Bildkredit: NASA / JPL
Förr eller senare kommer Einsteins regering, som Newtons regering före honom, att ta slut. En omvälvning i fysikvärlden som kommer att störta våra föreställningar om grundläggande verklighet är oundvikligt, tror de flesta forskare, och för närvarande pågår en hästkapplöpning mellan en handfull teorier som tävlar om att vara tronens efterträdare.
Under körningen finns sådana sinnesböjande idéer som ett 11-dimensionellt universum, universella "konstanter" (som tyngdkraften) som varierar över rymden och tiden och bara förblir riktigt fixerade i en osynlig 5: e dimension, infinitesimala vibrerande strängar som grundläggande beståndsdelar av verkligheten och ett tyg av rum och tid som inte är smidigt och kontinuerligt, som Einstein trodde, men delat upp i diskreta, odelbara delar av försvunnen liten storlek. Experimentet kommer i slutändan att avgöra vilka segrar.
Ett nytt koncept för ett experiment för att testa förutsägelserna om Einsteins relativitet mer exakt än någonsin tidigare utvecklas av forskare vid NASA: s Jet Propulsion Laboratory (JPL). Deras uppdrag, som effektivt använder vårt solsystem som ett gigantiskt laboratorium, skulle hjälpa till att begränsa fältet med spionsteorier och föra oss ett steg närmare nästa revolution i fysiken.
Ett hus uppdelat
Det väger kanske inte tungt på de flesta människor, men en stor schism har länge plågat vår grundläggande förståelse av universum. Det finns för närvarande två sätt att förklara rymdens, tidens, materiens och energins natur och beteende: Einsteins relativitet och kvantmekanikens ”standardmodell”. Båda är extremt framgångsrika. GPS (Global Positioning System), till exempel, skulle inte vara möjligt utan relativitetsteorin. Datorer, telekommunikation och Internet är under tiden spin-offs för kvantmekanik.
Men de två teorierna är som olika språk, och ingen är ännu säker på hur man kan översätta mellan dem. Relativitet förklarar gravitation och rörelse genom att förena rymd och tid till ett 4-dimensionellt, dynamiskt, elastiskt tyg av verklighet som kallas rymdtid, som böjs och vrids av energin som den innehåller. (Massa är en form av energi, så den skapar tyngdkraften genom att vrida rymd-tid.) Kvantmekaniken antar å andra sidan att rymden och tiden bildar ett platt, oföränderligt "scen" på vilket drama för flera familjer av partiklar utspelar sig . Dessa partiklar kan röra sig både framåt och bakåt i tiden (något relativitet tillåter inte), och interaktionen mellan dessa partiklar förklarar de grundläggande krafterna i naturen - med det lysande undantaget av tyngdkraften.
Dödläget mellan dessa två teorier har pågått i årtionden. De flesta forskare antar att på något sätt, så småningom, en förenande teori kommer att utvecklas som sänker de två, som visar hur sanningarna de var och en innehåller kan passa perfekt i en enda, alltomfattande verklighetsram. En sådan "teori om allt" skulle påverka vår kunskap om universumets födelse, evolution och eventuella öde.
Slava Turyshev, en forskare på JPL, och hans kollegor har tänkt på ett sätt att använda den internationella rymdstationen (ISS) och två minisatelliter som kretsar runt solens avlägsna sida för att testa relativitetsteorin med en aldrig tidigare skådad noggrannhet. Deras koncept, delvis utvecklat genom finansiering från NASA: s kontor för biologisk och fysisk forskning, skulle vara så känsligt att det kunde avslöja brister i Einsteins teori och därmed tillhandahålla de första hårda data som behövs för att skilja vilka av de konkurrerande teorierna om allt som stämmer med verkligheten och som bara är fancy kritarbete.
Experimentet, kallad Laser Astrometric Test Of Relativity (LATOR), skulle titta på hur solens tyngdkraft avböjer laserstrålar som släppts ut av de två minisatelliterna. Tyngdekraften böjer ljusets väg eftersom den snurar utrymmet genom vilket ljuset passerar. Standardanalogin för denna vridning av rymdtid genom tyngdkraften är att föreställa sig rymden som ett platt gummiark som sträcker sig under vikten av föremål som solen. Fördjupningen i arket skulle orsaka att ett föremål (till och med en ljusmassa partikel) som passerar i närheten av solen svänger lite när det gick förbi.
