Πέμπτη, 5 Μαΐου 2011

Gravity Probe B

Προχθές η NASA ανακοίνωσε επίσημα την ολοκλήρωση της επεξεργασίας των δεδομένων του πειράματος Gravity Probe B. Η σχετική ανακοίνωση υπάρχει στο λίνκ, NASA Announces Results of Epic Space-Time Experiment (NASA Science News), ενώ παρακάτω μπορεί να δει κανείς και το βίντεο από την συνέντευξη τύπου που έδωσαν οι ερευνητές του προγράμματος (επιστημονικός υπεύθυνος ήταν ο Francis Everitt).

Για το θέμα έγραψε και το Science, At Long Last, Gravity Probe B Satellite Proves Einstein Right, και το New Scientist, Beleaguered mission measures swirling space-time at last, όπου μπορεί να δει κανείς και κάποια πράγματα παραπάνω για την ιστορία και τα όσα συνέβησαν στο background του πειράματος. Αρκετά για την ιστορία του πειράματος αναφέρονται και στο βίντεο με την συνέντευξη τύπου, όπως επίσης αναφέρονται αρκετά και για το τεχνικό κομμάτι της υλοποίησης του πειράματος και αξίζει να τα δει κανείς.

Με λίγα λόγια, το Gravity Probe Β είναι ένα πείραμα (η σύλληψη του οποίο έγινε περίπου το 1960, δηλαδή περίπου 50 χρόνια πριν και τελικά πέταξε το 2004) που με την βοήθεια γυροσκοπίων είχε ως στόχο να μετρήσει δύο σχετικιστικά φαινόμενα που παρατηρούνται γύρω από μία βαρυτική μάζα που περιστρέφεται. Τα δύο αυτά φαινόμενα είναι το "Geodetic precession" και το "dragging of inertial frames" ή αλλιώς το φαινόμενο "Lense–Thirring". Η wikipedia έχει μια αναλυτική περιγραφή του ιστορικού και των προβλημάτων που συνάντησε το πείραμα οπότε αξίζει να το κοιτάξει το άρθρο κανείς.

Ας δούμε λοιπόν λίγο τι είναι τα δύο αυτά φαινόμενα.

=== Geodetic precession ===

Το πρώτο φαινόμενο, που λέγεται Geodetic precession (ή de Sitter precession), είναι η στροφή ενός διανύσματος το οποίο μεταφέρεται κατά μήκος μίας γεωδαισιακής τροχιάς (αυτό είναι που λέμε παράλληλη μετατόπιση), εξαιτίας του γεγονότος ότι ο χωροχρόνος γύρω από μία μάζα είναι καμπύλος. Ένα από τα κλασσικά παραδείγματα που συναντά κανείς ως ένδειξη της καμπυλότητας ενός χώρου είναι αυτό με την παράλληλη μετατόπιση ενός διανύσματος κατά μήκος μιας κλειστής τροχιάς στην επιφάνεια μιας σφαίρας, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.



