er god nok til at afsløre afvigelser fra Einsteins relativitet forudsagt af de håbefulde teorier om alt, der spænder fra ca. 0,5 til 35? Som. Aftale med LATOR's målinger ville være et stort løft for nogen af disse teorier. Men hvis der ikke findes nogen afvigelse fra Einstein selv af LATOR, vil de fleste af de nuværende udfordrere - sammen med deres 11 dimensioner, pixellerede rum og ubestandige konstanter - lide et dødeligt slag og "videresende" til den store støvede biblioteksstabel på himlen .
Fordi missionen kun kræver eksisterende teknologier, siger Turyshev, at LATOR kunne være klar til at flyve så snart 2009 eller 2010. Så det kan ikke vare for længe, før ægtheden i fysikken brydes, og en ny teori om tyngdekraft, rum og tid tager trone.
Original kilde: NASA / Science Story