I själva verket var det genom att mäta böjningen av stjärnljus av solen under en solförmörkelse 1919 som Sir Arthur Eddington först testade Einsteins teori om allmän relativitet. I kosmiska termer är solens tyngdkraft ganska svag; vägen för en ljusstråle som skummar solens kant skulle bara böjas med cirka 1,75 bågsekunder (ett bågsekund är 1/3600 av en grad). Inom gränserna för noggrannheten för sin mätutrustning visade Eddington att stjärnljus verkligen böjde sig med denna mängd - och genom att göra detta effektivt impeach Newton.
LATOR skulle mäta denna avböjning med en miljard (109) gånger precisionen i Eddingtons experiment och 30 000 gånger den nuvarande rekordhållarens precision: en serendipitös mätning med signaler från Cassini-rymdskeppet på väg att utforska Saturnus.
"Jag tror att [LATOR] skulle vara ett ganska viktigt framsteg för grundläggande fysik," säger Clifford Will, professor i fysik vid Washington University som har gjort stora bidrag till post-Newtonian fysik och inte är direkt involverad i LATOR. "Vi borde fortsätta att försöka pressa för mer noggrannhet när vi testar den allmänna relativiteten, helt enkelt för att någon form av avvikelse skulle innebära att det finns en ny fysik som vi inte var medvetna om förut."
Sollaboratorium
Experimentet skulle fungera så här: Två små satelliter, vardera cirka en meter breda, skulle sjösättas in i en bana som omkretsar solen på ungefär samma avstånd som Jorden. Detta par minisatelliter skulle kretsa långsammare än jorden gör, så ungefär 17 månader efter lanseringen skulle minisatelliterna och jorden befinna sig på motsatta sidor av solen. Även om de två satelliterna skulle vara cirka 5 miljoner km från varandra, vinkeln mellan dem sett från jorden skulle vara liten, bara ungefär 1 grad. Tillsammans skulle de två satelliterna och Jorden bilda en mager triangel med laserstrålar längs sidorna och en av de strålarna som passerar nära solen.
Turyshev planerar att mäta vinkeln mellan de två satelliterna med hjälp av en interferometer monterad på ISS. En interferometer är en enhet som fångar och kombinerar ljusstrålar. Genom att mäta hur ljusvågor från de två minisatelliterna "stör" varandra kan interferometern mäta vinkeln mellan satelliterna med exceptionell precision: ungefär 10 miljarder av ett bågsekund, eller 0,01? Som (mikro-bågsekunder). När precisionen för de andra delarna av LATOR-konstruktionen beaktas ger detta en övergripande noggrannhet för att mäta hur mycket tyngd som böjer laserstrålen på cirka 0,02? Som för en enda mätning.
"Att använda ISS ger oss några fördelar," förklarar Turyshev. ”För det ena är det över snedvridningen av jordens atmosfär, och det är också tillräckligt stort för att låta oss placera interferometerns två linser långt ifrån varandra (en lins i vardera änden av solpanelens fack), vilket förbättrar upplösningen och noggrannheten hos resultat."
0,02? Som LATOR: s noggrannhet är tillräckligt bra för att avslöja avvikelser från Einsteins relativitet förutsagd av de blivande teorierna om allt, som sträcker sig från ungefär 0,5 till 35? Avtal med LATOR: s mätningar skulle vara ett stort boost för någon av dessa teorier. Men om ingen avvikelse från Einstein hittas ens av LATOR, kommer de flesta av de nuvarande utmanarna - tillsammans med deras 11 dimensioner, pixellerade utrymme och inkonstanta konstanter - att drabbas av ett dödligt slag och "vidarebefordra" till den stora dammiga biblioteksbunken på himlen .
Eftersom uppdraget bara kräver befintlig teknik, säger Turyshev att LATOR kan vara redo att flyga så snart 2009 eller 2010. Så det kan inte dröja för lång tid innan fysikens stalemate bryts och en ny teori om gravitation, rymd och tid tar tron.
Originalkälla: NASA / Science Story
