Fantasztikus kísérlet – tesztelik az általános relativitást

A kutatók az univerzum legmegfoghatatlanabb dolgát szeretnék most megmérni: a téridő görbületét. Mindehhez a valaha készült legtökéletesebb gömbökből állítják össze a legdrágább pörgettyűt (giroszkópot), amelyet valaha a Földön csináltak. Ezt a giroszkópot aztán fellövik az űrbe, Föld körüli pályára állítják, egy távoli csillagra fókuszálják, majd két év múlva megnézik, történt-e valamilyen változás.

Ha igen (és ez nem azért következett be, mert közben egy aszteroida becsapódott a mérőeszközbe), akkor igazolható lesz az általános relativitás elmélete, vagyis az, hogy az univerzum tér-időszerkezetét a nagytömegű testek, például a Föld nevű bolygó, eltorzíthatják.

Einstein tézisei

De nézzük miről is szól az einsteini relativitás elmélete? A híres fizikus speciális elméletét, miszerint a fény sebessége állandó, és ezt soha nem lehet felülmúlni, illetve, hogy a tömeg energiává alakulhat át, már sokszor igazolták. Többek között a hirosimai atombomba meggyőzően – talán túlzottan is meggyőzően – bizonyította Einstein ezen teóriáját (az ott ledobott bombában a maghasadáskor eltűnt tömeg alakult át energiává).

Sokkal nehezebb ugyanakkor igazolni az általános relativitáselméletet – magyarázza az angol napilap, a Guardian kommentátora. Az általános teória ugyanis a newtoni gravitációs elméletet egészítette ki azzal, hogy általános tér-időszerkezetet vázolt fel, amelyet helyenként a nagyobb tömegű testek (bolygók, csillagok) eltorzítanak.

Minél nagyobb tömegű egy égitest, annál nagyobb a téridő torzulása, annál jobban vonzza magához az űrben keringő testeket. Képletesen szólva: annál meredekebb gravitációs lejtőkön zuhannak felé a tárgyak, minél nagyobb tömegű a vonzást gyakorló égitest. A gravitációs lejtő „meredekségét” azonban nagyon nehéz megmérni. Természetesen itt nem „meredekséget” kell mérni, hanem a téridő-szerkezet torzulását.

Hogyan mérhető a téridő-torzulás?

Ennek a rendkívül elvont fogalomnak a mérésére már korábban kidolgoztak egy elképzelést. Az úgynevezett Gravitációs „A” Próba (Gravity Probe A) során 1976-ban egy atomórát vittek fel a világűrbe, és megerősítették, hogy megváltozik az idő, amennyiben a gravitáció gyengébbé válik.

A téridő torzulásának valódi mérése, az úgynevezett Gravitációs B Próba viszont korábban lehetetlennek, megvalósíthatatlannak tűnt. Ennek az elvét már 1960-ban kidolgozta Leonard Schiff, aki korábban az atombomba kifejlesztésében is részt vett Los Alamosban.

Schiff abból indult ki, hogy a forgó, pörgő égitestek nemcsak a tömegükkel befolyásolják a téridő szerkezetét, hanem állandóan mozgatják „a téridő szövetét”. Ennek a forgás következtében fellépő „ráncigálásnak” a mértékét szeretnék most az űrkutatók, a relativitáselmélettel foglalkozó fizikusok és a csillagászok megmérni.

Vákuumban a Föld körül

A mérés alapja az, hogy ha fellőnének Föld körüli pályára egy olyan giroszkópot, pörgettyűt, amely vákuumban forog a Föld körül, orbitális, a bolygó sarkpontjai fölött áthaladó pályán, akkor ennek az egyetlen távoli csillagra fókuszált pörgettyűnek a változásain pontosan ki lehet számítani a téridő torzulásának fokát. A pörgettyűt ugyanis a Föld gravitációs tömegének körülbelül 42 milliarc-másodpercnyi szöggel kell az eredeti forgási síkjából kimozdítania. Ez a kimozdulás olyan kicsi, hogy korábban senki sem vállalkozott a mérésére.

Az eltérés nagyságrendjét jól mutatja a Guardian hasonlata: körülbelül akkora az elmozdulás, mint amilyen szögben egy mérföldről (1, 6 kilométer) egy papírlap vastagsága látszana. Mindennek a gravitációs, illetve téridő-torzulásnak a megmérésére a NASA különleges berendezést készített. Az elmozdulás mérését az segíti, hogy a giroszkópot egy távoli csillagra, a Pegazus csillagképben lévő HR8703-ra fókuszálják, ehhez azonban roppant pontosságú távcsövekre van szükség. Ezután a giroszkópot ólomburokba kell helyezni, hogy a Föld mágneses mezeje ne befolyásolja a pörgést.

A szerkezetet ezután le kell hűteni az abszolút nulla fok közelébe, egészen pontosan 1, 8 kelvines hőmérsékletre. Ehhez szuperfolyékony héliumra van szükség. A giroszkópok egyébként nagy pontossággal csiszolt kvarcgömbökből állnak majd, amelyek mindegyike, vagyis mind a négy darab 38 milliméteres nagyságú. (A giroszkópok lebegését elektromos mező teszi majd lehetővé, továbbá gyakorlatilag nyomásmentes környezetben kell pörögniük.)

Kísérlet potom 650 millió dollárért

Minthogy egy ólommal lezárt szerkezetet nehéz a Földről megfigyelni, ezért szupravezető nióbiummal kellett bevonni az egész dobozt, hogy olyan mágneses mező keletkezzen, amelynek változását viszont már észlelni lehet a földi NASA-központból is.

Mindezen kívül az űrszondának, illetve a műholdnak két éven keresztül kell keringenie a Föld körüli pályán. Ezek után nem meglepő, ha a kísérlet kissé költségesnek tűnik: az egész próbálkozás potom 650 millió dollárból valósulhat meg. A berendezések mindenesetre már a kaliforniai űrállomáson, a Vandenberg légibázison várnak bevetésükre.

Ha sikerülne a 42 milliarc-másodpercnyi szögváltozást igazolni, akkor bizonyítottnak tekinthető az általános relativitáselmélet. Ha pedig nem, akkor lehet újabb elméleteket kidolgozni…