Najpiękniejsza weryfikacja ogólnej teorii względności

Monumentalna idea Einsteina, mimo stopnia swojej złożoności przetrwała już stulecie wymagających testów i badań. Do najbardziej wyrafinowanych spośród nich, należy bez wątpienia misja Gravity Probe B.

Należy pochwalić zespół za uzyskany wynik, ponieważ Gravity Probe B był niezwykle trudnym, ale i pięknym eksperymentem.

Ignazio Ciufolini

Powtórka z OTW

Opis grawitacji w wydaniu einsteinowskim, mimo wcześniejszego spektakularnego sukcesu szczególnej teorii względności, nie została przyjęta zbyt ciepło. Tak się bowiem złożyło, że wielkie brytyjskie ośrodki naukowe niechętnie spoglądały na próby zdewaluowania spuścizny Izaaka Newtona. Śmiała koncepcja Alberta Einsteina zakładała (jak na pewno wiecie) nierozerwalne splecenie czasu oraz przestrzeni. Co jeszcze istotniejsze, przewidywała zniekształcanie tego nowatorskiego konstruktu, następujące pod naporem masy. Jako, że zasadniczo wszechświat zawiera w sobie trochę materii – sieć czasoprzestrzeni właściwie nigdy nie jest gładka. Gdybyśmy mogli ją pokolorować i zobaczyć, dostrzeglibyśmy niezliczone ilości zmarszczek, fałd i krzywizn.

Tylko co z tego wynika? Obecne w równaniach Einsteina elementy (zwane przez mądrych ludzi tensorami krzywizn) mówiąc najogólniej opisują efekty pływowe. Pływy najczęściej kojarzymy ze zbiornikami wodnymi, ale w tym przypadku mamy do czynienia z pływami, falami i krzywiznami powstałymi na strukturze czasoprzestrzeni. Bodaj najbardziej krzykliwy przejaw tego zjawiska spotkamy w pobliżu układów podwójnych czarnych dziur bądź gwiazd neutronowych. Taniec tak gęstych i masywnych obiektów, totalnie rozbełtuje czasoprzestrzeń (dokonano nawet pomiarów tych grawitacyjnych zawirowań, ale zostawmy to na kiedy indziej). Zasada brzmi następująco: im masywniejsze jest ciało tym mocniej napina kosmiczne prześcieradło, a to z kolei rzutuje na trajektorie innych pobliskich ciał. Tak mniej więcej działał nowy model grawitacji, powstały w głowie Einsteina.

Pierwszej weryfikacji ogólna teoria względności doczekała się już po kilku latach. Kluczowe były tu działania ambitnego Arthura Eddingtona, który zaplanował wyjazd na maleńką wysepkę w okolicach równika, w celu dokładnej obserwacji całkowitego zaćmienia Słońca. Anglik stwierdził, że jeśli młody Einstein nie zwariował i przestrzeń wokół masywnych obiektów (a najbliższy nam masywny obiekt to Słońce) jest zakrzywiana, to przelatujące przez ten obszar fotony powinny to ujawnić. Drobną deformację obrazu gwiazd widocznych w pobliżu tarczy słonecznej, udało się zarejestrować podczas zaćmienia w 1919 roku. Wtedy właśnie OTW otrzymała przepustkę do naukowego mainstreamu. Obecnie zjawisko soczewkowania grawitacyjnego – bo tak je nazywamy – nie budzi już żadnych emocji, zaś współcześni astronomowie stykają się z nim i je wykorzystują niemal na co dzień.

Wleczenie czasoprzestrzeni

Obserwacja Eddingtona była zdecydowanie zbyt prosta. Teoria mająca opisywać działanie całego wszechświata w skali makroskopowej, powinna być poddawana kolejnym, najbardziej wymyślnym i bezlitosnym próbom – i tak też się działo. Propozycje testów były i nadal są nadsyłane z całego świata. Jedna z nich okazała się na tyle ambitna i pechowa, że od złożenia pierwszych szkiców do jej realizacji musiało minąć ponad 40 lat.

Szalony plan powstał w głowach trzech naukowców ze Stanford – Leonarda Schiffa, Williama Fairbanka, Roberta Cannona – którzy zapragnęli dowieść “fizyczności” płótna czasoprzestrzeni. Jeżeli einsteinowskie równania były poprawne, w pobliżu wirujących masywnych ciał powinien występować efekt wleczenia, czy też ciągnięcia za sobą przestrzeni. Obrazowo wyjaśnił to, dokooptowany później do projektu Francis Everitt, stosując słodkie porównanie.

