Tévedett-e Galilei?
Galilei legendás kísérletének vázlata
Négyszáz évvel ezelőtt - legalábbis így őrzi a tudományos folklór - Galileo Galilei különféle tárgyakat kezdett ejtegetni a pisai Ferde toronyból: ágyúgolyókat és különböző méretű arany-, ezüst- és fagolyóbisokat. Valamennyi egyszerre érkezett a talajra: tömegüktől és anyaguktól függetlenül a gravitációs erő ugyanolyan mértékben gyorsította fel őket. Ezt a tapasztalatot fejezi ki az ekvivalenciaelv, amelyre Einstein általános relativitáselmélete épült.
De mi van akkor, ha Galilei tévedett?
"Néhány újabb elmélet szerint a gravitációs gyorsulás, bár elenyészően kis mértékben, de mégis függ a testek anyagi minőségétől" - mondta Jim Williams, a NASA Jet Propulsion Laboratóriumának (JPL) fizikusa. Márpedig ha ez valóban így van, akkor a relativitáselméletet újra kell gondolni, s ez a fizika újabb forradalmát indíthatja el.
A NASA egy kutatócsoportja most arra készül, hogy a Holdon elhelyezett tükrökről visszaverődő lézersugarak segítségével minden eddiginél pontosabban tesztelje az ekvivalenciaelv érvényességét. "Ma ez a rendelkezésünkre álló legpontosabb mérési eljárás az általános relativitáselmélet alapfeltevésének ellenőrzésére" - magyarázta Slava Turyshev, a JPL kutatócsoportjának tagja.
Ez valójában Galilei kísérletének modern változata: a kutatók nem egy toronyból ejtegetnek különböző labdákat, hanem azt mérik meg nagyon pontosan, milyen gyorsulással "esik" a Föld és a Hold a Nap felé. Ha ebben kimutatható valamekkora különbség, akkor az ekvivalenciaelv sérül: ez konkrétan abban nyilvánulna meg, hogy a Hold pályája némileg elferdülne (aszimmetrikus lenne) vagy a Nap felé, vagy azzal ellentétes irányban. "Ez mindenképpen csak egy nagyon pici hatás lehet: ezért is van szükségünk csillagászati méretű objektumokra a parányi eltérés kimutatásához" - magyarázta Williams.
A kísérlet annyiban nem új, hogy a lézeres távolságmérést a Hold pályájának pontos meghatározására már az Apollo-missziók óta alkalmazzák a kutatók. Több mint 30 évvel ezelőtt az űrhajósok lézertükröket helyeztek el a Hold felszínén: a róluk visszaverődő lézersugarakkal pontosan kimérhető a Hold Föld körüli mozgása. E mérések eddig százezred milliárdod résznyi pontossággal (10-13) igazolták az ekvivalenciaelvet. De ez még mindig nem elegendő ahhoz, hogy kizárjon újabb, az einsteini relativitáselméletet meghaladó elképzeléseket.
Ami a távolságmérés pontosságát illeti, ez azt jelenti, hogy a lézeres mérésekkel a Holdnak a Földtől mért távolságát - amely nagyjából 385 000 kilométer - mintegy 1,7 centiméteres pontossággal tudják megmérni. Most a NASA és a Nemzeti Tudományos Alap (National Science Foundation, NSF) támogatásával ezt a pontosságot egy nagyságrenddel tudják növelni, vagyis a távolságmérés pontossága mindössze 1-2 milliméter lesz.
A kísérletben a Texasi Egyetem McDonald Obszervatóriumának távcsöve fogja fel a Holdra küldött és a tükrökről visszavert lézersugarakat
E pontosság eléréséhez több feltételnek kell teljesülnie: a berendezésnek (Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation: APOLLO) a lézersugarak oda-vissza "repülési" idejét néhány pikoszekundumos (10-12 másodperces) pontossággal kell meghatároznia. Ebből, valamint a fény nagyjából másodpercenként 300 ezer kilométeres - szintén rendkívül pontosan ismert - sebességéből határozható meg az APOLLO távcsöve és a Holdon elhelyezett tükrök közötti távolság.
