Popularnonaukowe

Najpiękniejsza weryfikacja ogólnej teorii względności

Einsteinowska wizja elastycznej czasoprzestrzeni przetrwała stulecie wymagających testów. Do najbardziej wyrafinowanych należała misja Gravity Probe B.

byAdam Adamczyk

10/02/2016

6 minute read

33 komentarze

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

Albert Einstein narobił na początku ubiegłego stulecia niezłego zamieszania. Najpierw orzekł, że czas i trójwymiarowa przestrzeń nie są osobnymi bytami, lecz pozostają ze sobą w zażyłej i nierozerwalnej relacji. Zaraz potem zasugerował, że cała ta czasoprzestrzeń nie jest tylko bierną scenerią dla ciał i procesów, lecz osobną strukturą o własnej geometrii oraz właściwościach fizycznych.

Na wiecznym poligonie

Gdyby wyjąć z niej wszelką materię i energię, sieć czasoprzestrzeni byłaby zupełnie płaska, wystarczy jednak obecność jakiegokolwiek obiektu – twierdził Einstein – aby doprowadzić do jej zniekształcenia. A ponieważ wszechświat zasadniczo zawiera w sobie sporo najróżniejszych obiektów, czasoprzestrzeń właściwie nigdy nie jest gładka. Gdybyśmy mogli ją pokolorować i zobaczyć, dostrzeglibyśmy wszechobecne zagięcia, zmarszczki, fałdy i zagłębienia.

Cytując klasyka: czasoprzestrzeń mówi materii jak ma się poruszać, a materia mówi czasoprzestrzeni, jak ma się zakrzywiać.

Była to niezwykle doniosła myśl. Kuferek otwarty przez Einsteina, okazał się wypełniony po brzegi pomysłami nowych obiektów, zjawisk i efektów, które powinny wypełniać pogięty wszechświat. Jeżeli ogólna teoria względności działała, a masywne ciała naprawdę deformowały czasoprzestrzeń, to powinniśmy odkrywać takie fenomeny, jak soczewki grawitacyjne, czarne dziury, grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni, grawitacyjna dylatacja czasu, czy choćby uchwycone w 2015 roku fale grawitacyjne.

Odkrywanie każdego kolejnego zjawiska, stanowiło równocześnie następny wymyślny sprawdzian dla ogólnej teorii względności. Dodałbym do tej listy jeszcze jeden. Eksperyment na tyle ambitny i wyrafinowany, że od złożenia pierwszych szkiców do uzyskania danych, musiało minąć… ponad 40 lat.

Wleczenie czasoprzestrzeni

Projekt, o którym mowa, powstał w głowach trzech naukowców z amerykańskiego Uniwersytetu Stanforda: Leonarda Schiffa, Williama Fairbanka oraz Roberta Cannona. Fizycy zapragnęli dowieść „fizyczności” płótna czasoprzestrzeni, przez zmierzenie pewnej mało znanej konsekwencji OTW, określanej efektem wleczenia czasoprzestrzeni.

Koncepcja była niemal tak stara, jak sama ogólna teoria względności. Już w 1917 roku Austriak Hans Thirring zaczął korespondować z Einsteinem, zwracając mu uwagę, że jeśli nowe równanie jest prawidłowe, to wpływ na czasoprzestrzeń ma nie tylko obecność masy, ale również jej ruch obrotowy. Przyszły noblista przyznał mu rację. Już w roku następnym Thirring wciągnął do współpracy znajomego matematyka Josefa Lensego, co zaowocowało wspólną publikacją O wpływie samorotacji ciał centralnych na ruch planet i księżyców zgodnie z teorią grawitacji Einsteina.

Według Lensego i Thirringa czasoprzestrzeń jest ciągnięta i skręcana przez wirującą masę.

