Η διαστημική αποστολή Gravity Probe Β είχε τον φιλόδοξο στόχο να «μετρήσει» δύο βασικά φαινόμενα της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας. Σφάλμα στον σχεδιασμό της αλλοίωσε τις μετρήσεις και μόλις τώρα, ενάμιση χρόνο μετά το πέρας του πειράματος, ανακοινώνουν οι επιστήμονες τα πρώτα συμπεράσματά τους, όπως προκύπτουν από τη - μερική - διόρθωση των λαθών. Σύμφωνα με αυτά, ο Αϊνστάιν είχε δίκιο...

Η ΘΕΩΡΙΑ ΤΗΣ ΣΧΕΤΙΚΟΤΗΤΑΣ στο… γυροσκόπιο

Η ΘΕΩΡΙΑ ΤΗΣ ΣΧΕΤΙΚΟΤΗΤΑΣ στο… γυροσκόπιο Η διαστημική αποστολή Gravity Probe Β είχε τον φιλόδοξο στόχο να «μετρήσει» δύο βασικά φαινόμενα της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας. Σφάλμα στον σχεδιασμό της αλλοίωσε τις μετρήσεις και μόλις τώρα, ενάμιση χρόνο μετά το πέρας του πειράματος, ανακοινώνουν οι επιστήμονες τα πρώτα συμπεράσματά τους, όπως προκύπτουν από τη – μερική – διόρθωση των λαθών. Σύμφωνα

Για περισσότερο από 40 χρόνια περισσότεροι από 100 επιστήμονες εργάστηκαν για την πραγματοποίηση ενός εξαιρετικά φιλόδοξου σχεδίου: να επαληθεύσουν δύο από τις βασικότερες προβλέψεις της Γενικής Θεωρίας Σχετικότητας. Τελικά οι προσπάθειές τους ανταμείφθηκαν και πριν από τρία χρόνια, τον Απρίλιο του 2004, εκτοξεύθηκε ο δορυφόρος Ανιχνευτής Βαρύτητας Β (Gravity Probe Β) με τα απαραίτητα όργανα για τη διενέργεια των δύο πειραμάτων. Ωστόσο ο σχεδιασμός των βασικών οργάνων προσανατολισμού του δορυφόρου αποδείχθηκε προβληματικός και η ακρίβειά τους περιορισμένη, έτσι ώστε οι επιστήμονες βρέθηκαν με μια σειρά από μετρήσεις που ήταν πολύ δύσκολο να αξιοποιηθούν. Υστερα από προσπάθειες ενάμιση χρόνου έγινε τελικά δυνατόν να βρεθεί μέθοδος για την απαλλαγή των μετρήσεων από τα σφάλματα των οργάνων και την περασμένη εβδομάδα ανακοινώθηκαν στο συνέδριο της Αμερικανικής Φυσικής Εταιρείας τα προκαταρκτικά αποτελέσματα, που δείχνουν να επιβεβαιώνουν τις προβλέψεις της θεωρίας του Αϊνστάιν για το ένα τουλάχιστον από τα πειράματα. Τα τελικά αποτελέσματα αναμένονται στο τέλος του χρόνου, όμως το θέμα δεν θεωρείται ότι έκλεισε, αφού πολλοί επιστήμονες θεωρούν ότι σε τέτοιου είδους πειράματα δεν επιτρέπεται να γίνεται αναγωγή των σφαλμάτων που δεν είχαν προβλεφθεί κατά τον αρχικό σχεδιασμό.