A pontosság növeléséhez több tényező is hozzájárul. Először is, a korábbi mérésekben alkalmazott 0,72 méteres átmérőjű tükrös távcső helyébe most egy 3,5 méteres lép: míg eddig lézerimpulzusonként a Holdra "kilőtt" minden száz fotonból egy visszatérőt sikerült "elkapni", ez a szám most az ötszörösére nő (az egyes lézerimpulzusokban több mint 1017 foton van!). Ez számottevően csökkenti az eredmények statisztikai hibáját.
De vannak egyéb zavaró hatások is, amelyeket ki kell küszöbölni. Így például a légköri turbulenciát, amely nemcsak a csillagok "pislogását" okozza, hanem a lézerfény pályáját hasonlóképpen eltorzítja. Ezenkívül a kívánt mérési pontosság mellett a kisebb (éves szinten néhány centiméteres amplitúdójú) földmozgásokat is számításba kell venni. A kutatók ezért választották az új távcső elhelyezésére az új-mexikói White Sands melleti hegycsúcsot, ahol a légköri viszonyok kivételesen nyugodtak, és a földmozgások is szinte elhanyagolhatók. Természetesen mind a légköri viszonyokban, mind a földrajzi pozícióban bekövetkező változásokat folyamatosan monitorozzák, s az eredményeket annak megfelelően korrigálják majd.
Mai fizikai világképünk két nagy pillére: az einsteini relativitáselmélet és a kvantumfizika (részecskefizika) standard modellje külön-külön rendkívül sikeres és kísérletileg sokszorosan nagy pontossággal igazolt. Ugyanakkor évtizedek óta ismert a két elmélet összeegyeztethetetlensége is, amelynek kiküszöbölésére számos, úgynevezett egyesített térelméleti modell létezik, ám a versengő elképzelések közül csak kísérleti bizonyítékok alapján lehetne választani.
Ezért is várják különös izgalommal e kísérletsorozat és más, hasonló célú kísérletek eredményeit elsősorban e teóriák kidolgozói.
Galilei legendás kísérletének vázlata
Négyszáz évvel ezelőtt - legalábbis így őrzi a tudományos folklór - Galileo Galilei különféle tárgyakat kezdett ejtegetni a pisai Ferde toronyból: ágyúgolyókat és különböző méretű arany-, ezüst- és fagolyóbisokat. Valamennyi egyszerre érkezett a talajra: tömegüktől és anyaguktól függetlenül a gravitációs erő ugyanolyan mértékben gyorsította fel őket. Ezt a tapasztalatot fejezi ki az ekvivalenciaelv, amelyre Einstein általános relativitáselmélete épült.
De mi van akkor, ha Galilei tévedett?
"Néhány újabb elmélet szerint a gravitációs gyorsulás, bár elenyészően kis mértékben, de mégis függ a testek anyagi minőségétől" - mondta Jim Williams, a NASA Jet Propulsion Laboratóriumának (JPL) fizikusa. Márpedig ha ez valóban így van, akkor a relativitáselméletet újra kell gondolni, s ez a fizika újabb forradalmát indíthatja el.
A NASA egy kutatócsoportja most arra készül, hogy a Holdon elhelyezett tükrökről visszaverődő lézersugarak segítségével minden eddiginél pontosabban tesztelje az ekvivalenciaelv érvényességét. "Ma ez a rendelkezésünkre álló legpontosabb mérési eljárás az általános relativitáselmélet alapfeltevésének ellenőrzésére" - magyarázta Slava Turyshev, a JPL kutatócsoportjának tagja.
Ez valójában Galilei kísérletének modern változata: a kutatók nem egy toronyból ejtegetnek különböző labdákat, hanem azt mérik meg nagyon pontosan, milyen gyorsulással "esik" a Föld és a Hold a Nap felé. Ha ebben kimutatható valamekkora különbség, akkor az ekvivalenciaelv sérül: ez konkrétan abban nyilvánulna meg, hogy a Hold pályája némileg elferdülne (aszimmetrikus lenne) vagy a Nap felé, vagy azzal ellentétes irányban. "Ez mindenképpen csak egy nagyon pici hatás lehet: ezért is van szükségünk csillagászati méretű objektumokra a parányi eltérés kimutatásához" - magyarázta Williams.