Στο σχήμα βλέπουμε το διάνυσμα να μεταφέρεται κατά μήκος των μέγιστων κύκλων ξεκινώντας από το σημείο Q από όπου μεταφέρεται κάθετο στην καμπύλη στο σημείο Ν και από εκεί μεταφέρεται παράλληλο προς το σημείο Ρ και τελικά από εκεί μεταφέρεται κάθετο στο αρχικό σημείο Q. Το αποτέλεσμα είναι ότι το διάνυσμα επιστρέφει στην αρχική του θέση ορθογώνιο στην αρχική του διεύθυνση, αφού αρχικά κοίταζε δεξιά και τελικά κοιτάζει προς τα πάνω. Αυτή η στροφή του διανύσματος συμβαίνει γιατί η επιφάνεια της σφαίρας είναι ένας καμπύλος χώρος. Αν κάναμε την ίδια διαδικασία σε ένα επίπεδο τρίγωνο (σε αντίθεση με αυτό εδώ που είναι σφαιρικό) δεν θα παρατηρούσαμε καμία στροφή του διανύσματος. Το όλο φαινόμενο, όπως μπορεί να διαπιστώσει κανείς εύκολα, έχει να κάνει με το άθροισμα των γωνιών του τριγώνου. Το άθροισμα των γωνιών ενός τριγώνου είναι ένα χαρακτηριστικό που μπορεί να διακρίνει τους καμπύλους χώρους από τους επίπεδους. Όπως ξέρουμε, ένα τρίγωνο στο επίπεδο έχει άθροισμα γωνιών ίσο με 180 μοίρες ή ίσο με π. Αν τώρα έχουμε έναν χώρο θετικής καμπυλότητας, τότε το άθροισμα των γωνιών είναι μεγαλύτερο από π, ενώ αν έχουμε έναν χώρο αρνητικής καμπυλότητας, το άθροισμα των γωνιών είναι μικρότερο. Το πόσο μεγαλύτερο ή μικρότερο θα είναι το άθροισμα εξαρτάται από την καμπυλότητα του χώρου αυτού και από το εμβαδόν που περικλείει το τρίγωνο. Συγκεκριμένα η σχέση που δίνει το άθροισμα των γωνιών ενός τριγώνου που σχηματίζεται από 3 γεωδαισιακές είναι
$$\reverse\opaque\sum_{i=1}^3\theta_i=\pi+\int\int_{C} K dA.$$
Για την σφαίρα, η καμπυλότητα είναι σταθερή και ίση με $$\reverse\opaque K=1/R^2$$ (αυτή είναι η καμπυλότητα Gauss με R την ακτίνα της σφαίρας) οπότε το ολοκλήρωμα δεξιά είναι απλά η επιφάνεια επί την καμπυλότητα.

Το παραπάνω παράδειγμα είναι μόνο ενδεικτικό του τι συμβαίνει εξαιτίας της καμπυλότητας και δεν θα πρέπει να το πάρει κανείς κυριολεκτικά ως περιγραφή του Geodetic precession. Για παράδειγμα, στο Geodetic precession έχουμε κλειστή τροχιά στον χώρο και όχι σε όλο τον χωροχρόνο. Ακόμα, ενώ στο παράδειγμα με τη σφαίρα αλλάζουμε γεωδαισιακές (για να φτιάξουμε το τρίγωνο), στην περίπτωση του Geodetic precession, παραμένουμε συνέχεια πάνω σε μία γεωδαισιακή.

Ένας εναλλακτικός τρόπος να αντιληφθεί κανείς την καμπυλότητα είναι από την σχέση ανάμεσα στην ακτίνα και την περιφέρεια ενός κύκλου. Ας δούμε πάλι τι συμβαίνει στην περίπτωση που έχουμε έναν κύκλο ζωγραφισμένο πάνω σε μια σφαίρα. Ο κύκλος θα είναι η καμπύλη LMNL που φαίνεται στο παρακάτω σχήμα και θα έχει για ακτίνα το τόξο PM όπως φαίνεται στο σχήμα. Αν λοιπόν κάποιος κάτοικος της επιφάνειας αυτής της σφαίρας μέτραγε την περιφέρεια του κύκλου αυτού και την ακτίνα του, θα έβλεπε ότι θα ήταν $$\reverse\opaque C\neq 2\pi R$$, όπου ως R θα θεωρούσε το μήκος του τόξου PM. Για την ακρίβεια, θα έβλεπε ότι η περιφέρεια θα ήταν μικρότερη από το 2πR και αυτό οφείλεται στην καμπυλότητα της σφαίρας.



Με την βοήθεια ενός επιχειρήματος βασισμένο σ'αυτή τη λογική (διατυπωμένο από τον Kip Thorn), μπορεί να κάνει κανείς έναν ευρηστικό (heuristic) υπολογισμό της γωνίας κατά την οποία θα στρίψει ένα διάνυσμα κατά την κίνησή του σε τροχιά γύρω από μια μάζα. Η λογική για την περίπτωση ασθενούς καμπυλότητας είναι ότι επειδή η τροχιά "κλείνει" με μικρότερο μήκος από αυτό που αντιστοιχεί στο επίπεδο, το διάνυσμα που μεταφέρεται κατά μήκος της τροχιάς, δεν προλαβαίνει να έρθει στην αρχική του γωνία (όπως θα έκανε αν ήταν επίπεδος ο χώρος) και η στροφή είναι σε πρώτη τάξη ίση με την γωνία του τόξου που λείπει μέχρι να συμπληρώσει το μήκος του επίπεδου χώρου. Αυτό είναι το επιχείρημα της "χαμένης ίντσας", που μπορεί να βρει κανείς στη σελίδα του Gravity Probe B και παριστάνεται στο παρακάτω σχήμα



