Testiranje opće teorije relativnosti

Prvi su put opću teoriju relativnosti testirali u jednom čisto zemaljskom eksperimentu 1960. Robert Pound i Glen Rebka, i taj je test ista položila besprijekorno. Oni su mjerili pretvorbu vremena na različitim visinama, dakle na različitim mjestima prostor-vremena.

Kako se udaljavamo od središta Zemlje, gravitacijska je sila sve slabija, što matematički, kao što ćemo uskoro vidjeti, znači promjenu prostor-vremena. To znači da vrijeme na visini protječe drukčije (naime brže) nego na dubljim položajima. U normalnim se okolnostima to ne može osjetiti, ali preciznim je mjerenjima moguće ući u trag tom ponašanju. Pound i Rebka su se u tu svrhu poslužili Mössbauerovim efektom, po kojem neki kristali imaju vrlo precizno određenu frekvenciju za emisiju i apsorpciju svjetlosti. Inače, materija, kao što je atom, može odašiljati i opet apsorbirati svjetlost pri određenim frekvencijama u takozvanom spektru, što se rabi u fluorescenciji svjetlećih cijevi, ili u laserima.

Razlog je tomu kvantna priroda materije. Budući da se pojedinačni atomi ili molekule na kojima se vrše takva mjerenja kreću u plinu, dolazi do emisija i apsorpcija u različitim stanjima kretanja atoma. U konačnici se oni kreću zbog topline. Procesi emisije i apsorpcije nastupaju dakle pri različitim brzinama, a s obzirom na to da protok vremena, a time i frekvencija čija kao broj oscilacija po intervalu vremena, prema specijalnoj teoriji relativnosti ovisi o stanju kretanja, ne emitira se ili apsorbira samo svjetlost određene frekvencije već i svjetlost u nekom frekvencijskom intervalu određene širine.

Nasuprot tome, u čvrstim tijelima koja podliježu Mössbauerovim efektu ne dolazi do emisije i apsorpcije u pojedinačnim atomima, već u cijelom kristalu. Kao cjelina, on se kreće daleko manje nego atomi u nekom plinu, pa je tako i frekvencija emisije i apsorpcije daleko preciznije utvrđena. Specijalna teorija relativnosti ne vodi dakle ni do kakva odstupanja frekvencija. Pa ipak, kada se kristal koji odašilje svjetlost i kristal koji upija svjetlost nalaze na različitim visinama, u igru ulazi opća teorija relativnosti. Vrijeme za emitirajući kristal prolazi drugačije nego za apsorbirajući kristal, pa je tako frekvencija svjetlosti koja dolazi do apsorbirajućeg kristala određena s obzirom na frekvenciju koja je potrebna za uspješnu apsorpciju. Upravo se to može i mjeriti, za što čak nisu potrebne ni velike visine; umjesto toga dovoljna je zgrada od nekoliko katova.

Hafele-Keating eksperiment

Mjerenja tog istog efekta teorije relativnosti, koja se ne zasnivaju na Mössbauerovom efektu, nego na točnosti atomskih satova, proveli su J. C. Hafele i Richard Keating točnom usporedbom vremena u zrakoplovima. Ovdje su važne i specijalna teorija relativnosti, zbog brzine zrakoplova, i opća, zbog visinskog položaja. Pa ipak, značaj opće teorije relativnosti nije bio u potpunosti prepoznat čak ni nakon ovih eksperimenata.

Dana 23. lipnja 1977. lansiran je satelit NTS-2, prvi satelit koji je za eksperimentalne svrhe bio opremljen cezijevim atomskim satom. Taj je atomski sat bio posebno namješten da može kompenziiut i relativističke kotekture koje ovise o brzini satelita Ipak, ljudi koji su razvijali taj satelit nisu bilpotpuno uvjereni u nužnost korektura opće teorije relativnosti. Tako je uz sat instaliran aparat pomoću kojega se, ako je potrebno, frekvencija sata može pomaknuti na pravu vrijednost. Nakon 20 dana u svemiru signali su doista pokazivali otklon u brzini rada u odnosu na zemaljske satove, točno onako kako je predvidjela opća teorija relativnosti. U ovom slučaju pogreška je, srećom, bila korigirana uključivanjem mjenjača frekvencije.

Najveća potvrda

Opća teorija relativnosti doživjela je svoju možda najdojmljiviju potvrdu putem promatranja dvostrukih pulsara. Ovdje se radi o sustavima dviju zvijezda koje kruže jedna oko druge na maloj udaljenosti, od kojih jedna (pulsar) odašilje zračenje u pravilnim razmacima. To zračenje može se vraćati primjerice na neku brzo rotirajuću neutronsku zvijezdu, koja poput svjetionika šalje signale u svemir, a time i prema nama. Ovisno o položaju pulsara u tom sustavu dvostrukih zvijezda, signali stižu u različitim razmacima, jer do nas moraju prijeći različite putove. Iz toga se mogu vrlo precizno odrediti putanja kruženja i eventualne promjene. Opća teorija relativnosti posebice predviđa kako se tijekom kruženja odašilju gravitacijski valovi, čime sustav gubi energiju. Gubitak energije uzrokuje približavanje tih dviju zvijezda, što bi se moralo primijetiti pri preciznom mjerenju putanje.

Gubitak energije trebao bi biti najveći kada su te dvije zvijezde jedna drugoj već vrlo blizu. Tada se svaka od njih naime nalazi dublje u jakom gravitacijskom polju partnera, tako da su efekti opće teorije relativnosti jače izraženi.

Godine 1974. Joseph Taylor i Russell Hulse identificirali su jedan vrlo tijesan dvostruki pulsar od dviju neutronskih zvijezda, koje načine krug jedna oko druge za samo trećinu dana. Udaljenost između njih iznosi samo deset tisuća kilometara! To je idealan sustav za testiranje laganih promjena putanje, koje predviđa opća teorija relativnosti. Promatranja, koja traju do danas, uistinu se točno poklapaju s predviđanjima. Važnost ovog testa naglašena je dodjelom Nobelove nagrade za fiziku 1993. Hulseu i Tayloru. (Inače, i u ovom sustavu, kao i kod Merkura, dolazi do još jednog pomaka putanje bez promjene udaljenosti.) Otada se otkriva sve više tijesnih dvostrukih pulsara s različitim svojstvima putanja, koji omogućuju mnoštvo testova.

Jedan od najnovijih eksperimenata je Gravity Probe-B, satelit koji je lansiran 20. travnja 2004. i koji je skupljao podatke 16 mjeseci. Ta ideja potječe još iz 1959., ali je razvoj tehnologije potrebne za njeno ostvarenje prošao dug i naporan put pod vodstvom Francisa Everitta. Na primjer, efekti kojim se istražuju, primjerice “povlačenje” prostor-vremena u blizini rotirajuće Zemlje, koje predviđa opća teorija relativnosti, zahtijevaju za mjerenje vilo precizne žirokompase.

Kako bi se spriječile nepravilnosti koje bi poništile svako mjerenje ovih osjetljivih efekata, ti se žirokompasi moraju konstruirati od najsavršenijih kugli koje su ikada stvorene. Čak ni u cijelom svemiru nema puno konkurencije: samo su pojedine izrazito guste neutronske zvijezde savršenije kugle. Prvi rezultati obznanjeni su početkom 2007. i iznova potvrđuju opću teoriju relativnosti.

Hrvoje Krpan

Neznanje je pogonsko gorivo znanosti

You may also like...