Einsteins tankevekkende relativitetsteori består nok en stor test

I 1916, Albert Einstein våget å erklære at Isaac Newton tok feil om tyngdekraften. Nei, sa han, det er ikke en mystisk kraft som kommer fra jorden.

I stedet forestilte Einstein seg at rom og tid er vridd i et interdimensjonalt rutenett, og lissene til dette rutenettet er som avviklede binders. Bøybar; formbar. Det er bare fordi vi eksisterer inne i denne typen immaterielle maske, mente han, at våre enkle menneskekropper opplever fasade av en kraft som holder oss til bakken. Vi kaller det gravitasjon.

(Hvis det skader hjernen din, ikke bekymre deg, her er en artikkel dedikert til bryte ned dette konseptet.)

Og mens den geniale matematikeren omtalte denne forvirrende forestillingen som sin teori om generell relativitet, en tittel som ble sittende fast, kalte hans jevnaldrende det “helt upraktisk og absurd”, en tittel som ikke gjorde det. Mot alle odds har Einsteins sinnslidende idé ennå ikke sviktet. Dens premisser forblir sanne på både den minste skalaen og den ubegripelig store. Eksperter har forsøkt å stikke hull i dem en gang tilog en gang til og en gang tilmen generell relativitet råder alltid.

Og på onsdag, takket være et ambisiøst satellitteksperiment, kunngjorde forskere at den generelle relativitetsteorien nok en gang har vist seg å være en grunnleggende sannhet i universet vårt. Teamet gjennomførte det de kaller den “mest presise testen” av et av hovedaspektene til generell relativitet, kalt svak-ekvivalensprinsippet, med et oppdrag kalt Mikroskop.

“Jeg har jobbet med dette emnet i mer enn 20 år, og jeg innser lykken jeg hadde for å være prosjektleder for det vitenskapelige instrumentet og medetterforsker av dette oppdraget,” sa Manuel Rodrigues, en forsker ved fransk romfartslaboratorium ONERA og forfatter av en ny studie, publisert i tidsskriftet Physical Review Letters.

“Dette er svært sjelden å legge igjen et så bemerkelsesverdig resultat i fysikkhistorien.”

Hva er svak-ekvivalensprinsippet?

De svakt ekvivalensprinsipp er en merkelig en.

Det sier omtrent at alle objekter i et gravitasjonsfelt må falle på samme måte når ingen annen kraft virker på dem — jeg snakker om ytre forstyrrelser som vind, en person som sparker objektet, en annen gjenstand som støter inn i den, får du idé.

Og ja, når jeg sier alle objekter, mener jeg alle objekter. En fjær; et piano; en basketball; du og jeg; alt du kan forestille deg, egentlig, i henhold til dette prinsippet må falle på nøyaktig samme måte.

Mikroskopprosjektet sendte en satellitt inn i jordens bane som inneholdt to objekter: en platinalegering og titanlegering. “Utvalget var basert på teknologibetraktninger,” sa Rodrigues, for eksempel om materialene var enkle og gjennomførbare å lage i et laboratorium.

Men viktigst for å forstå svak-ekvivalensprinsippet, eller WEP, ble disse legeringene sprengt inn i jordens bane fordi ting der oppe eksisterer i planetens gravitasjonsfelt uten at noen andre krefter virker på dem. Perfekt for testkriteriene. Når satellitten var i verdensrommet, begynte forskerne å teste, i årevisom platinabiten og titanbiten falt på samme måten mens de gikk i bane rundt jorden.

Det gjorde de — til en ekstremt presis grad.

“Den mest spennende delen under prosjektet var å utvikle et instrument og et oppdrag som ingen har gjort før på et slikt nivå av nøyaktighet – en ny verden å utforske,” sa Rodrigues. “Som pionerene i denne nye verden, forventet vi i hvert øyeblikk å møte fenomener som ikke ble sett før, fordi vi var de første som gikk inn.”

Hvis du er interessert i det tekniske, viste resultatene av eksperimentet at akselerasjonen av en legerings fall skilte seg fra den andre med ikke mer enn én del i 10^15. En forskjell utover denne mengden, sier forskerne, vil bety at WEP blir krenket av vår nåværende forståelse av Einsteins teori.

For fremtiden jobber teamet med et oppfølgingsoppdrag kalt Microscope 2, som Rodrigues sier vil teste svak-ekvivalensprinsippet 100 ganger bedre.

Imidlertid er dette sannsynligvis så bra som det kommer til å bli i minst et tiår eller så, sier forskerne.

Flott, hva betyr dette for meg?

På en måte er den generelle relativitetsteoriens soliditet et slags problem. Det er fordi selv om det er en viktig plan for å forstå universet vårt, er det ikke det bare blåkopi.

Vi har også konstruksjoner som standardmodellen for partikkelfysikk, som forklarer hvordan ting som atomer og bosoner fungerer, og kvantemekanikk, som står for ting som elektromagnetisme og usikkerheten ved eksistens.

Men her er forbeholdet.

Begge disse konseptene virker like uknuselige som generell relativitet, men er likevel ikke kompatible med den. Så… noe må være galt. Og at noe hindrer oss i å skape en enhetlig historie om det fysiske universet. De standard modellfor eksempel, kjent kan ikke forklare tyngdekraftenog generell relativitetsteori tar egentlig ikke hensyn til kvantefenomener. Det er som en stor kamp for å være den ultimate teorien.

“Noen teorier forventer en kobling mellom gravitasjon og noen elektromagnetiske parametere,” ga Rodrigues som et eksempel. “Denne koblingen eksisterer ikke i Einsteins teori, det er derfor WEP eksisterer.”

Vi befinner oss ved et veiskille.

Men den lyse siden er at det store flertallet av forskere anser alle disse teoriene som uferdig. Altså, hvis vi på en eller annen måte kan finne en måte å bli ferdig dem – finn en ny kobling, for eksempel, som Rodrigues sier, eller identifiser en ny partikkel å legge til standardmodellen – som kan føre oss til de manglende brikkene i universets puslespill.

“Det burde være en revolusjon innen fysikk,” sa Rodrigues om å bryte WEP. “Det vil bety at vi finner en ny kraft, eller kanskje en ny partikkel som gravitonen – det er fysikerens gral.”