Ας δούμε όμως τι μας βγάζει αυτός ο υπολογισμός.

Για αρχή, θα πρέπει να γράψουμε την μορφή της μετρικής που έχει ο χωροχρόνος στην περιοχή της Γης. Το βαρυτικό πεδίο της Γης θα θεωρήσουμε ότι είναι σφαιρικά συμμετρικό κατά κύριο λόγο και είναι και ασθενές. Επειδή λοιπόν δεν μας ενδιαφέρουν σε αυτή τη φάση τα φαινόμενα που έχουν να κάνουν με την περιστροφή, θα την αγνοήσουμε και θα θεωρήσουμε μη περιστρεφόμενη γεωμετρία. Άρα η μετρική μπορεί να γραφεί στην μορφή της Schwarzschild για ασθενή πεδία, δηλαδή
$$\reverse\opaque ds^2=-(1-\frac{2M}{r})dt^2+(1+\frac{2M}{r})dr^2+r^2(d\theta^2+\sin^2\theta d\phi^2).$$
Αυτή η μετρική περιγράφει τη γεωμετρία στον χώρο έξω από τη Γη και η μάζα που εμφανίζεται είναι η μάζα της Γης (σε γεωμετρικές μονάδες, 2Μ είναι η ακτίνα Schwarzschild της Γης και είναι ίση με περίπου 8.87mm, πράγμα που δικαιολογεί την επιλογή μας για ασθενές πεδίο).

Στο εσωτερικό της Γης αντίστοιχα, η μετρική θα έχει την μορφή
$$\reverse\opaque ds^2=-e^{2\Phi(r)}dt^2+(1+\frac{2m(r)}{r})dr^2+r^2(d\theta^2+\sin^2\theta d\phi^2).$$
Για την μετρική στο εσωτερικό, η χρονική συνιστώσα (μπροστά από το dt) δεν έχει την μορφή που είχε στην περίπτωση της Schwarzschild, ενώ η ακτινική συνιστώσα (μπροστά από το dr) διατηρεί την ίδια μορφή, μόνο που η μάζα είναι κάποια συνάρτηση της ακτίνας r. Αυτό ας πούμε ότι ήταν μία παρένθεση, αφού δεν θα μας χρειαστεί στη συνέχεια.

Το πρώτο που πρέπει να παρατηρήσουμε από την μορφή που έχουν οι μετρικές μας μέσα και έξω από τη Γη, είναι το ποιος είναι ο ρόλος της συντεταγμένης r. Από τις παραπάνω μετρικές, φαίνεται ότι αν πάμε σε κάποιο σταθερό r και διαγράψουμε μία καμπύλη κατά την γωνία φ, τότε η κλειστή καμπύλη που θα γράψουμε θα έχει μήκος 2πr (αφού το μήκος της καμπύλης μας θα είναι το ολοκλήρωμα του rdφ σε ένα τόξο 2π). Άρα στην παραπάνω γεωμετρία, τόσο μέσα στην Γη όσο και έξω από την Γη, η συντεταγμένη r έχει το φυσικό νόημα ότι μετρά την περιφέρεια ενός κύκλου που θα φέρουμε σε αυτή τη σταθερή συντεταγμένη. Αυτό είναι γενικό χαρακτηριστικό της γεωμετρίας Schwarzschild. Αν δηλαδή στη γεωμετρία μας πας σε κάποια απόσταση από το κέντρο και φέρεις έναν κύκλο και μετρήσεις με μία μεζούρα την περιφέρειά του και την βρεις l, τότε η ακτινική συντεταγμένη της θέσης σου θα είναι l/2π. Αυτή η ακτινική συντεταγμένη όμως, θα διαφέρει γενικά από την ακτίνα που θα μετρήσεις αν απλώσεις την μεζούρα σου από την θέση που βρίσκεται ο κύκλος μέχρι το κέντρο. Αυτό είναι το ίδιο φαινόμενο που περιγράψαμε και παραπάνω για τη σφαίρα.

