Czytaj dalej

Monumentalna idea Einsteina, mimo stopnia swojej złożoności przetrwała już stulecie wymagających testów i badań. Do najbardziej wyrafinowanych spośród nich, należy bez wątpienia misja Gravity Probe B.

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

Powtórka z OTW

Opis gra­wi­ta­cji w wydaniu ein­ste­inow­skim, mimo wcze­śniej­szego spek­ta­ku­lar­nego sukcesu szcze­gól­nej teorii względ­no­ści, nie została przyjęta zbyt ciepło. Tak się bowiem złożyło, że wielkie bry­tyj­skie ośrodki naukowe nie­chęt­nie spo­glą­dały na próby zde­wa­lu­owa­nia spu­ści­zny Izaaka Newtona. Śmiała hipoteza Alberta Ein­ste­ina zakła­dała (jak na pewno wiecie) nie­ro­ze­rwalne sple­ce­nie czasu oraz prze­strzeni. Co jeszcze istot­niej­sze, prze­wi­dy­wała znie­kształ­ca­nie tego nowa­tor­skiego kon­struktu, nastę­pu­jące pod naporem masy. Jako, że zasad­ni­czo wszech­świat zawiera w sobie trochę materii – sieć cza­so­prze­strzeni wła­ści­wie nigdy nie jest gładka. Gdybyśmy mogli ją poko­lo­ro­wać i zobaczyć, dostrze­gli­by­śmy nie­zli­czone ilości zmarsz­czek, fałd i krzywizn.

Tylko co z tego wynika? Obecne w rów­na­niach Ein­ste­ina elementy (zwane przez mądrych ludzi ten­so­rami krzywizn) mówiąc naj­ogól­niej opisują efekty pływowe. Pływy naj­czę­ściej koja­rzymy ze zbior­ni­kami wodnymi, ale w tym przy­padku mamy do czy­nie­nia z pływami, falami i krzy­wi­znami powsta­łymi na struk­tu­rze cza­so­prze­strzeni. Bodaj naj­bar­dziej krzy­kliwy przejaw tego zjawiska spotkamy w pobliżu układów podwój­nych czarnych dziur bądź gwiazd neu­tro­no­wych. Taniec tak gęstych i masyw­nych obiektów, totalnie roz­beł­tuje cza­so­prze­strzeń (dokonano nawet pomiarów tych gra­wi­ta­cyj­nych zawi­ro­wań, ale zostawmy to na kiedy indziej). Zasada brzmi nastę­pu­jąco: im masyw­niej­sze jest ciało tym mocniej napina kosmiczne prze­ście­ra­dło, a to z kolei rzutuje na tra­jek­to­rie innych pobli­skich ciał. Tak mniej więcej działał nowy model gra­wi­ta­cji, powstały w głowie Ein­ste­ina.

Pierw­szych wery­fi­ka­cji OTW docze­kało się już po kilku latach. Kluczowe były tu dzia­ła­nia ambit­nego Arthura Edding­tona, który zapla­no­wał wyjazd na maleńką wysepkę w oko­li­cach równika, w celu dokład­nej obser­wa­cji cał­ko­wi­tego zaćmie­nia Słońca. Anglik stwier­dził, że jeśli młody Einstein nie zwa­rio­wał i prze­strzeń wokół masyw­nych obiektów (a naj­bliż­szy nam masywny obiekt to Słońce) jest zakrzy­wiana, to prze­la­tu­jące przez ten obszar fotony powinny to ujawnić. Drobną defor­ma­cję obrazu gwiazd widocz­nych w pobliżu tarczy sło­necz­nej, udało się zare­je­stro­wać podczas zaćmie­nia w 1919 roku. Wtedy właśnie OTW otrzy­mała prze­pustkę do nauko­wego main­stre­amu. Obecnie zjawisko soczew­ko­wa­nia gra­wi­ta­cyj­nego – bo tak je nazywamy – nie budzi już żadnych emocji, zaś współ­cze­śni astro­no­mo­wie stykają się z nim i je wyko­rzy­stują niemal na co dzień.

Wleczenie czasoprzestrzeni

Obser­wa­cja Edding­tona była zde­cy­do­wa­nie zbyt prosta. Teoria mająca opisywać dzia­ła­nie całego wszech­świata w skali makro­sko­po­wej, powinna być pod­da­wana kolejnym, naj­bar­dziej wymyśl­nym i bez­li­to­snym próbom – i tak też się działo. Pro­po­zy­cje testów były i nadal są nad­sy­łane z całego świata. Jedna z nich okazała się na tyle ambitna i pechowa, że od złożenia pierw­szych szkiców do jej reali­za­cji musiało minąć ponad 40 lat.