Wyobraźcie sobie Ziemię tak, jak gdyby była zanurzona w miodzie. Gdy planeta się obraca, miód blisko niej będzie ulegać skręceniu, i to samo dzieje się z przestrzenią i czasem.

Francis Everitt

Ale, ale. Ziemia, choć wydaje nam się całym światem i łaskawie trzyma nas przy swojej powierzchni, w kosmicznej skali wielkości pozostaje zaledwie maleńką kruszynką, niewywierającą zbyt spektakularnych efektów grawitacyjnych. Zmierzenie, dosłownie mikroskopijnego wleczenia czasoprzestrzeni, wymagało zatem oszałamiająco dokładnego sprzętu.

Twórcy sondy Gravity Probe B
Od lewej: Debra, Fairbank, Everitt i Cannon z wstępnym modelem Gravity Probe B.

Niech mnie kule biją!

Schiff opublikował w 1960 roku na łamach Physical Review dwa śmiałe artykuły: o Możliwych nowatorskich eksperymentach testujących ogólną teorię względności oraz o Ruchu żyroskopów według teorii grawitacji Einsteina. Przekonywał w nich, iż do załatwienia sprawy i ujawnienia skręcania przestrzeni wystarczy zwykły żyroskop. No może nie do końca zwykły, bo nieco bardziej rozbudowany i o wiele dokładniejszy niż zabawka z jaką mogliście się zetknąć w szkole. W przeciętnym żyroskopie wirujący z odpowiednio dużą prędkością krążek dąży do zachowania kierunku osi obrotu. Instrument ze Stanford miał być złożony nie z płaskiego dysku lecz z czterech wirujących kul, zamontowanych nie na metalowej konstrukcji, lecz lewitujących w przestrzeni przy wykorzystaniu efektu nadprzewodnictwa. Tak dopieszczony żyroskop zamierzano wysłać na orbitę okołoziemską wraz z czymś na kształt teleskopu kosmicznego.

Teraz najlepsze. Oś obrotu kul miała być wycelowana w odległą gwiazdę, lecz zakładając absolutną poprawność założeń OTW, po jakimś czasie wleczona przez naszą planetę przestrzeń powinna lekko odchylić żyroskopy, przez co gwiazda “uciekłaby” z celownika. Ale uwaga: mowa o anomalii rzędu tysięcznych części stopnia. Jak się pewnie domyślacie, sprzęt przeznaczony do tak delikatnego doświadczenia musiał być skalibrowany z niespotykaną dokładnością. 

Gravity Probe B weryfikuje ogólną teorię względności
Zasada działania Gravity Probe B (za: “Poza kosmosem”).

Może pamiętacie jak w tekście poświęconym Kosmicznemu Teleskopowi Hubble’a, chwaliłem nadludzką precyzję z jaką wykonano jego 2,5 metrowe zwierciadło? Nierówność nie mogła być w tamtym przypadku mniejsza niż tysięczne części centymetra. Naprawdę trudno sobie wyobrazić twór ludzkich rąk wykonany z jeszcze większą pieczołowitością. A jednak! Niedoskonałość powleczonych niobem kwarcowych kul kosmicznego żyroskopu, nie przekroczyła kilku nanometrów! Innymi słowy nierówności były porównywalne z grubością helisy DNA. Przez długi czas żyroskopy ze Stanford dzierżyły tytuł najgładszych oraz najbardziej kulistych obiektów na świecie (gładsze kule krzemu uzyskano zaledwie kilka lat temu).

Poza samymi żyroskopami, misja wymagała wielu innych cudów inżynierii, które umożliwiłyby m.in. obniżenie temperatury poniżej 1,9 K, zmniejszenie ciśnienia poniżej miliardowej części Pa, oraz wyeliminowanie pola magnetycznego. Gdy Leonard Schiff przelewał na papier swoje marzenia, większość z koniecznych do ich realizacji technologii jeszcze nie istniała.