Ας επιστρέψουμε λοιπόν στο θέμα της "χαμένης ίντσας". Αυτή η ίντσα αντιστοιχεί στην διαφορά της περιφέρειας που θα υπολόγιζε κανείς αν έπαιρνε την μετρούμενη ακτίνα στον καμπύλο χώρο από την μετρούμενη περιφέρεια που αντιστοιχεί στην συντεταγμένη ακτίνα. Αλλά ποια είναι η μετρούμενη ακτίνα. Πριν είπαμε ότι η μετρούμενη ακτίνα θα μπορούσε να είναι η απόσταση που θα μετρήσει αν βάλει κανείς μια μεζούρα από το κέντρο της Γης μέχρι την θέση της τροχιάς για την οποία συζητάμε. Αλλά αυτό δεν είναι σωστό, αφού κάτι τέτοιο θα μας έβγαζε μια εξάρτηση από την δομή της Γης (κατανομή ύλης, πίεσης κλπ.), αφού αυτή η δομή θα επηρέαζε την γεωμετρία στο εσωτερικό της Γης. Και κάτι τέτοιο δεν το περιμένουμε, αφού η τροχιά κατά μήκος της οποίας μεταφέρουμε το διάνυσμα (το γυροσκόπιο δηλαδή) δεν βλέπει ποτέ τι συμβαίνει στο εσωτερικό της Γης, αφού δεν περνάει από εκεί, ενώ από την άλλη έχουμε και το θεώρημα του Birkhoff που μας λέει ότι το τι συμβαίνει έξω από την Γη, εφόσον έχουμε υποθέσει σφαιρική συμμετρία και στατικότητα, εξαρτάτε τελικά μόνο από την συνολική μάζα και όχι από τις λεπτομέρειες της δομής. Με λίγα λόγια, αυτό που θα επηρεάζει την τροχιά θα πρέπει να είναι η τοπική γεωμετρία στην περιοχή της τροχιάς και αυτή θα πρέπει να θεωρήσουμε στον υπολογισμό της ακτίνας. Συγκεκριμένα λοιπόν, για να υπολογίσει κάποιος την "αντίστοιχη ακτίνα" για την γεωμετρία στην περιοχή της τροχιάς θα πρέπει να χρησιμοποιήσει το στοιχειώδες μήκος $$\reverse\opaque ds=(1+\frac{M}{R})dr$$, όπου το τελικό αποτέλεσμα που θα πάρει, θα είναι $$\reverse\opaque \int^R_0(1+\frac{M}{R})dr=R+M$$.

Άρα, με βάση αυτόν τον υπολογισμό, η γωνία στην οποία θα αντιστοιχεί η διαφορά μήκους της περιφέρειας κύκλου με βάση αυτή την ακτίνα, από την περιφέρεια κύκλου ακτίνας R θα είναι $$\reverse\opaque \Delta\theta=2\pi\frac{GM}{c^2R}$$, όπου έχω βάλει και πάλι τις σταθερές στην τελική έκφραση.

