Afbeelding tegoed: NASA / JPL
Vroeg of laat zal de regering van Einstein, evenals de regering van Newton voor hem, eindigen. Een omwenteling in de natuurkunde die onze noties van de basisrealiteit omver zal werpen, is onvermijdelijk, denken de meeste wetenschappers, en momenteel is er een paardenrace gaande tussen een handvol theorieën die strijden om de opvolger van de troon te zijn.
In de running zijn zulke geestverruimende ideeën als een 11-dimensionaal universum, universele 'constanten' (zoals de zwaartekracht) die variëren in tijd en ruimte en alleen echt gefixeerd blijven in een ongeziene 5e dimensie, oneindig kleine vibrerende snaren als de fundamentele componenten van de werkelijkheid en een weefsel van ruimte en tijd dat niet glad en continu is, zoals Einstein geloofde, maar onderverdeeld in afzonderlijke, ondeelbare brokjes van verdwijnend klein formaat. Experiment zal uiteindelijk bepalen welke triomfen.
Een nieuw concept voor een experiment om de voorspellingen van de relativiteit van Einstein nauwkeuriger dan ooit tevoren te testen, wordt ontwikkeld door wetenschappers van NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL). Hun missie, die ons zonnestelsel effectief als een gigantisch laboratorium gebruikt, zou helpen het veld van wedijverende theorieën te verkleinen en ons een stap dichter bij de volgende revolutie in de natuurkunde te brengen.
Een verdeeld huis
Het weegt misschien niet zwaar op de hoofden van de meeste mensen, maar een groot scheuring heeft ons fundamentele begrip van het universum al lang geplaagd. Er zijn momenteel twee manieren om de aard en het gedrag van ruimte, tijd, materie en energie uit te leggen: de relativiteit van Einstein en het 'standaardmodel' van de kwantummechanica. Beiden zijn zeer succesvol. Het Global Positioning System (GPS) zou bijvoorbeeld niet mogelijk zijn zonder de relativiteitstheorie. Computers, telecommunicatie en internet zijn ondertussen spin-offs van de kwantummechanica.
Maar de twee theorieën zijn als verschillende talen en niemand weet nog zeker hoe ze ertussen moeten vertalen. Relativiteit verklaart zwaartekracht en beweging door ruimte en tijd te verenigen in een 4-dimensionaal, dynamisch, elastisch weefsel van de werkelijkheid, ruimtetijd genoemd, dat wordt gebogen en vervormd door de energie die het bevat. (Massa is een vorm van energie, dus het creëert zwaartekracht door ruimte-tijd te vervormen.) Quantummechanica gaat er daarentegen van uit dat ruimte en tijd een vlak, onveranderlijk "stadium" vormen waarop het drama van verschillende families van deeltjes zich ontvouwt. . Deze deeltjes kunnen zowel voorwaarts als achterwaarts in de tijd bewegen (iets wat relativiteit niet toestaat), en de interacties tussen deze deeltjes verklaren de basiskrachten van de natuur - met de flagrante uitzondering van de zwaartekracht.
De patstelling tussen deze twee theorieën duurt al tientallen jaren. De meeste wetenschappers gaan ervan uit dat er op de een of andere manier uiteindelijk een verenigende theorie zal worden ontwikkeld die de twee opsomt en laat zien hoe de waarheden die ze elk bevatten, netjes kunnen passen binnen een enkel allesomvattend kader van de werkelijkheid. Zo'n 'Theorie van Alles' zou onze kennis van de geboorte, evolutie en het uiteindelijke lot van het universum diepgaand beïnvloeden.
Slava Turyshev, een wetenschapper bij JPL, en zijn collega's hebben een manier bedacht om het Internationale Ruimtestation (ISS) en twee minisatellieten aan de andere kant van de zon te gebruiken om de relativiteitstheorie met ongekende nauwkeurigheid te testen. Hun concept, gedeeltelijk ontwikkeld door financiering van NASA's Office of Biological and Physical Research, zou zo gevoelig zijn dat het tekortkomingen in de theorie van Einstein zou kunnen onthullen, waardoor het de eerste harde gegevens zou opleveren die nodig zijn om te onderscheiden welke van de concurrerende Theorieën van Alles het eens zijn met de realiteit en die slechts fraai krijtwerk zijn.
Het experiment, genaamd Laser Astrometric Test of Relativity (LATOR), zou kijken hoe de zwaartekracht van de zon de stralen van laserlicht dat wordt uitgestraald door de twee minisatellieten afbuigt. De zwaartekracht buigt het lichtpad omdat het de ruimte vervormt waardoor het licht gaat. De standaard analogie voor deze vervorming van de ruimtetijd door de zwaartekracht is om de ruimte voor te stellen als een vlakke plaat rubber die zich uitstrekt onder het gewicht van objecten zoals de zon. Door de inzinking in het blad zou een voorwerp (zelfs een niet-massa lichtdeeltje) dat dichtbij de zon passeert, tijdens het passeren een beetje draaien.