Τερτίπια του χωροχρόνου


Οταν ο Αϊνστάιν διατύπωσε το 1915 τη θεωρία του για τη βαρύτητα, αυτή που είναι γνωστή με το όνομα Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, δεν υπήρχε καμία πειραματική ένδειξη ότι ο νόμος της παγκόσμιας έλξης του Νεύτωνα ήταν λανθασμένος ή, έστω, ατελής. Η θεωρία του Αϊνστάιν, όμως, προέβλεπε διάφορα φαινόμενα που, αν και σχεδόν ανεπαίσθητα υπό κανονικές συνθήκες, ήταν δυνατό να μετρηθούν με λεπτά πειράματα. Μερικά από αυτά τα φαινόμενα έχουν ήδη παρατηρηθεί, όμως για να γίνει οριστικά αποδεκτή μια θεωρία πρέπει να παρατηρηθούν όλα τα φαινόμενα που προβλέπει, και μάλιστα με όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ακρίβεια. Δύο από τα φαινόμενα που δεν έχουν παρατηρηθεί ακόμη, τουλάχιστον με την ακρίβεια που απαιτείται, είναι αυτά που έχουν να κάνουν με την παραμόρφωση του χώρου και του χρόνου γύρω από ένα βαρύ σώμα.


Στο πρώτο από αυτά, που ονομάζεται γεωδαιτικό φαινόμενο, η βαρύτητα του σώματος δημιουργεί ένα «βαθούλωμα» στον χωρόχρονο, ανάλογο με την παραμόρφωση που υφίσταται ένα ελαστικό δίχτυ στο οποίο έχουμε τοποθετήσει μια βαριά μπάλα. Το δεύτερο, που ονομάζεται συστροφή του χωροχρόνου, είναι πολύ πιο δύσκολο να εξηγηθεί με ένα παράδειγμα, επειδή αφορά κάτι έξω από την καθημερινή μας εμπειρία. Ενα περιστρεφόμενο σώμα «παρασέρνει» στην κίνησή του τον χώρο και τον χρόνο γύρω του! Αν ανατρέξουμε στο παραπάνω παράδειγμα, το φαινόμενο αυτό είναι ανάλογο με τη «συστροφή» που παθαίνει το ελαστικό δίχτυ από την περιστροφή της μπάλας. Για τον πειραματικό έλεγχο αυτών των δύο φαινομένων εκτοξεύθηκε το 2004 ο δορυφόρος Ανιχνευτής Βαρύτητας Β, ο οποίος συνέλεξε δεδομένα επί έναν ολόκληρο χρόνο. Υπό κανονικές συνθήκες αναμενόταν να μας δώσει οριστικά αποτελέσματα για την ένταση των δύο παραπάνω φαινομένων στο βαρυτικό πεδίο της Γης μέσα στο 2006, όμως απρόβλεπτα σφάλματα στα όργανα μέτρησης δυσκόλεψαν πολύ το έργο των οργανωτών του πειράματος.