Αυτός ο υπολογισμός, μας δίνει τα 2/3 του συνολικού φαινομένου. Υπάρχει λοιπόν ακόμα ένας παράγοντας που πρέπει να συνυπολογίσουμε στην "χαμένη ίντσα" για να πάρουμε το "σωστό" αποτέλεσμα. Και ο παράγοντας αυτός είναι η συστολή του μήκους της τροχιάς στο σύστημα του γυροσκοπίου που κινείται στην τροχιά γύρω από τη Γη. Το μήκος της τροχιάς που θα βλέπει το γυροσκόπιο θα είναι το $$\reverse\opaque L=L_0/\gamma=L_0(1-u^2/c^2)^{1/2}$$, όπου Lo=2πR. Η ταχύτητα της τροχιάς όμως, θα είναι $$\reverse\opaque u^2=\frac{GM}{R},$$ και αν αντικαταστήσουμε αυτή την έκφραση στην προηγούμενη, θα πάρουμε τελικά ότι η έξτρα γωνία θα είναι $$\reverse\opaque \Delta\theta=2\pi\frac{GM}{2c^2R}$$ και άρα το συνολικό αποτέλεσμα για την στροφή του διανύσματος σε μία τροχιά είναι
$$\reverse\opaque \Delta\theta=2\pi\frac{3GM}{2c^2R}$$
που είναι ακριβώς το σωστό αποτέλεσμα, αφού αυστηρά ο υπολογισμός της γεωδετικής μετάπτωσης δίνει για τον ρυθμό μετάπτωσης
$$\reverse\opaque \vec{\Omega}_G=\frac{3GM}{2c^2R^3}(\vec{R}\times\vec{u})$$
που για κυκλική τροχιά σε μία περίοδο δίνει ακριβώς το παραπάνω αποτέλεσμα.

Φυσικά, ο παραπάνω υπολογισμός δεν είναι ακριβής και δεν πρέπει να τον παίρνει κανείς ως τέτοιο. Είναι απλά ενδεικτικός και δείχνει την λογική και την τάξη μεγέθους των φαινομένων, είναι δηλαδή ευρηστικός, όπως είπα και στην αρχή. Αν κάποιος θέλει να κάνει τον σωστό υπολογισμό, θα πρέπει να ακολουθήσει τον φορμαλισμό της γενικής σχετικότητας. Ο παραπάνω υπολογισμός έχει ως μόνη πρόθεση να δώσει μια εικόνα και να καλλιεργήσει μια φυσική διαίσθηση γύρω από αυτά τα πράγματα.

Για την ακρίβεια, ακόμα και αυτό το σπάσιμο του φαινομένου σε ένα γεωμετρικό κομμάτι και σε ένα σχετικιστικό κομμάτι, είναι μάλλον λάθος αν θέλει να το δει κανείς αυστηρά. Όποιος θέλει να παρακολουθήσει μια πολύ όμορφη προσέγγιση στον υπολογισμό της γεωδαιτικής μετάπτωσης, η οποία αναδεικνύει και κάποιες άλλες πλευρές του φαινομένου, αξίζει να παρακολουθήσει τον υπολογισμό στο λίνκ, 6.2.5 Geodetic effect (General Relativity, by Benjamin Crowell), όπου γίνεται μια πολύ όμορφη συζήτηση γύρω από το γεγονός ότι το χρονοειδές διάνυσμα που είναι εφαπτόμενο στη γεωδαισιακή δεν παρουσιάζει καμία μετάπτωση και τα μόνα που παρουσιάζουν μετάπτωση είναι τα ορθογώνια διανύσματα σε αυτό (τα χωροειδή δηλαδή, όπου ένα χωροειδές διάνυσμα είναι ο άξονας του γυροσκοπίου μας στην συγκεκριμένη περίπτωση), ενώ στο τέλος έχει και μια συζήτηση για το αν διαχωρίζεται το γεωμετρικό φαινόμενο από το φαινόμενο της ειδικής σχετικότητας και το κατά πόσο θα μπορούσε η στροφή που υπολογίσαμε να θεωρηθεί ως μετάπτωση Thomas.

=== Dragging of inertial frames ===

Ας δούμε τώρα και τη μετάπτωση Lense–Thirring ή αλλιώς "dragging of inertial frames". Το τι είναι αυτό μπορεί κανείς να το υποψιαστεί από το όνομα του φαινομένου. Κυριολεκτικά λοιπόν το φαινόμενο, έχει να κάνει με το γεγονός ότι γύρω από ένα περιστρεφόμενο σώμα τα αδρανειακά συστήματα έχουν την τάση να το ακολουθήσουν, συμπαρασύρονται δηλαδή, στην περιστροφή του. Το φαινόμενο αυτό είναι μια ενσάρκωση της αντίληψης του Mach για το τι είναι η αδράνεια και το τι σημαίνει αδρανειακό σύστημα. Μια από τις πιο όμορφες ποιοτικές παρουσιάσεις αυτού του φαινομένου, την κάνει ο Wheeler, στο βιβλίο του με τον Ciufolini, "Gravitation and Inertia", και το επιχείρημα που δίνει είναι αυτό που ονομάζει "a poor man's account of inertia".