A kísérlet annyiban nem új, hogy a lézeres távolságmérést a Hold pályájának pontos meghatározására már az Apollo-missziók óta alkalmazzák a kutatók. Több mint 30 évvel ezelőtt az űrhajósok lézertükröket helyeztek el a Hold felszínén: a róluk visszaverődő lézersugarakkal pontosan kimérhető a Hold Föld körüli mozgása. E mérések eddig százezred milliárdod résznyi pontossággal (10-13) igazolták az ekvivalenciaelvet. De ez még mindig nem elegendő ahhoz, hogy kizárjon újabb, az einsteini relativitáselméletet meghaladó elképzeléseket.
Ami a távolságmérés pontosságát illeti, ez azt jelenti, hogy a lézeres mérésekkel a Holdnak a Földtől mért távolságát - amely nagyjából 385 000 kilométer - mintegy 1,7 centiméteres pontossággal tudják megmérni. Most a NASA és a Nemzeti Tudományos Alap (National Science Foundation, NSF) támogatásával ezt a pontosságot egy nagyságrenddel tudják növelni, vagyis a távolságmérés pontossága mindössze 1-2 milliméter lesz.
A kísérletben a Texasi Egyetem McDonald Obszervatóriumának távcsöve fogja fel a Holdra küldött és a tükrökről visszavert lézersugarakat
E pontosság eléréséhez több feltételnek kell teljesülnie: a berendezésnek (Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation: APOLLO) a lézersugarak oda-vissza "repülési" idejét néhány pikoszekundumos (10-12 másodperces) pontossággal kell meghatároznia. Ebből, valamint a fény nagyjából másodpercenként 300 ezer kilométeres - szintén rendkívül pontosan ismert - sebességéből határozható meg az APOLLO távcsöve és a Holdon elhelyezett tükrök közötti távolság.
A pontosság növeléséhez több tényező is hozzájárul. Először is, a korábbi mérésekben alkalmazott 0,72 méteres átmérőjű tükrös távcső helyébe most egy 3,5 méteres lép: míg eddig lézerimpulzusonként a Holdra "kilőtt" minden száz fotonból egy visszatérőt sikerült "elkapni", ez a szám most az ötszörösére nő (az egyes lézerimpulzusokban több mint 1017 foton van!). Ez számottevően csökkenti az eredmények statisztikai hibáját.
De vannak egyéb zavaró hatások is, amelyeket ki kell küszöbölni. Így például a légköri turbulenciát, amely nemcsak a csillagok "pislogását" okozza, hanem a lézerfény pályáját hasonlóképpen eltorzítja. Ezenkívül a kívánt mérési pontosság mellett a kisebb (éves szinten néhány centiméteres amplitúdójú) földmozgásokat is számításba kell venni. A kutatók ezért választották az új távcső elhelyezésére az új-mexikói White Sands melleti hegycsúcsot, ahol a légköri viszonyok kivételesen nyugodtak, és a földmozgások is szinte elhanyagolhatók. Természetesen mind a légköri viszonyokban, mind a földrajzi pozícióban bekövetkező változásokat folyamatosan monitorozzák, s az eredményeket annak megfelelően korrigálják majd.
Mai fizikai világképünk két nagy pillére: az einsteini relativitáselmélet és a kvantumfizika (részecskefizika) standard modellje külön-külön rendkívül sikeres és kísérletileg sokszorosan nagy pontossággal igazolt. Ugyanakkor évtizedek óta ismert a két elmélet összeegyeztethetetlensége is, amelynek kiküszöbölésére számos, úgynevezett egyesített térelméleti modell létezik, ám a versengő elképzelések közül csak kísérleti bizonyítékok alapján lehetne választani.
Ezért is várják különös izgalommal e kísérletsorozat és más, hasonló célú kísérletek eredményeit elsősorban e teóriák kidolgozói.