Efekt Lensego-Thirringa zakłada, że masywny obiekt nie tylko zagina czasoprzestrzeń, ale również ją za sobą ciągnie, czy też wlecze. Jeśli więc ciała niebieskie wirują (a w kosmosie wiruje niemal wszystko), to sieć czasoprzestrzenna wokół nich powinna być równocześnie nieco skręcona. Można to sobie zwizualizować, stosując proste, 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

Dokładnie to zjawisko zapragnęli zmierzyć Amerykanie. Chcieli sprawdzić, jak ruch obrotowy naszej planety ciągnie za sobą otaczający ją „miód”. 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 w jej przypadku, dosłownie mikroskopijnego efektu skręcania czasoprzestrzeni, wymagało zatem oszałamiającej precyzji.

Twórcy sondy Gravity Probe B — Od lewej: Debra, Fairbank, Everitt i Cannon ze 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, że do załatwienia sprawy i ujawnienia efektu Lensego-Thirringa wystarczy zwykły żyroskop.

No może nie do końca zwykły, bo nieco bardziej rozbudowany i o wiele, 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 projektowany w 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 superżyroskop zamierzano wysłać na orbitę okołoziemską wraz z czymś na kształt teleskopu kosmicznego.

Teraz najważniejsze. Oś obrotu kul miała być wycelowana w odległą gwiazdę. 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 niezrównaną dokładnością.

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

Swego czasu pisałem tekst poświęcony Kosmicznemu Teleskopowi Hubble’a, w którym chwaliłem niebywałą precyzję, z jaką wyką wykonano jego 2,4-metrowe zwierciadło. Główne lustro było tak gładkie, że największa nierówność sięgała co najwyżej stutysięcznej części metra. Choć trudno w to uwierzyć, konstruktorzy kosmicznego żyroskopu popisali się jeszcze większą pieczołowitością.

Niedoskonałość powleczonych niobem kwarcowych kul nie przekroczyła w żadnym miejscu 10 nanometrów, gdzie nanometr to jedna miliardowa metra. Innymi słowy, ewentualne nierówności powierzchni 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 dopiero niedawno w ramach Projektu Avogadro).

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 stłumienie pola magnetycznego. Gdy Leonard Schiff przelewał na papier swoje marzenia, większość z koniecznych do ich realizacji technologii jeszcze nie istniała.

Żyroskopy Gravity Probe B — To nie jest zwykła kulka. To ideał kuli.

Rozentuzjazmowani fizycy oficjalnie rozpoczęli Stanford Relativity Gyroscope Experiment w 1961 roku. Wiedzieli, że nieopierzona, założona zaledwie trzy lata wcześniej NASA, raczej nie jest jeszcze gotowa na to wyzwanie. Zdroworozsądkowo dopuszczali pięcio, może dziesięcioletnią obsuwę.

Były to 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. Potem, nie uwierzycie, znowu wznowiono… Zabawa trwała aż do początków następnego stulecia, czego pomysłodawcy nie przewidywali nawet w swych najgorszych koszmarach. Ostatecznie tylko Robert Cannon, jako jedyny zaangażowany teoretyk dożył momentu wysłania sprzętu na orbitę.

Lepiej późno niż wcale

Rakieta Delta II wystartowała z Vandenberg w Kalifornii wiosną 2004 roku. Satelita o sporawych 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 gwiazdę 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.

Gravity Probe B w warsztacie Lockheed Martin. Kawał satelity.

Gdy przyszła pora na ogłoszenie wstępnych wyników, uczonych oblał zimny pot: żyroskopy nie działały 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 prezes potężnego przedsiębiorstwa kredytowego Capital One, Richard Fairbank. Zbieżność nazwisk nie jest przypadkowa. Richard był synem Williama Fairbanka i postanowił hojną darowizną oddać hołd dziełu swojego zmarłego w 1989 roku ojca.

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

W ten sposób zakończyła się jedna z najdłuższych (prawie pół wieku) i najbardziej pechowych misji naukowych w dziejach NASA. Monumentalna teoria Einsteina, sprostała kolejnemu, szalenie wymagającemu wyzwaniu.