Η γενική σχετικότητα λοιπόν λέει ότι, το πως θα κινηθεί μια ελεύθερη μάζα εξαρτάται από την τοπική γεωμετρία του χώρου στην περιοχή όπου βρίσκεται. Δηλαδή η γεωμετρία καθορίζει την αδρανειακή κατάσταση της μάζας. Από την άλλη όμως, η γεωμετρία καθορίζεται τόσο από τις μάζες που βρίσκονται στην γειτονιά της μάζας μας όσο και από την κατανομή των υπολοίπων μαζών του σύμπαντος. Άρα η αδράνεια "εδώ" καθορίζεται από την κατανομή της μάζας στο υπόλοιπο σύμπαν. Ας φανταστούμε τώρα ότι η κατανομή όλης της μάζας στο σύμπαν, καθορίζει ένα αδρανειακό σύστημα "εδώ" σύμφωνα με το οποίο αντιλαμβανόμαστε όλη την υπόλοιπη μάζα στο σύμπαν ως ακίνητη. Και ας φανταστούμε ότι έχουμε στην γειτονιά μας και την Γη που περιστρέφεται. Αν υπήρχε μόνο η περιστρεφόμενη Γη στο σύμπαν, τότε αυτή θα καθόριζε το ποια είναι τα αδρανειακά συστήματα και άρα αδρανειακό θα ήταν οτιδήποτε ακολουθούσε την περιστροφή της Γης, αφού δεν θα μπορούσες να πεις σε τελική ανάλυση αν η Γη περιστρέφεται η όχι, αφού αυτό το καταλαβαίνεις μόνο όταν κάνεις την σύγκριση με τα μακρινά ακίνητα άστρα.

Άρα υπό μία έννοια, έχεις από την μία όλη την υπόλοιπη ύλη στο σύμπαν να προσπαθεί να ορίσει το ένα σύστημα ως αδρανειακό και από την άλλη έχεις την περιστρεφόμενη Γη που προσπαθεί να ορίσει το δικό της σύστημα ως αδρανειακό και η Γη από την μία και όλη η υπόλοιπη ύλη από την άλλη, παλεύουν για τον προσανατολισμό που θα επιβάλουν στα γυροσκόπια. Και τι κάνει ο Wheeler για να λύσει την διαφωνία; Κάνει μια ψηφοφορία ανάμεσα στα δύο συστήματα. Και για να κάνει την ψηφοφορία, ορίζει την δύναμη της ψήφου του κάθε συστήματος (το στατιστικό βάρος δηλαδή). Η δύναμη της ψήφου λοιπόν θα έχει να κάνει με τον λόγο της μάζας που καθορίζει τη συμπεριφορά του συγκεκριμένου συστήματος προς την απόσταση αυτής της μάζας από το γυροσκόπιο. Έτσι για ένα γυροσκόπιο πάνω στη Γη, το υπόλοιπο σύμπαν θα συνεισφέρει με μια μάζα της τάξης του $$\reverse\opaque 10^{53}kg\simeq10^{26}m,$$ ενώ η απόστασή του θα είναι της τάξης των διαστάσεών του, δηλαδή περίπου $$\reverse\opaque 10^{26}m.$$ Το ενδιαφέρον είναι ότι αυτά τα δύο νούμερα βγαίνουν περίπου της ίδιας τάξης μεγέθους και άρα μπορούμε να τα θεωρήσουμε ότι είναι ίσα και ο λόγος τους δίνει μονάδα, πράγμα που περιμένεις από όλο το σύμπαν, να έχει δηλαδή δύναμη ψήφου περίπου 1. Το υπόλοιπο σύμπαν λοιπόν θα ψηφίζει με δύναμη 1 ότι το γυροσκόπιο δεν θα πρέπει να στρίβει καθόλου.