Żyroskopy Gravity Probe B

Rozentuzjazmowani fizycy oficjalnie rozpoczęli Stanford Relativity Gyroscope Experiment w 1961 roku. Wiedząc, że wciąż nieopierzona NASA raczej nie jest jeszcze gotowa na to wyzwanie, zdroworozsądkowo dopuszczali pięcio, może dziesięcioletnią obsuwę. Były to niestety marzenia ściętej głowy. Sama batalia o wstępne fundusze i zatwierdzenie projektu trwała trzy lata. Później misję… zawieszono. I po jakimś czasie wznowiono. Znów zawieszono. Wznowiono i zmieniono nazwę na Gravity Probe B. Zawieszono. Wznowiono… Zabawa trwała aż do początków następnego stulecia, czego nie przewidywali nawet w swych najgorszych koszmarach pomysłodawcy. Nawiasem mówiąc, tylko Robert Cannon dożył momentu wysłania sprzętu na orbitę.

Lepiej późno niż wcale

Rakieta Delta II wystartowała z Vandenberg w Kalifornii wiosną 2004 roku. Satelita o słusznych rozmiarach 6,5 x 2,5 metra znalazł się na wysokości 640 kilometrów, okrążając glob w nieco ponad półtorej godziny. Nowy, odmłodzony zespół Gravity Probe B czekał na wyniki wielkiego testu z zapartym tchem. Obserwowanie dryfu osi żyroskopów wycelowanych w oddaloną o 350 lat świetlnych IM Pegasi zajęło 13 miesięcy, podczas których dokonywano po dwa pomiary na dobę. Obliczenia nakazywały spodziewać się odchylenia w okolicach 40 milisekund kątowych, przy czym jedna milisekunda oznacza rozwarcie o grubości ludzkiego włosa widoczne z ponad 10 kilometrów.

Gdy przyszła pora na ogłoszenie wstępnych wyników, uczonych oblał zimny pot: żyroskopy nie zachowywały się tak jak powinny. Nie dość, że wiele instytucji naukowych spoglądało z zawiścią na drogi, z ich perspektywy zbędny eksperyment, to jeszcze mogło okazać się, że 750 milionów dolarów wyrzucono w błoto. NASA odmówiła wyłożenia funduszy na wyspecjalizowaną analizę koszmarnie zanieczyszczonych danych. Z ratunkiem przybyło dwóch bohaterów – co prawda nie na białych koniach, ale za to z wielgachnymi walizkami pełnymi gotówki. Pierwszym był Turki al-Saud – saudyjski filantrop, absolwent Uniwersytetu Stanforda; drugim natomiast prezes potężnego przedsiębiorstwa kredytowego Capital One, Richard Fairbank… Syn Williama Fairbanka, jednego z pomysłodawców przedsięwzięcia. Trzeba przyznać, że biznesmen złożył niesamowity hołd swojemu staruszkowi.

W dużej mierze dzięki datkom obu dobroczyńców, do 2008 roku udało się uzyskać miarodajne wyniki obserwacji. Żyroskopy potwierdziły z dokładnością do 8 milisekund kątowych, iż Ziemia obracając się wokół własnej osi, istotnie wlecze za sobą czasoprzestrzeń .

Opracowanie Gravity Probe B było naszym największym wyzwaniem, wymagającym umiejętnej integracji najnowszych dostępnych technologii. Nie osiągnęlibyśmy tego sukcesu bez unikalnej, długoterminowej współpracy, jaką udało się osiągnąć między Uniwersytetem Stanforda, Lockheed Martin i NASA.

Francis Everitt

W ten sposób zakończyła się jedna z najdłuższych (prawie pół wieku!) i najbardziej pechowych misji naukowych w dziejach NASA. Natomiast monumentalna teoria Einsteina, wyszła bez szwanku już z kolejnej ciężkiej próby.

Literatura uzupełniająca:
T. Perrotto, NASA’s Gravity Probe B Confirms Two Einstein Space-Time Theories, [online: www.nasa.gov/mission_pages/gpb/gpb_results.html];
J. Overduin, Spacetime and Spin, [online: https://einstein.stanford.edu/SPACETIME/spacetime4.html];
E. Reich, Troubled probe upholds Einstein, [online: http://www.nature.com/news/2011/110510/full/473131a.html];
L. Schiff, Motion of a gyroscope according to Einstein’s theory of gravitation, [online: https://einstein.stanford.edu/content/sci_papers/papers/Schiff_PNAS-1960.pdf].
Fale, cząstki i zabawy z dwoma szczelinami Kopernik nie była kobietą! Ani księdzem! Ten cholerny monolit. 50 lat “Odysei kosmicznej 2001”