ESA: Ρολόγια, βαρύτητα και τα όρια της σχετικότητας

Ο Διεθνής Διαστημικός Σταθμός (ISS) θα φιλοξενήσει τα πιο ακριβή από ποτέ ρολόγια που παρήχθησαν στη Γη. Με ακρίβεια ένα δευτερόλεπτο στα 300 εκατομμύρια έτη τα ρολόγια θεωρείται ότι θα ωθήσουν τη μέτρηση του χρόνου για να ελεγχθούν τα όρια της θεωρίας της σχετικότητας και τα όρια της κατανόησης της βαρύτητας. Η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Albert Einstein πρόβλεψε ότι η βαρύτητα και η ταχύτητα επηρεάζει το χρόνο, όσο πιο γρήγορα ταξιδεύει κάτι τόσο επιβραδύνεται ο χρόνος, όμως επίσης όσο περισσότερη βαρύτητα έλκει κάτι τόσο ο χρόνος επιβραδύνεται.

Στις 29 Μαΐου 1919 η θεωρία του Einstein δοκιμάστηκε για πρώτη φορά όταν ο Arthur Eddington παρατήρησε «κάμψη» του φωτός γύρω από τον Ήλιο κατά τη διάρκεια μιας ηλιακής έκλειψης. Σαράντα χρόνια αργότερα, το πείραμα Pound-Rebka μέτρησε για πρώτη φορά το φαινόμενο μετατόπισης στο ερυθρό που επάγεται από τη βαρύτητα σε εργαστήριο – όμως έναν αιώνα αργότερα οι επιστήμονες ακόμη ψάχνουν για τα όρια της θεωρίας.

«Η θεωρία της σχετικότητας περιγράφει το Σύμπαν μας σε μια πολύ μεγάλη κλίμακα, όμως στα σύνορα με την απειροελάχιστη μικρή κλίμακα η θεωρία δεν συμφωνεί και παραμένει σε μη συμφωνία με την κβαντομηχανική», εξηγεί ο Luigi Cacciapuoti, επιστήμονας του προγράμματος Atomic Clock Ensemble in Space (ACES) της ESA. «Οι σημερινές προσπάθειες για ενοποίηση της γενικής σχετικότητας και της κβαντομηχανικής προβλέπουν παραβιάσεις της αρχής ισοδυναμίας του Einstein».

Η αρχή του Einstein περιγράφει πώς η βαρύτητα εμπλέκεται με το χρόνο και το χώρο. Μια από τις πιο ενδιαφέρουσες εκδηλώσεις είναι η διαστολή του χρόνου λόγω της βαρύτητας. Το φαινόμενο αυτό έχει αποδειχθεί συγκρίνοντας ρολόγια σε διαφορετικά υψόμετρα όπως σε βουνά, σε κοιλάδες και στο διάστημα. Τα ρολόγια στα μεγαλύτερα υψόμετρα δείχνουν το χρόνο να περνά γρηγορότερα σε σχέση με ένα ρολόι στην επιφάνεια της Γης καθώς υπάρχει λιγότερη βαρύτητα όσο πιο μακριά είστε από τον πλανήτη μας.

Πετώντας στο 400 χιλιόμετρα υψόμετρο στον ISS, το ACES θα κάνει πιο ακριβείς από ποτέ πριν μετρήσεις.

Internet ρολογιών

Το ACES θα δημιουργήσει ένα «Internet ρολογιών», συνδέοντας τα πιο ακριβή ατομικά ρολόγια στον κόσμο και θα συγκρίνει την μέτρησή τους για το χρόνο με αυτά στο εργαστήριο της ανθρωπότητας με έλλειψη βαρύτητας καθώς πετάει πάνω από τα κεφάλια μας. Η σύγκριση του χρόνου με μια σταθερότητα των εκατοντάδων φεμτοδευτερολέπτων – ένα εκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου – απαιτεί τεχνικές που σπρώχνουν τα όρια της τρέχουσας τεχνολογίας. Το ACES έχει δυο τρόπους για τη μεταφορά των δεδομένων των ρολογιών, μια μικροκυματική σύνδεση και μια οπτική σύνδεση. Και οι δυο συνδέσεις ανταλλάσσουν διπλής κατεύθυνσης σήματα χρονισμού μεταξύ των σταθμών εδάφους και του διαστημικού τερματικού, όταν το σήμα χρονισμού κατευθύνεται επάνω στον Διαστημικό Σταθμό και όταν αυτό επιστρέφει κάτω στη Γη.

Η πρωτοφανής ακρίβεια που αυτή η διάταξη προσφέρει φέρνει επιπλέον κέρδη για το πείραμα ACES. Ρολόγια στο έδαφος θα συγκρίνονται μεταξύ τους παρέχοντας τοπικές μετρήσεις των γεωδυναμικών διαφορών, βοηθώντας τους επιστήμονες να μελετήσουν τον πλανήτη μας και τη βαρύτητά του. Οι συχνότητες των λέιζερ και μικροκυματικών συνδέσεων θα βοηθήσουν να κατανοηθεί πώς διαδίδονται φως και ραδιοκύματα μέσω της τροπόσφαιρας και της ιονόσφαιρας παρέχοντας έτσι πληροφορίες για το κλίμα. Τελικά, το Internet ρολογιών θα επιτρέψει τους επιστήμονες να κατανέμουν το χρόνο και να συγχρονίζουν τα ρολόγια τους παγκοσμίως για ευρείας κλίμακας με βάση τη Γη πειράματα και για άλλες εφαρμογές που απαιτούν ακριβή χρονισμό.

«Η επόμενη γενιά ατομικών ρολογιών και οι τεχνικές σύνδεσης που αναπτύσσουμε θα μπορούσαν μια μέρα να χρησιμοποιηθούν για να παρατηρηθούν τα ίδια τα βαρυτικά κύματα όπως πρότεινε η αποστολή LISA της ESA», προσθέτει ο Luigi, «όμως τώρα το ACES θα μας βοηθήσει να ελέγξουμε όσο μπορούμε καλύτερα τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Einstein, ψάχνοντας για πάρα πολύ μικρές παραβιάσεις, που αν βρεθούν, μπορεί να ανοίξουν ένα παράθυρο για μια νέα θεωρία φυσικής που πρέπει να έλθει».

Τα ρολόγια ελέγχονται και υποβάλλονται σε δοκιμές πριν από το πλήρες πείραμα. Το ACES θα είναι έτοιμο για εκτόξευση για το Διαστημικό Σταθμό μέχρι το 2020.

Πηγή: ESA

Σημείωση egno.gr:

Πείραμα Pound – Rebka: Γνωστό πείραμα που έγινε το 1959 από τους Robert Pound και Glen A. Rebka Jr., στο πλαίσιο του οποίου ακτίνες-γ εκπέμπονταν από την κορυφή ενός πύργου και μετριούνταν από ένα δέκτη στη βάση του. Σκοπός του πειράματος ήταν να ελεγχθεί η θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Albert Einstein δείχνοντας ότι τα φωτόνια κερδίζουν ενέργεια όταν ταξιδεύουν προς μια πηγή βαρύτητας, όπως η Γη.