Изображение предоставлено NASA / JPL.
Рано или поздно правление Эйнштейна, как и правление Ньютона до него, придет к концу. Большинство ученых считают, что переворот в мире физики, который свергнет наши представления об основополагающей реальности, неизбежен, и в настоящее время между несколькими теориями, претендующими на смену престола, идут скачки.
В ход идут такие изнурительные идеи, как 11-мерная вселенная, универсальные «константы» (такие как сила гравитации), которые изменяются во времени и пространстве и остаются действительно фиксированными в невидимом 5-м измерении, бесконечно малые вибрирующие струны, как фундаментальные составляющие реальности и ткань пространства и времени, которая, как полагал Эйнштейн, не является гладкой и непрерывной, а разделена на отдельные неделимые куски исчезающе малого размера. Эксперимент в конечном итоге определит, какие победы.
Ученые из Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL) разрабатывают новую концепцию эксперимента для более точной, чем когда-либо, проверки предсказаний относительности Эйнштейна. Их миссия, которая эффективно использует нашу солнечную систему в качестве гигантской лаборатории, поможет сузить область соперничающих теорий и приблизит нас на один шаг к следующей революции в физике.
Дом разделен
Возможно, это не сильно влияет на сознание большинства людей, но великий раскол уже давно мучает наше фундаментальное понимание вселенной. В настоящее время существуют два способа объяснения природы и поведения пространства, времени, вещества и энергии: теория относительности Эйнштейна и «стандартная модель» квантовой механики. Оба чрезвычайно успешны. Например, Глобальная система позиционирования (GPS) была бы невозможна без теории относительности. Тем временем компьютеры, телекоммуникации и Интернет являются побочным продуктом квантовой механики.
Но эти две теории похожи на разные языки, и никто еще не знает, как их переводить. Относительность объясняет гравитацию и движение, объединяя пространство и время в четырехмерную, динамическую, упругую ткань реальности, называемую пространством-временем, которая изгибается и деформируется энергией, которую она содержит. (Масса является одной из форм энергии, поэтому она создает гравитацию, деформируя пространство-время.) С другой стороны, квантовая механика предполагает, что пространство и время образуют плоскую, неизменную «стадию», на которой разворачивается драма из нескольких семейств частиц. , Эти частицы могут двигаться во времени как вперед, так и назад (что не позволяет относительность), а взаимодействия между этими частицами объясняют основные силы природы - за явным исключением гравитации.
Застой между этими двумя теориями продолжался десятилетиями. Большинство ученых предполагают, что каким-то образом в конечном итоге будет разработана объединяющая теория, объединяющая две теории, показывающая, как содержащиеся в них истины могут вписаться в единую, всеобъемлющую структуру реальности. Такая «Теория Всего» глубоко повлияла бы на наше знание о рождении, эволюции и возможной судьбе вселенной.
Слава Турышев, ученый из JPL, и его коллеги придумали, как использовать Международную космическую станцию (МКС) и два мини-спутника на орбите на другой стороне Солнца, чтобы проверить теорию относительности с беспрецедентной точностью. Их концепция, разработанная частично благодаря финансированию Бюро биологических и физических исследований НАСА, будет настолько чувствительной, что может выявить недостатки в теории Эйнштейна, предоставляя тем самым первые достоверные данные, необходимые для того, чтобы определить, какая из конкурирующих Теорий Всего согласна с реальностью и которые просто модные мелки.
Эксперимент под названием «Лазерный астрометрический тест относительности» (LATOR) позволит увидеть, как гравитация Солнца отклоняет лучи лазерного света, излучаемого двумя мини-спутниками. Гравитация изгибает путь света, потому что она деформирует пространство, через которое проходит свет. Стандартная аналогия для этой деформации пространства-времени под действием силы тяжести состоит в том, чтобы представить пространство как плоский лист резины, который растягивается под весом таких объектов, как солнце. Углубление в листе заставит объект (даже немассовую частицу света), проходящий рядом с солнцем, слегка повернуться, когда он пройдет.