Szalony plan powstał w głowach trzech naukow­ców ze Stanford – Leonarda Schiffa, Williama Fair­banka, Roberta Cannona – którzy zapra­gnęli dowieść “fizycz­no­ści” płótna cza­so­prze­strzeni. Jeżeli ein­ste­inow­skie równania były poprawne, w pobliżu wiru­ją­cych masyw­nych ciał powinien wystę­po­wać efekt wle­cze­nia, czy też cią­gnię­cia za sobą prze­strzeni. Obrazowo wyjaśnił to, doko­op­to­wany później do projektu Francis Everitt, stosując 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

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, dosłow­nie mikro­sko­pij­nego wle­cze­nia cza­so­prze­strzeni, wymagało zatem osza­ła­mia­jąco dokład­nego sprzętu.

Od lewej: Debra, Fairbank, Everitt i Cannon z 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, iż do zała­twie­nia sprawy i ujaw­nie­nia skrę­ca­nia prze­strzeni wystar­czy zwykły żyroskop. No może nie do końca zwykły, bo nieco bardziej roz­bu­do­wany i o 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 ze 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 żyroskop zamie­rzano wysłać na orbitę oko­ło­ziem­ską wraz z czymś na kształt tele­skopu kosmicz­nego. Teraz naj­lep­sze. Oś obrotu kul miała być wyce­lo­wana w odległą gwiazdę, lecz 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 nie­spo­ty­kaną dokład­no­ścią.



Zasada dzia­ła­nia Gravity Probe B (za: “Poza kosmosem”).

Może pamię­ta­cie jak w tekście poświę­co­nym Kosmicz­nemu Tele­sko­powi Hubble’a, chwa­li­łem nad­ludzką precyzję z jaką wykonano jego 2,5 metrowe zwier­cia­dło? Nie­rów­ność nie mogła być w tamtym przy­padku mniejsza niż tysięczne części cen­ty­me­tra. Naprawdę trudno sobie wyobra­zić twór ludzkich rąk wykonany z jeszcze większą pie­czo­ło­wi­to­ścią. A jednak! Nie­do­sko­na­łość powle­czo­nych niobem kwar­co­wych kul kosmicz­nego żyro­skopu, nie prze­kro­czyła kilku nano­me­trów! Innymi słowy nie­rów­no­ści 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 zaledwie kilka lat temu). 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 wyeli­mi­no­wa­nie pola magne­tycz­nego. Gdy Leonard Schiff prze­le­wał na papier swoje marzenia, więk­szość z koniecz­nych do ich reali­za­cji tech­no­lo­gii jeszcze nie istniała.



Roz­en­tu­zja­zmo­wani fizycy ofi­cjal­nie roz­po­częli Stanford Rela­ti­vity Gyro­scope Expe­ri­ment w 1961 roku. Wiedząc, że wciąż nie­opie­rzona NASA raczej nie jest jeszcze gotowa na to wyzwanie, zdro­wo­roz­sąd­kowo dopusz­czali pięcio, może dzie­się­cio­let­nią obsuwę. Były to niestety 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. Wzno­wiono… Zabawa trwała aż do począt­ków następ­nego stulecia, czego nie prze­wi­dy­wali nawet w swych naj­gor­szych kosz­ma­rach pomy­sło­dawcy. Nawiasem mówiąc, tylko Robert Cannon dożył momentu wysłania sprzętu na orbitę.



Lepiej późno niż wcale

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

Gdy przyszła pora na ogło­sze­nie wstęp­nych wyników, uczonych oblał zimny pot: żyro­skopy nie zacho­wy­wały się 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 nato­miast prezes potęż­nego przed­się­bior­stwa kre­dy­to­wego Capital One, Richard Fairbank… Syn Williama Fair­banka, jednego z pomy­sło­daw­ców przed­się­wzię­cia. Trzeba przyznać, że biz­nes­men złożył nie­sa­mo­wity hołd swojemu sta­rusz­kowi.

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

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 ten sposób zakoń­czyła się jedna z naj­dłuż­szych (prawie pół wieku!) i naj­bar­dziej pecho­wych misji nauko­wych w dziejach NASA. Nato­miast monu­men­talna teoria Ein­ste­ina, wyszła bez szwanku już z kolejnej ciężkiej próby.



Literatura uzupełniająca:

T. Perrotto, NASA’s Gravity Probe B Confirms Two Einstein Space-Time Theories, [online: www.nasa.gov/mission_pages/gpb/gpb_results.html];

J. Overduin, Spacetime and Spin, [online: https://einstein.stanford.edu/SPACETIME/spacetime4.html];

E. Reich, Troubled probe upholds Einstein, [online: http://www.nature.com/news/2011/110510/full/473131a.html];

L. Schiff, Motion of a gyroscope according to Einstein’s theory of gravitation, [online: https://einstein.stanford.edu/content/sci_papers/papers/Schiff_PNAS-1960.pdf].