Το, εντός δορυφόρου, πείραμα MICROSCOPE, επιβεβαιώνει την αρχή της Ομοιόμορφης Ελεύθερης Πτώσης
Μία ομάδα ερευνητών παρουσίασε, με δημοσιεύσεις στο “Physical Review Letters” και σε ένα ειδικό τεύχος του “Classical and Quantum Gravity” στις 14 Σεπτεμβρίου, την ακριβέστερη, μέχρι στιγμής, δοκιμή της Ασθενούς Αρχής της Ισοδυναμίας, ενός βασικού συστατικού της θεωρίας της γενικής σχετικότητας. Η εκθέσεις περιγράφουν τα τελικά αποτελέσματα από την αποστολή MICROSCOPE, η οποία έλεγξε την αρχή, μετρώντας τις επιταχύνσεις αντικειμένων σε ελεύθερη πτώση μέσα σε έναν δορυφόρο που βρίσκεται σε τροχιά γύρω από τη Γη. Η ομάδα δεν διαπίστωσε διαφορές στις επιταχύνσεις, σε επίπεδο ακρίβειας 1 προς 1015, αποκλείοντας τυχόν παραβιάσεις της Ασθενούς Αρχής της Ισοδυναμίας ή αποκλίσεις από την τρέχουσα κατανόηση της γενικής σχετικότητας σε αυτό το επίπεδο.
Βαρύτητα, Αρχή της Ισοδυναμίας και Γενική Σχετικότητα
Από μικροί, διδασκόμαστε σχετικά με ένα από τα πιο αντιφατικά γεγονότα για τον φυσικό κόσμο: δύο αντικείμενα διαφορετικής μάζας, που πέφτουν στο κενό, θα φτάσουν στο έδαφος ταυτόχρονα. Ο Γαλιλαίος φέρεται να δοκίμασε αυτήν την αρχή της ισοδυναμίας από την κορυφή του Πύργου της Πίζας στην Ιταλία, και το ίδιο έκανε και ο αστροναύτης David Scott ρίχνοντας ένα σφυρί και ένα φτερό γερακιού στην επιφάνεια της Σελήνης το 1971. Και όμως, αυτές τις παρατηρήσεις μπορεί να μας ξενίσουν, καθώς η κοινή λογική θα μας έλεγε ότι ένα βαρύτερο αντικείμενο πέφτει πιο γρήγορα από ένα ελαφρύτερο. Η βαρύτητα, όμως, είναι μια περίεργη αλληλεπίδραση. Για να κατανοήσουμε αυτή τη δύναμη -και το τι μπορεί να μας πει για άλλα μυστήρια, όπως η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια- πρέπει να τη ελέγχουμε με ολοένα αυξανόμενη ακρίβεια. Αυτό ακριβώς μόλις έκαναν τα νέα αποτελέσματα της διαστημικής αποστολής MICROSCOPE. Το πείραμα επαλήθευσε ότι δύο μάζες (από τιτανίο και λευκόχρυσο) σε έναν δορυφόρο που βρίσκεται σε τροχιά γύρω από τη Γη πέφτουν ακριβώς με τον ίδιο τρόπο με ακρίβεια 1 προς 1015 [1]. Η επιβεβαίωση αυτή, θέτει τα πιο αυστηρά, έως σήμερα, όρια στις εναλλακτικές -της γενικής σχετικότητας- προτάσεις, η οποία αποτελεί επί του παρόντος το καλύτερο μοντέλο βαρύτητας.
«Τώρα έχουμε νέα -και πολύ καλύτερα- όρια για οποιαδήποτε μελλοντική θεωρία, επειδή οι θεωρίες αυτές θα πρέπει να μην παραβιάζουν την αρχή της ισοδυναμίας σε αυτό το επίπεδο», λέει ο Gilles Métris από το “Côte d’Azur Observatory” και μέλος της ομάδας MICROSCOPE.
