2011.05.06. - A relativitáselmélet újabb kísérleti megerősítése

A NASA sajtótájékoztatón jelentette be, hogy a Gravity Probe B nevű űreszközzel végzett mérések feldolgozása befejeződött, a kapott eredmények pedig ismételten megerősítik az általános relativitáselmélet jóslatait.

A NASA sajtótájékoztatón jelentette be a Gravity Probe B (GP-B) nevű űreszközével végzett mérések régóta várt eredményét. A bejelentés értelmében nagy pontossággal sikerült igazolni az Einstein-féle általános relativitáselmélet egyik jóslatát, jelesül azt, amely arra vonatkozik, hogy egy forgó tömeg - esetünkben a Föld - hogyan torzítja maga körül a négydimenziós téridőt. Francis Everitt (Stanford University), a GP-B küldetés vezető kutatója szerint ez pontosan úgy történik, ahogyan azt az elmélet előre jelzi. Az eredmény méltatásában Clifford Will (Washington University, St. Louis), a NASA által a GP-B működésének ellenőrzésére 1998-ban létrehívott bizottság elnöke tovább megy, szerinte a GP-B missziót a jövő tankönyvei a fizikatörténet klasszikus kísérletei között fogják majd számontartani.

Az Einstein-féle elméletnek megfelelően a tér és az idő nem függetlenek egymástól, hanem együtt alkotják a négydimenziós ún. téridőt. Az égitestek - például a Föld - lokális eltéréseket okoznak a téridő geometriájában, meggörbítik azt. A jelenséget tradicionálisan egy feszes gumilepedő közepére helyezett acélgolyóval szokták szemléltetni. Utóbbi jelképezi mondjuk a Földet, előbbi pedig az egyébként sík téridőt, amit a golyó meggörbít, minél nagyobb a tömege, annál jobban. A hasonlat természetesen sántít, de mivel mindenképpen szeretnénk elképzelni a dolgot valahogyan, viszont jobb eszköz nem áll rendelkezésünkre, általában a gumilepedős szemléltetést alkalmazzuk. Némileg leegyszerűsítve egy égitest gravitációs vonzása nem más, mint az általa a téridőben okozott görbület hatása. Ilyen értelemben szokták azt mondani, hogy Einstein geometrizálta a gravitációt. Ha a Föld nem forogna, itt be is lehetne fejezni a GP-B sztoriját. Bolygónk azonban rotál, ami megzavarja a téridő "szép" görbülését, örvényeket kelt benne, hasonlóan ahhoz, ahogyan egy viszkózus folyadékban forgó golyó teszi. A GP-B űrszondát pontosan azért küldték 2004-ben földkörüli pályára, hogy a téridőnek a Föld forgása miatti örvénylését kimutassa.

Fantáziarajz a görbült téridő örvénylését mérő Gravity Probe B szondáról.
[J. Overduin, P. Eekels, B. Kahn]

A kísérlet alapötlete a következő. Helyezzünk el egy Föld körül keringő űreszközön egy giroszkópot, aminek forgástengelye egy távoli csillag - jelen esetben ez az IM Pegasi - fele mutat. Külső hatás hiányában a giroszkóp tengelye mozdulatlan maradna, azaz mindig a kiválasztott csillag irányában állna. Ha azonban a téridő örvénylik, a giroszkóp forgástengelyének iránya is változik. A cél ezen változás kimérése, és ezáltal a jóslat igazolása. A kísérlet gyakorlati megvalósítása természetesen elképesztően bonyolult.

A GP-B fedélzetén négy darab giroszkópot helyeztek el. A kvarzból és szilikonból készített ping pong labda méretű testecskék alakja szinte hihetetlenül pontos, sehol nem térnek el 40 atomrétegnél jobban a gömbtől. Erre azért van szükség, mert nagyobb eltérések esetén a forgástengely pusztán emiatt is imbolyogna - gondoljunk csak a nem gömb alakú Föld precessziójára -, lehetetlenné téve így a keresett effektus kimérését. A számítások szerint a Föld körüli téridő örvénylése a giroszkópok tengelyének irányában évente 0,041 ívmásodperces elmozdulást okoz. Ennek megfelelően precíz kiméréséhez azonban 0,0005 ívmásodperces pontosság szükséges, ekkora szög alatt látszana egy éléről nézett papírlap vastagsága 160 kilométer távolságból! A kívánt pontosság eléréséhez szükséges nem gravitációs perturbáló effektusok kiszűrűséhez, kompenzálásához teljesen új technológiákra volt szükség. Gondoskodni kellett például arról, hogy a műhold úgy mozoghasson a földi légkör legkülső tartományaiban, hogy ez ne legyen hatással a giroszkópokra, ki kellett találni, hogyan lehet "kizárni" a Föld mágneses terét a műholdból, hogyan lehet kompenzálni a műholdat érő napsugárzás sugárnyomásából származó perturbációkat, illetve hogyan lehet mechanikai kontaktus nélkül mérni a giroszkópok forgását. Everitt bejentése szerint egy év adatgyűjtés és öt év adatelemző munka után a keresett effektus általuk meghatározott értéke 0,039±0,007 ívmásodperc, ami kiváló egyezésben áll a relativitáselmélet által jósolt értékkel. A GP-B eredménye tehát azt jelzi a kutatók számára, hogy az általános relativitáselmélet jóslatai korrektek, így ezek az előrejelzések más, egzotikus objektumok, például nagytömegű neutroncsillagok, fekete lyukak, aktív galaxismagok esetében is használhatók.

A Gravity Probe B szonda giroszkópjainak egyike.
[NASA]

Érdemes megemlíteni, hogy a GP-B tudományos hatása nem csak a relativitáselméletre korlátozódik, aktívan befolyásolta több száz fiatal kutató életét is. Everitt statisztikája szerint csak a Stanford egyetemen 86 PhD értekezés kapcsolódik hozzá, de más egyetemeken is 14 doktorandusz foglalkozik a témával. A munkában néhány száz egyetemi és 55 főiskolai hallgató is részt vett, de tagjaik között tudhatták Sally Ride űrhajóst és a Nobel-díjas Eric A. Cornellt is. A GP-B egyébként a NASA legrégebbi projektje, 1963 őszén indult, azaz 47 évnyi munka, gyakran heroikus küzdelem gyümölcse érett be a napokban!

Az eredményeket részletező szakcikk a Physical Review Letters c. folyóirat online kiadásában jelent meg.

Forrás:

• NASA Science New 2011.05.04.