Από την άλλη η Γη, θα έχει δύναμη ψήφου που θα είναι ανάλογη του λόγου της μάζας της προς την ακτίνα της, που δίνει ένα αποτέλεσμα της τάξης του $$\reverse\opaque 0.6\times10^{-9}.$$ Και τι θα ψηφίζει η Γη ότι θα πρέπει να κάνει το γυροσκόπιο; Θα ψηφίζει ότι το γυροσκόπιο θα πρέπει να περιστρέφεται μαζί με την Γη, δηλαδή $$\reverse\opaque 473\times10^9 marcsec$$ τον χρόνο. Αν το πολλαπλασιάσουμε αυτό με την δύναμη ψήφου της Γης έχουμε τελικά ότι το γυροσκόπιο πάνω στη Γη θα πρέπει να έχει μία μετάπτωση της τάξης των 330 marcsec τον χρόνο, που είναι περίπου της τάξης μεγέθους του πραγματικού φαινομένου.

Νομίζω ότι το "poor man's account of inertia" δίνει όλη την ουσία του φαινομένου.

Αυτά λοιπόν σχετικά με τα δύο φαινόμενα που προσπάθησε να μετρήσει το Gravity Probe B. Το Gravity Probe B δεν είναι όμως η μόνη μέτρηση που έχουμε αυτών των φαινομένων. Ενδεικτικά παραθέτω τις παρακάτω αναφορές:
Αρχικά έχουμε τις δύο μετρήσεις του Lense-Thirring με την βοήθεια των δορυφόρων LAGEOS,
Test of general relativity and measurement of the Lense-Thirring effect with two Earth satellites, Ciufolini et al.
A confirmation of the general relativistic prediction of the Lense–Thirring effect, Ciufolini and Pavlis

ενώ περισσότερες πληροφορίες μπορεί να βρει κανείς στα αποτελέσματα του Lunar Laser Ranging, με την βοήθεια του οποίου έχει μετρηθεί το Geodetic effect, ενώ έχουν τοποθετηθεί περιορισμοί στο Lense-Thirring από το σύστημα Γης-Σελήνης,
Tests of Gravity Using Lunar Laser Ranging, Stephen M. Merkowitz

και τέλος περισσότερες αναφορές σχετικά με την μέτρηση τόσο του Geodetic effect όσο και του Lense-Thirring, υπάρχουν στο review του Clifford Will,
The Confrontation between General Relativity and Experiment.

Οπότε, παρακολουθήστε το βίντεο με την συνέντευξη τύπου, στην οποία παρουσιάζονται διάφορα ενδιαφέροντα ιστορικά και τεχνικά στοιχεία, αν και θα μπορούσαν να παρουσιαστούν και περισσότερα ενδιαφέροντα επιστημονικά στοιχεία. Νομίζω ότι αξίζει.


NASA's Gravity Probe B (GP-B) spacecraft has confirmed two key predictions derived from Albert Einstein's general theory of relativity. Launched in 2004, GP-B was designed to test Einstein using four ultra-precise gyroscopes to measure the hypothesized geodetic effect, which is the warping of space and time around a gravitational body, and frame-dragging, which is the amount a spinning object pulls space and time with it as it rotates. (News briefing held May 4, 2011 at NASA Headquarters in Washington.)


Ακόμα, μια ενδιαφέρουσα αναφορά είναι και το κεφάλαιο, The Experimental Verdict on Spacetime from Gravity Probe B (James Overduin), από τον τόμο, Space, Time, and Spacetime: Physical and Philosophical Implications of Minkowski's Unification of Space and Time, Vesselin Petkov, Springer 2010.

Τέλος, το προσωρινό abstract από το άρθρο που έχει γίνει δεκτό από το PRL, είναι το παρακάτω:
Gravity Probe B: Final results of a space experiment to test general relativity
C. W. F. Everitt et al.