Η αρχή της ισοδυναμίας συζητήθηκε για πρώτη φορά στις αρχές του 17ου αιώνα από τον Κέπλερ και τον Γαλιλαίο, πριν επανεμφανιστεί αργότερα στη θεωρία της βαρύτητας του Νεύτωνα. Αυτή η θεωρία δηλώνει ότι η βαρυτική δύναμη μεταξύ δύο σωμάτων είναι ανάλογη του γινομένου των βαρυτικών μαζών τους. Η βαρυτική μάζα είναι ένα χαρακτηριστικό των σωμάτων, που για την βαρύτητα παίζει τον ίδιο ρόλο με αυτόν του ηλεκτρικού φορτίου για τα φορτισμένα αντικείμενα. Όμως δεν είναι η μόνη μάζα που βρίσκουμε στις θεωρίες του Νεύτωνα: ο δεύτερος νόμος της κίνησης δηλώνει ότι η επιτάχυνση ενός σώματος σχετίζεται με την δύναμη που ασκείται σε αυτό, μέσω της αδρανειακής μάζας. Ως εκ τούτου, τα σώματα δυνητικά διαθέτουν δύο είδη μάζας -την μάζα βαρύτητας και την μάζα αδράνειας (ή βαρυτική και αδρανειακή μάζα)- όμως ο Νεύτωνας υπέθεσε ότι αυτές είναι ίδιες. Κατά συνέπεια, η κίνηση ενός σώματος στο βαρυτικό πεδίο της Γης (ή άλλων μεγάλων αντικειμένων) θα πρέπει να είναι ανεξάρτητη από τη μάζα του.
Η εξαιρετική αυτή πρόβλεψη, δοκιμάστηκε για πρώτη φορά από τον Νεύτωνα, σε επίπεδο αναλογίας 1 προς 1000, με την χρήση εκκρεμούς. Ένα εκκρεμές θα πρέπει να ταλαντώνεται με την ίδια συχνότητα, ανεξαρτήτως της μάζας που έχουμε αναρτήσει στο άκρο του, μια ιδιότητα που βρίσκει εφαρμογή στα ρολόγια αυτού του τύπου. Η πρώτη βελτίωση αυτής της μέτρησης επετεύχθη τον 19ο αιώνα από τον Friedrich Bessel, ο οποίος επιβεβαίωσε την ισοδυναμία με ακρίβεια 1 προς 100.000. Ακόμα πιο ακριβείς μετρήσεις εμφανίστηκαν στα τέλη του 19ου αιώνα, μέσω του έργου του φυσικού Loránd Eötvös, ο οποίος χρησιμοποίησε ένα στροφικό εκκρεμές για να επιβεβαιώσει την αρχή της ισοδυναμίας με ακρίβεια 1 προς 109. Προς τιμήν αυτού του πρωτοποριακού πειράματος, η αναλογία μεταξύ της διαφοράς επιτάχυνσης δύο σωμάτων και της μέσης επιτάχυνσής τους ονομάζεται παράμετρος Eötvös, και συμβολίζεται με “η”. Η αρχή της ισοδυναμίας ορίζει για το “η” την τιμή μηδέν.
Το πείραμα Eötvös βοήθησε να οδηγηθούμε στην επόμενη επανάσταση για την κατανόηση της βαρύτητας: την θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, που δημοσιεύθηκε το 1915. Ο Αϊνστάιν χρησιμοποίησε την πειραματικά επαληθευμένη αρχή της ισοδυναμίας ως βάση της θεωρίας του. Σε ένα διάσημο πείραμα σκέψης, φαντάστηκε ότι τοποθετούσε ένα άτομο που κρατούσε ένα μήλο σε ένα ασανσέρ, την στιγμή που κόβεται το καλώδιο. Κατά τη διάρκεια της ελεύθερης πτώσης, το άτομο αφήνει το μήλο, το οποίο αιωρείται στη θέση του αντί να πέφτει στο πάτωμα. Η βαρύτητα φαίνεται να είναι απενεργοποιημένη λόγω της αρχής της ισοδυναμίας. Ο Αϊνστάιν προχώρησε ακόμη παραπέρα και υπέθεσε ότι η βαρύτητα είναι μια ψευδαίσθηση. Ότι τα κινούμενα σώματα εκτελούν απλώς ελεύθερη πτώση στο χωροχρόνο. Ολόκληρο το οικοδόμημα της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν βασίζεται στην εγκυρότητα της αρχής της ισοδυναμίας.
