Кредит зображення: NASA / JPL
Рано чи пізно правління Ейнштейна, як і правління Ньютона перед ним, закінчиться. Більшість науковців вважає, що потрясіння у світі фізики, яке повалить наші уявлення про базову реальність, неминуче, і в даний час триває кінна гонка між жменькою теорій, які конкурують за спадкоємця престолу.
Наслідуються такі ідеї, що згинають розум, як 11-мірний Всесвіт, універсальні "константи" (наприклад, сила сили тяжіння), які змінюються в просторі та часі і залишаються по-справжньому закріпленими в небаченому 5-му вимірі, нескінченно малих вібраційних струнах основні складові реальності, і тканина простору і часу, яка не є гладкою і безперервною, як вважав Ейнштейн, але поділена на дискретні, неподільні шматки зникаючих малих розмірів. Експеримент остаточно визначить, хто перемагає.
Вчені з лабораторії реактивного руху НАСА розробляють нову концепцію експерименту для тестування прогнозів відносності Ейнштейна точніше, ніж будь-коли раніше. Їх місія, яка ефективно використовує нашу Сонячну систему як гігантську лабораторію, допомогла б звузити поле зосереджених теорій і наблизити нас на крок до наступної революції у фізиці.
Будинок розділений
Це може не сильно важити розуму більшості людей, але великий схизм давно мучив наше фундаментальне розуміння Всесвіту. Зараз існує два способи пояснення природи та поведінки простору, часу, матерії та енергії: відносність Ейнштейна та "стандартна модель" квантової механіки. Обидва надзвичайно успішні. Наприклад, система глобального позиціонування (GPS) була б неможливою без теорії відносності. Тим часом комп'ютери, телекомунікації та Інтернет - це квантова механіка.
Але дві теорії схожі на різні мови, і ніхто ще не впевнений, як їх перекладати. Відносність пояснює гравітацію і рух об'єднанням простору і часу в 4-мірну, динамічну, еластичну тканину реальності, яку називають простором-часом, яка зігнута і викривлена енергією, яку вона містить. (Маса - це одна з форм енергії, тому вона створює гравітацію, викривляючи простір-час.) Квантова механіка, з іншого боку, передбачає, що простір і час утворюють плоску, незмінну "стадію", на якій розгортається драма кількох сімейств частинок. . Ці частинки можуть рухатися як вперед, так і назад у часі (щось відносність не дозволяє), а взаємодія між цими частинками пояснює основні сили природи - за яскравим винятком сили тяжіння.
Поза між цими двома теоріями триває десятиліттями. Більшість вчених припускають, що якось, зрештою, буде розроблена об'єднаюча теорія, яка охоплює обидві, показуючи, як істини, які вони містять, можуть акуратно вписуватися в єдину всеохоплюючу рамку реальності. Така "Теорія всього" глибоко вплине на наші знання про народження, еволюцію та можливу долю Всесвіту.
Слава Туришев, вчений JPL, та його колеги продумали спосіб використання Міжнародної космічної станції (МКС) та двох міні-супутників, що орбітують на дальній стороні Сонця, щоб перевірити теорію відносності з небувалою точністю. Їх концепція, розроблена частково за рахунок фінансування NASA Управління біологічних та фізичних досліджень, була б настільки чутлива, що могла б виявити недоліки в теорії Ейнштейна, тим самим надаючи перші важкі дані, необхідні для того, щоб розрізнити, яка з конкуруючих теорій всього узгоджується з реальністю та які є просто химерними крейдовими роботами.
Експеримент під назвою Лазерний астрометричний тест на відносність (LATOR) розглядав би, як сила тяжіння Сонця відхиляє промені лазерного світла, випромінювані двома міні-супутниками. Гравітація вигинає шлях світла, оскільки він перекручує простір, через який проходить світло. Стандартною аналогією цього викривлення простору-часу гравітацією є уявлення космосу як плоский аркуш гуми, який тягнеться під вагою предметів, як сонце. Поглиблення в простирадлі призвело до того, що предмет (навіть безмасова частинка світла), що проходить поблизу Сонця, трохи повернеться, коли він проходить повз.
