Luotain vahvisti Einsteinin käsityksen

Einsteinkaan ei uskonut, että hänen ennustamansa Maan painovoiman vaikutus aika-avaruuteen voitaisiin kokeellisesti todistaa. Nasan luotain onnistui siinä kuitenkin.

tiistai 10. toukokuuta 2011 teksti Ker Than, National Geographic News

Nasan Gravity Probe B -luotain on tutkijoiden mukaan todistanut oikeaksi kaksi Albert Einsteinin yleisessä suhteellisuusteoriassaan ennustamaa keskeistä seikkaa.

"Tällä uraauurtavalla kokeella olemme testanneet Einsteinin avaruutta, ja Einsteinin käsitys osoittautui vedenpitäväksi", selvitti tutkimuksen johtajiin kuulunut Francis Everitt Stanfordin yliopistosta Yhdysvalloista lehdistötilaisuudessa.

Gravity Probe B -luotain laukaistiin avaruuteen vuonna 2004. Siinä oli neljä äärimmäisen tarkkaa gyroskooppia – suunnan mittaamiseen käytettävää laitetta – joilla se tarkkaili kahta Einsteinin painovoimateoriaan kuuluvaa ilmiötä.

Geodeettinen vaikutus

Toinen ilmiö on geodeettinen vaikutus, joka tarkoittaa sitä, että aika-avaruus kaareutuu painovoimallaan vaikuttavan kappaleen, esimerkiksi planeetan, ympärillä.

Geodeettista vaikutusta havainnollistetaan usein vertaamalla maapalloa keilapalloon ja aika-avaruutta trampoliiniin. Maan painovoima kaareuttaa aika-avaruutta samalla tavoin kuin keilapallo painaa alas trampoliinin keskikohtaa.

Toinen painovoimavaikutus, jota Gravity Probe B testasi, oli gravitomagnetismiin kuuluva Lensen–Thirringin efekti, jota kutsutaan myös frame-dragging- eli kehyksenvetoilmiöksi. Tämän ilmiön vuoksi pyörivä tai kiihtyvä kappale vetää aika-avaruuden ainetta mukanaan.

Luotain teki sen, mitä Einsteinkaan ei pitänyt mahdollisena

Testejä tehdessään Gravity Probe B oli koko ajan suunnattuna yhteen ja samaan tähteen, IM Pegasiin, kun se kiersi napojen kautta kulkevalla radalla 644 kilometrin korkeudessa Maan pinnasta.

Jos eläisimme newtonilaisessa maailmankaikkeudessa, missä ei ole geodeettista vaikutusta eikä gravitomagnetismia, gyroskoopit pysyisivät ikuisesti samalla tavalla suunnattuina tähteen nähden.

Einsteinin kaikkeudessa kuitenkin Gravity Probe B:n gyroskooppien pyörimisakselin suuntaus muuttui vähitellen Maan massan ja pyörimisliikkeen vuoksi.

"Jos kuvitellaan, että Maa olisi upotettu hunajaan, niin voidaan myös ajatella, että hunaja kieppuisi sen mukana ympäri ja tällöin [hunajassa oleva esine] kieppuisi myös", Francis Everitt sanoi. "Juuri tämä tapahtuu gyroskoopissa."

Käydessään läpi luotaimen toimittamia tietoja tutkijat löysivät todisteen siitä, että gyroskooppien pyörimisakselin kallistuskulma oli muuttunut vuoden kuluessa noin 6 600 millikaarisekunnin verran.

Millikaarisekunti vastaa Francis Everittin selityksen mukaan "ihmisen hiuksen leveyttä 16 kilometrin etäisyydeltä nähtynä. Kyseessä on siis varsin pieni kulma, ja tämä oli juuri se tarkkuus, joka Gravity Probe B:n pitikin saavuttaa."

Muutos on todellakin niin pieni, ettei Einstein uskonut sen mittaamisen olevan mahdollista.

Vuonna 1953 julkaisemassaan kirjassa "The Meaning of Relativity" (suhteellisuuden merkitys) Einstein kirjoitti, että kehyksenvetoilmiöt "ovat olemassa teoriamme mukaan, mutta niiden suuruusluokka on niin vähäinen, että niiden vahvistaminen laboratoriokokeissa ei ole ajateltavissa".

Uutta valoa kaukaisiin arvoituksiin?

Vaikka tulokset julkistettiin vasta nyt, Gravity Probe B -luotain on jo lopettanut työnsä. Se poistettiin käytöstä joulukuussa 2010.

Gravity Probe B on saanut taloudellista tukea vuodesta 1963, ja se on yksi Nasan historian pitkäikäisimmistä hankkeista. Tutkijat olivat ideoineet tätä koetta jo ennen kuin siihen tarvittava tekniikka, kuten gyroskoopit, yleensä oli olemassa.

Luotaimen edeltäjä, Gravity Probe A, laukaistiin vuonna 1976. Myös se todisti oikeaksi yhden tärkeän kohdan Einsteinin yleisestä suhteellisuusteoriasta, nimittäin sen, että Maassa oleva kello käy hitaammin kuin kello, joka on Maata kiertävässä avaruusaluksessa.

Vaikka geodeettisen vaikutuksen ja gravitomagnetismin olemassaolo on yleisesti hyväksytty, oli tärkeää saada ne todistetuksi kokeilla, totesi fyysikko Clifford Will Washingtonin yliopistosta lehdistötilaisuudessa.

"Tässä tapauksessa tulos tukee Einsteinin käsitystä, mutta se ei ollut itsestään selvää", hän sanoi.

Lisäksi tulokset, jotka on esitelty yksityiskohtaisesti internetissä Physical Review Letters -lehden sivuilla, voivat ehkä auttaa tutkijoita ymmärtämään joitakin maailmankaikkeuden mullistavimmista tapahtumista.

"Maan pyörimisliikkeen aiheuttaman gravitomagnetismin mittaamisella on merkitystä pitkälle oman planeettamme ulkopuolelle", sanoi Clifford Will, joka ei ollut mukana Gravity Probe B -hankkeessa.

Willin mukaan gravitomagnetismi vaikuttaa todennäköisesti jollakin tavalla kvasaarien energiapurkausten syntyyn. Kvasaarit ovat hyvin kaukaisia galakseja, joiden keskuksessa on supermassiivisia, aktiivisesti ainetta imeviä, pyöriviä mustia aukkoja.

Ehkä sinua kiinnostaa...

Ehkä tämä kiinnostaa sinua ...