Ένας, λοιπόν, από τους τρόπους επαλήθευσης της γενικής σχετικότητας είναι ο έλεγχος της αρχής της ισοδυναμίας. Η πρόοδος όσον αφορά την μέτρηση της παραμέτρου Eötvös εμφάνισε σταθερή πορεία κατά τον 20ο αιώνα, φτάνοντας σε επίπεδα η ≤ 10−13, με το πείραμα Eöt-Wash (μια ανανεωμένη έκδοση του στροφικού εκκρεμούς του Eötvös, στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον) [2] και με το πείραμα “Lunar Laser Ranging” (LLR) [3]. Όπως η ρίψη του φτερού και του σφυριού από τον Scott, το LLR αποτελεί μια υποβοηθούμενη από αστροναύτες δοκιμή της αρχής της ισοδυναμίας, χρησιμοποιώντας καθρέφτες -οι οποίοι εγκαταστάθηκαν στην επιφάνεια της Σελήνης κατά τη διάρκεια της αποστολής Apollo- για να αντανακλούν ισχυρές ακτίνες λέιζερ που στέλνονται από τη Γη. Το ανακλώμενο φως βοηθά να ανιχνευθούν μικροσκοπικές αποκλίσεις στην τροχιά της Σελήνης, οι οποίες στην συνέχεια θα ερμηνευόταν ως παραβίαση της αρχής της ισοδυναμίας από το σύστημα Γης-Σελήνης που πέφτει στο βαρυτικό πεδίο του Ήλιου.
Μια σημαντική πρόκληση για το πείραμα ήταν η εύρεση τρόπων δοκιμής του οργάνου στη Γη, για να βεβαιωθούμε ότι αυτό θα λειτουργούσε στο διάστημα όπως σχεδιάστηκε. «Η δυσκολία είναι ότι το όργανο που εκτοξεύουμε δεν μπορεί να λειτουργήσει στο έδαφος», λέει ο Manuel Rodrigues, επιστήμονας στο γαλλικό εργαστήριο αεροδιαστημικής ONERA και μέλος της ομάδας MICROSCOPE. «Άρα είναι ένα είδος τεστ στα τυφλά».
Η αποστολή MICROSCOPE
Το πείραμα MICROSCOPE -που κατασκευάστηκε από το Εθνικό Κέντρο Διαστημικών Μελετών της Γαλλίας (French National Center for Space Studies – CNES)- αποτελεί το επόμενο βήμα στην αναζήτηση της τέλειας επιβεβαίωσης της αρχής της ισοδυναμίας [4]. Εκτοξευμένος το 2016, ο δορυφόρος περιφέρθηκε γύρω από τη Γη για δύο χρόνια σε υψόμετρο 710 χιλιομέτρων. Ευρισκόμενο στο διάστημα, το πείραμα ήταν απελευθερωμένο από πολλές από τις συστηματικές αβεβαιότητες που είναι εγγενείς στις μετρήσεις στη Γη, όπως ο θόρυβος από τις σεισμικές δονήσεις ή οι διακυμάνσεις του βαρυτικού πεδίου που προκαλούνται από τα κοντινά βουνά. Η διεξαγωγή του αφορούσε την τοποθέτηση δύο ομοαξονικών κυλίνδρων -από τιτάνιο και λευκόχρυσο- σε ελεύθερη πτώση στο βαρυτικό πεδίο της Γης. Οι κύλινδροι συγκρατούνταν στην θέση τους από ηλεκτροστατικές δυνάμεις, οι οποίες αντιστάθμιζαν τις μικροσκοπικές διαταραχές μέσα στον δορυφόρο. Οι ερευνητές κοίταξαν για αποκλίσεις σε αυτές διορθωτικές τις δυνάμεις, αποκλίσεις που θα έδειχναν ότι οι δύο κύλινδροι πέφτουν με ελαφρώς διαφορετικούς ρυθμούς και -άρα- παραβιάζεται η ισοδυναμία. Η ομάδα του MICROSCOPE δημοσίευσε τα πρώτα της αποτελέσματα, το 2017, τα οποία δεν εμφάνιζαν παραβίαση, στο επίπεδο η ≤ 10−14. Η πρόσφατη δημοσίευση επιβεβαιώνει το προηγούμενο αποτέλεσμα, φτάνοντας την προβλεπόμενη ακρίβεια της αποστολής στο η ≤ 10−15.