Насправді, вимірюючи вигин сонячного світла сонцем під час сонячного затемнення в 1919 році, сер Артур Еддінгтон вперше випробував теорію загальної відносності Ейнштейна. У космічному плані гравітація Сонця досить слабка; Шлях променя світла, що скидає край Сонця, буде зігнутий лише приблизно 1,75 дуги секунди (дуга секунди - 1/3600 градуса). У межах точності свого вимірювального обладнання Еддінгтон показав, що зіркове світло дійсно гнулося на цю суму - і тим самим ефективно перешкоджало Ньютону.
LATOR міряв би цей відхилення в мільярд (109) разів більше точності експерименту Едінгтона і в 30 000 разів більше точності поточного рекордсмена: безперервне вимірювання за допомогою сигналів космічного корабля Кассіні на шляху до вивчення Сатурна.
"Я думаю, що [LATOR] був би досить важливим досягненням фундаментальної фізики", - каже Кліффорд Вілл, професор фізики Вашингтонського університету, який зробив великий внесок у постньютонівську фізику і не бере безпосереднього залучення до LATOR. "Нам слід продовжувати намагатися надати більшу точність при тестуванні загальної відносності, просто тому, що будь-яке відхилення означатиме, що є нова фізика, про яку ми раніше не знали".
Сонячна лабораторія
Експеримент спрацював би так: Два маленькі супутники, шириною яких приблизно один метр, будуть виведені на орбіту, що обходить Сонце приблизно на тій же відстані, що і Земля. Ця пара міні-супутників орбітала б повільніше, ніж Земля, тому приблизно через 17 місяців після запуску міні-супутники та Земля опинилися б на протилежних сторонах Сонця. Незважаючи на те, що два супутники будуть розташовані приблизно на 5 мільйонів км один від одного, кут між ними, як видно із Землі, був би крихітним, лише близько 1 градуса. Разом два супутники і Земля утворювали б худий трикутник з лазерними променями вздовж його сторін, а один із цих променів проходив близько до сонця.
Туришев планує виміряти кут між двома супутниками за допомогою інтерферометра, встановленого на МКС. Інтерферометр - це пристрій, який ловить і комбінує промені світла. Виміряючи, як хвилі світла з двох міні-супутників "заважають" один одному, інтерферометр може надзвичайно точно виміряти кут між супутниками: приблизно 10 мільярдів дуги секунди або 0,01? (Мікро-дуги секунди). Коли враховуються точність інших частин конструкції LATOR, це дає загальну точність для вимірювання, наскільки сила тяжіння згинає лазерний промінь приблизно 0,02 °, ніж для одного вимірювання.
"Використання МКС дає нам кілька переваг", - пояснює Туришев. "Для одного це вище спотворень земної атмосфери, і він також досить великий, щоб ми могли розмістити два лінзи інтерферометра далеко один від одного (одна лінза на кожному кінці ферми сонячної панелі), що покращує роздільну здатність та точність результати ».
Точність LATOR є достатньою для того, щоб виявити відхилення від відносності Ейнштейна, передбачені теоріями прагнення всього, що становлять приблизно від 0,5 до 35 °. Угода з вимірюваннями LATOR була б головним стимулом для будь-якої з цих теорій. Але якщо жодного відхилення від Ейнштейна не знайде навіть ЛАТОР, більшість нинішніх претендентів - разом з 11 розмірами, пікселізованим простором і непостійними константами - зазнають фатального удару і «перейдуть» до цієї великої запиленої бібліотеки у небі .
Оскільки місія потребує лише існуючих технологій, Туришев каже, що ЛАТОР може бути готовий до польоту, як тільки в 2009 або 2010 роках. Тому, можливо, не буде занадто довго, перш ніж тупик у фізиці буде порушений, і нова теорія сили тяжіння, простору та часу займе трон.
Оригінальне джерело: NASA / Science Story