Παγιδευμένα γυροσκόπια


Η λειτουργία του Ανιχνευτή Βαρύτητας Β στηρίζεται στη μέτρηση της μετάθεσης του άξονα περιστροφής τεσσάρων γυροσκοπίων που μεταφέρει στο εσωτερικό του, δηλαδή στην αλλαγή του προσανατολισμού τους. Η μετάθεση αυτή μπορεί να οφείλεται τόσο σε διάφορες δυνάμεις που εξασκούνται στα γυροσκόπια όσο και στην παραμόρφωση του χωροχρόνου που οφείλεται στα δύο σχετικιστικά φαινόμενα που αναφέρθηκαν παραπάνω, δηλαδή το γεωδαιτικό φαινόμενο και η συστροφή του χωροχρόνου. Επειδή η μετάθεση που οφείλεται στη Σχετικότητα είναι εξαιρετικά μικρή, έγινε προσπάθεια να εκμηδενιστούν όλες οι δυνάμεις που θα μπορούσαν να προκαλέσουν μετάθεση των αξόνων. Τα γυροσκόπια είναι τα πιο τέλεια σφαιρικά αντικείμενα που έχουν κατασκευαστεί ποτέ από άνθρωπο, με ακρίβεια καλύτερη από 10 δισεκατομμυριοστά του μέτρου. Αιωρούνται με ηλεκτροστατικές δυνάμεις μέσα στη θήκη τους, όπου η πίεση είναι το ένα χιλιοστό του τρισεκατομμυριοστού της ατμοσφαιρικής και η θερμοκρασία -270 βαθμοί Κελσίου. Το τηλεσκόπιο, που χρησιμοποιήθηκε για να προσανατολίσει αρχικά τα γυροσκόπια παρατηρώντας ένα απομακρυσμένο αστέρι, είχε ακρίβεια σκόπευσης 1.000 φορές καλύτερη από όλες τις προηγούμενες αντίστοιχες κατασκευές. Δυστυχώς, παρά τον επιμελημένο σχεδιασμό και την άψογη κατασκευή των οργάνων του διαστημοπλοίου, παρατηρήθηκε κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους ένα φαινόμενο που δεν είχε προβλεφθεί αρχικά. Συγκεκριμένα, οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις που συγκρατούν στη θέση τους τα γυροσκόπια εμφάνισαν μικρές διακυμάνσεις, οι οποίες τελικά προκάλεσαν επιπρόσθετη μετάθεση, και μάλιστα μεγαλύτερη από αυτήν που οφείλεται στα φαινόμενα της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας! Από τη στιγμή που διαπιστώθηκε αυτό το πρόβλημα, ξεκίνησε μια μεγάλη προσπάθεια «καθαρισμού» των μετρήσεων από τα σφάλματα, η οποία μόλις άρχισε να αποφέρει καρπούς.


Μετρώντας και… ξαναμετρώντας


Τα πρώτα αποτελέσματα του πειράματος ανακοινώθηκαν την περασμένη εβδομάδα στο εαρινό συνέδριο της Αμερικανικής Φυσικής Εταιρείας και ήταν θετικά. Το γεωδαιτικό φαινόμενο βρέθηκε ότι προκαλεί μετάθεση 6,6 δεύτερα λεπτά του τόξου σε ένα χρόνο, αποτέλεσμα που προσεγγίζει με ακρίβεια 1% τις θεωρητικές προβλέψεις, αλλά υστερεί πολύ από τις δυνατότητες που είχαν, σύμφωνα με τις προδιαγραφές, τα όργανα του διαστημοπλοίου. Οι ιθύνοντες του πειράματος είναι αισιόδοξοι ότι ως το τέλος του χρόνου, οπότε αναμένεται να δοθούν στη δημοσιότητα τα οριστικά αποτελέσματα του πειράματος, η ακρίβεια θα βελτιωθεί κατά 100 φορές. Αν αυτή η αισιοδοξία επιβεβαιωθεί, τότε θα γίνει δυνατό να μετρηθεί και η μετάθεση που οφείλεται στη συστροφή του χωροχρόνου, η οποία είναι 170 φορές μικρότερη από τη μετάθεση που οφείλεται στο γεωδαιτικό φαινόμενο. Αξίζει όμως να σημειωθεί ότι η πρώτη μέτρηση της συστροφής έγινε από τον έλληνα Ερρίκο Παυλή και τον ιταλό συνεργάτη του Ιγνάτσιο Τσιουφολίνι πριν από δυόμισι χρόνια, με βάση τις ανωμαλίες των τροχιών δύο γεωδαιτικών δορυφόρων. Βέβαια η ακρίβεια της μέτρησης των Παυλή – Τσιουφολίνι ήταν 10 φορές χειρότερη από αυτήν που αναμένεται να έχει τελικά ο Ανιχνευτής Βαρύτητας Β, όμως το κόστος του πειράματός τους ήταν μηδαμινό σε σχέση με τα 760 εκατομμύρια δολάρια που κόστισε ολόκληρο το αμερικανικό εγχείρημα.


Ο κ. Χάρης Βάρβογλης είναι αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης.

Science
ΒΗΜΑτοδότης
Σίβυλλα
Helios Kiosk