Αυτό το σημαντικό αποτέλεσμα αποτελεί το πρώτο ελεγχόμενο πειραματικό όριο επάνω στην αρχή της ισοδυναμίας που προκύπτει στο διάστημα. Πολλές κοσμολογικές θεωρίες προβλέπουν την ύπαρξη νέων αλληλεπιδράσεων, οι οποίες θα μπορούσαν να επηρεάσουν την αρχή της ισοδυναμίας σε διαφορετικές κλίμακες στο Σύμπαν και ειδικότερα στο Ηλιακό Σύστημα. Ορισμένες θεωρίες που δημιουργήθηκαν για να εξηγήσουν τη σκοτεινή ενέργεια, για παράδειγμα, προβλέπουν ότι η αρχή της ισοδυναμίας θα μπορούσε να παραβιαστεί σε τροχιά γύρω από τη Γη [5] — ισχυρισμοί που έχουν διατυπωθεί με αναθεωρημένη μορφή πρόσφατα [6]. Η επόμενη γενιά προτεινόμενων πειραμάτων όπως το MICROSCOPE 2 θα πρέπει να φτάσει σε ένα επίπεδο ακρίβειας η ≤ 10−17, και να ωθήσει, για ακόμα μια φορά, τις θεωρίες στα όριά τους.
Ελπίζουμε, όμως, να παραβιαστεί…
Οι φυσικοί ελπίζουν ότι αυτά τα πειράματα ακριβείας θα αποκαλύψουν, τελικά, παραβιάσεις που να μπορούν να οδηγήσουν σε νέες φυσικές θεωρίες για την εξήγηση της σκοτεινής ύλης ή της σκοτεινής ενέργειας. Τα στοιχεία για τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια προέρχονται από μεγάλης κλίμακας παρατηρήσεις, όπως αυτές της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου και των μακρινών σουπερνόβα. Μελλοντικές μελέτες γαλαξιών θα δοκιμάσουν διαφορετικά κοσμολογικά μοντέλα διερευνώντας τον τρόπο με τον οποίο οι γαλαξίες “πέφτουν” ο ένας προς τον άλλο καθώς συγκεντρώνονται. Μπορούμε να οραματιστούμε σοβαρά ότι η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια θα μπορέσουν να ερμηνευθούν, στο μέλλον, μέσω μίας τροποποίηση της γενικής σχετικότητας σε κοσμική κλίμακα. Και χάρη στην ενότητα της φυσικής σε όλες τις κλίμακες, αναμένουμε ότι μια τέτοια τροποποίηση θα είναι τελικά ανιχνεύσιμη σε μικρότερες κλίμακες με τη μορφή της παραβίασης της αρχής της ισοδυναμίας σε εργαστηριακά και δορυφορικά πειράματα. Θα μπορέσει η επόμενη γενιά πειραμάτων, όπως το MICROSCOPE 2 , να εντοπίσει μια τέτοια παραβίαση;
Παραπομπές: 1. P. Touboul et al., “MICROSCOPE mission: Final results of the test of the equivalence principle,” Phys. Rev. Lett. 129, 121102 (2022). 2. T. A. Wagner et al., “Torsion-balance tests of the weak equivalence principle,” Class. Quantum Grav. 29, 184002 (2012). 3. J. G Williams et al., “Lunar laser ranging tests of the equivalence principle,” Class. Quantum Grav. 29, 184004 (2012). 4. P. Touboul et al., “MICROSCOPE Mission: First results of a space test of the equivalence principle,” Phys. Rev. Lett. 119, 231101 (2017). 5. J. Khoury and A. Weltman, “Chameleon fields: Awaiting surprises for tests of gravity in space,” Phys. Rev. Lett. 93, 171104 (2004). 6. M. Pernot-Borràs et al., “Fifth force induced by a chameleon field on nested cylinders,” Phys. Rev. D 101, 124056 (2020).
Πηγές: https://physics.aps.org/ https://phys.org/