Door het buigen van sterrenlicht door de zon tijdens een zonsverduistering in 1919 te testen, testte Sir Arthur Eddington Einsteins theorie van algemene relativiteitstheorie. Kosmisch gezien is de zwaartekracht van de zon vrij zwak; het pad van een lichtstraal die langs de rand van de zon scheert, zou slechts ongeveer 1,75 boogseconden gebogen zijn (een boogseconde is 1/3600 graden). Binnen de grenzen van de nauwkeurigheid van zijn meetapparatuur toonde Eddington aan dat het sterlicht inderdaad met deze hoeveelheid kromde - en daarmee Newton effectief afzette.
LATOR zou deze afbuiging meten met een miljard (109) keer de precisie van Eddingtons experiment en 30.000 keer de precisie van de huidige recordhouder: een toevallige meting met behulp van signalen van het Cassini-ruimtevaartuig op weg naar Saturnus.
"Ik denk dat [LATOR] een behoorlijk belangrijke vooruitgang zou zijn voor de fundamentele natuurkunde", zegt Clifford Will, een professor in de natuurkunde aan de Washington University die belangrijke bijdragen heeft geleverd aan de post-Newtoniaanse fysica en niet rechtstreeks betrokken is bij LATOR. "We moeten blijven streven naar meer nauwkeurigheid bij het testen van de algemene relativiteitstheorie, simpelweg omdat elke vorm van afwijking zou betekenen dat er nieuwe fysica is waarvan we ons voorheen niet bewust waren."
Zonne-laboratorium
Het experiment zou als volgt werken: twee kleine satellieten van elk ongeveer een meter breed zouden in een baan worden gelanceerd die rond de zon cirkelt op ongeveer dezelfde afstand als de aarde. Dit paar minisatellieten zou langzamer draaien dan de aarde, dus ongeveer 17 maanden na de lancering zouden de minisatellieten en de aarde zich aan weerszijden van de zon bevinden. Hoewel de twee satellieten ongeveer 5 miljoen km van elkaar verwijderd zouden zijn, zou de hoek tussen hen gezien vanaf de aarde klein zijn, slechts ongeveer 1 graad. Samen zouden de twee satellieten en de aarde een magere driehoek vormen, met laserstralen langs de zijkanten en een van die stralen die vlak langs de zon passeerden.
Turyshev is van plan de hoek tussen de twee satellieten te meten met behulp van een interferometer die op het ISS is gemonteerd. Een interferometer is een apparaat dat lichtstralen opvangt en combineert. Door te meten hoe lichtgolven van de twee mini-satellieten met elkaar "interfereren", kan de interferometer de hoek tussen de satellieten met buitengewone precisie meten: ongeveer 10 miljardste van een boogseconde, of 0,01? As (micro-boogseconden). Wanneer rekening wordt gehouden met de precisie van de andere delen van het LATOR-ontwerp, geeft dit een algehele nauwkeurigheid voor het meten van de mate van zwaartekracht die de laserstraal buigt van ongeveer 0,02 ° als voor een enkele meting.
"Het gebruik van het ISS geeft ons een aantal voordelen", legt Turyshev uit. “Ten eerste is het boven de vervormingen van de atmosfeer van de aarde, en het is ook groot genoeg om de twee lenzen van de interferometer ver uit elkaar te plaatsen (één lens aan elk uiteinde van de zonnepaneelbundel), wat de resolutie en nauwkeurigheid van de resultaten. "
De nauwkeurigheid van 0,02 '' van LATOR is goed genoeg om afwijkingen te onthullen van Einsteins relativiteitstheorie voorspeld door de ambitieuze Theories of Everything, die variëren van ongeveer 0,5 tot 35 ''. Overeenstemming met de metingen van LATOR zou een grote stimulans zijn voor al deze theorieën. Maar als er zelfs door LATOR geen afwijking van Einstein wordt gevonden, zullen de meeste van de huidige kanshebbers - samen met hun 11 dimensies, pixellated ruimte en constante constanten - een dodelijke klap krijgen en 'doorgeven' aan die grote stoffige bibliotheekstapel in de lucht .
Omdat de missie alleen bestaande technologieën vereist, zegt Turyshev dat LATOR in 2009 of 2010 klaar kan zijn om te vliegen. Het zal dus niet lang duren voordat de patstelling in de natuurkunde wordt doorbroken en een nieuwe theorie van zwaartekracht, ruimte en tijd vergt troon.
Oorspronkelijke bron: NASA / Science Story