Фактически, именно путем измерения изгиба звездного света солнцем во время солнечного затмения в 1919 году сэр Артур Эддингтон впервые проверил теорию общей относительности Эйнштейна. В космическом плане гравитация Солнца довольно слабая; путь луча света, скользящего по краю солнца, будет изгибаться только примерно на 1,75 угловых секунд (угловая секунда составляет 1/3600 градуса). В пределах точности своего измерительного оборудования Эддингтон показал, что звездный свет действительно отклоняется на эту величину - и при этом эффективно импичирует Ньютону.
LATOR измерял бы это отклонение с точностью в миллиард (109) раз точности эксперимента Эддингтона и в 30000 раз с точностью текущего рекордсмена: случайное измерение с использованием сигналов от космического корабля Кассини на пути к исследованию Сатурна.
«Я думаю, что [LATOR] был бы довольно важным достижением для фундаментальной физики», - говорит Клиффорд Уилл, профессор физики в Вашингтонском университете, который внес большой вклад в постньютоновскую физику и не имеет прямого отношения к LATOR. «Мы должны продолжать пытаться добиваться большей точности в тестировании общей теории относительности просто потому, что любое отклонение означало бы, что есть новая физика, о которой мы раньше не знали».
Солнечная лаборатория
Эксперимент будет работать следующим образом: два небольших спутника, каждый шириной около одного метра, будут запущены на орбиту, вращающуюся вокруг Солнца примерно на том же расстоянии, что и Земля. Эта пара мини-спутников будет вращаться вокруг Земли медленнее, чем Земля, поэтому примерно через 17 месяцев после запуска мини-спутники и Земля будут находиться на противоположных сторонах Солнца. Даже если эти два спутника будут на расстоянии около 5 миллионов километров друг от друга, угол между ними, если смотреть с Земли, будет крошечным, всего около 1 градуса. Вместе два спутника и Земля сформировали бы тощий треугольник с лазерными лучами вдоль его сторон, и один из этих лучей проходил близко к солнцу.
Турышев планирует измерить угол между двумя спутниками с помощью интерферометра, установленного на МКС. Интерферометр - это устройство, которое улавливает и объединяет лучи света. Измеряя, как световые волны от двух мини-спутников «мешают» друг другу, интерферометр может измерять угол между спутниками с необычайной точностью: около 10 миллиардных долей секунды или 0,01 мкс (микродугсекунды). Когда учитывается точность других частей конструкции LATOR, это дает общую точность измерения степени изгиба лазерного луча около 0,02 °, как при одном измерении.
«Использование МКС дает нам несколько преимуществ», - объясняет Турышев. «Во-первых, он выше искажений атмосферы Земли, и он также достаточно велик, чтобы позволить нам расположить две линзы интерферометра далеко друг от друга (по одной линзе на каждом конце фермы солнечной панели), что улучшает разрешение и точность Результаты."
Точность LATOR в 0,02 as достаточно хороша, чтобы выявить отклонения от теории относительности Эйнштейна, предсказанные устремленными Теориями Всего, которые колеблются примерно от 0,5 до 35 as. Согласие с измерениями LATOR станет серьезным стимулом для любой из этих теорий. Но если даже LATOR не обнаружит отклонений от Эйнштейна, большинство нынешних претендентов - вместе с их 11 измерениями, пиксельным пространством и непостоянными константами - получат смертельный удар и «перейдут» к этой большой пыльной библиотеке библиотек в небе. ,
Поскольку для миссии требуются только существующие технологии, Турышев говорит, что LATOR может быть готов к полету уже в 2009 или 2010 году. Так что, возможно, пройдет не так много времени, прежде чем тупик в физике выйдет из-под контроля, и новая теория гравитации, пространства и времени займет трон.
Первоначальный источник: НАСА / Science Story