Accepted Sunday May 01, 2011

Gravity Probe B, launched 20 April 2004, is a space experiment testing two fundamental predictions of Einstein's theory of General Relativity (GR), the geodetic and frame-dragging effects, by means of cryogenic gyroscopes in Earth orbit. Data collection started 28 August 2004 and ended 14 August 2005. Analysis of the data from all four gyroscopes results in a geodetic drift rate of -6,601.8+/- 18.3 mas/yr and a frame-dragging drift rate of -37.2 +/- 7.2 mas/yr, to be compared with the GR predictions of -6,606.1 mas/yr and -39.2 mas/yr, respectively (`mas' is milliarc-second; mas =4.848\times 10^{-9} rad).


Ενώ τα λίνκς του πειράματος στη NASA και στο Stanford είναι,
Gravity Probe B Web site at Stanford
Gravity Probe B web site at NASA

Update: Gravity Probe B final NASA report (Dec. 2008)
http://einstein.stanford.edu/content/final_report/GPB_Final_NASA_Report-020509-web.pdf

Update (18/5/11)***: Ανέβηκε σήμερα στο arXiv το paper που μάλλον είναι αυτό που θα παρουσιαστεί στο PRL, αφού τουλάχιστον το abstract είναι το ίδιο:

Gravity Probe B: Final Results of a Space Experiment to Test General Relativity

Update (8/6/11): Ανέβηκε στο arXiv ένα paper του C Will που σχολιάζει τα αποτελέσματα του Gravity Probe B

Finally, results from Gravity Probe-B
A Viewpoint article, published in Physics 4, 43 (2011)

8 σχόλια:

Katerina είπε...

Κάνα κόλπο να μειώσουμε το χρέος έχεις? :P

Vagelford είπε...

Μακάρι να είχα βρε Κατερίνα.

johnlk είπε...

Να ρωτήσω γιατί "Β" και όχι "Α";

Vagelford είπε...

Γιατί υπήρχε και το Α πριν από το Β.

Το Gravity Probe A ήταν ουσιαστικά ένα ατομικό ρολόι που στείλανε με έναν πύραυλο και μέτρησε τη διαφορά στον ρυθμό που τρέχει ο χρόνος ανάμεσα στην επιφάνεια της Γης και στο ύψος του πυραύλου.

Αναρχοφιλελευθερος είπε...

Εγώ τα λίγα πράγματα που έχω καταλάβει από την θεωρία της σχετικότητας, τα έμαθα από βιβλία εκλαϊκευμένης φυσικής (Χάος και αρμονία και Το χρονικό του χρόνου)

Γι' αυτό θα ήθελα να ρωτήσω:
Το γεγονός ότι το βάρος του σώματός μας μειώνεται όσο απομακρυνόμαστε από την επιφάνεια της γης (άρα μειώνεται η πίεση που ασκεί η μάζα της γης πάνω στον χώρο που βρισκόμαστε) καθώς και ότι με τον ίδιο τρόπο επηρεάζεται και ο χρόνος (“κυλάει” γρηγορότερα όσο απομακρυνόμαστε από το κέντρο της γης), δεν αποδεικνύουν την θεωρία του Αϊνστάιν; (Να μην ξεχάσουμε και την απόδειξη του Eddington). Επίσης γνωρίζουμε τους γεωδαιτικούς κύκλους, οι οποίοι σχηματίζονται από επίδραση της μάζας της γης στον χωρόχρονο, τους οποίους ακολουθούν τα αεροπλάνα για οικονομία καυσίμων και χρόνου. Επίσης την ίδια τροχιά ακολουθεί και η γη εξαιτίας της βαρυτικής επίδρασης του ήλιου. Άρα γιατί επαναλαμβάνεται το πείραμα; Γιατί έπρεπε να γίνουν τόσα έξοδα προκειμένου να επιβεβαιωθεί, αυτό που έχει ήδη επιβεβαιωθεί πολλές φορές; Ψάχνουμε να βρούμε λάθος στην θεωρία ή προσπαθούν οι επιστήμονες να επιβεβαιώσουν κάθε τι με πολλαπλούς τρόπους;

Και κάτι τελευταίο και λίγο άσχετο: Η ύλη καμπυλώνει τον χώρο ή ο καμπυλωμένος χώρος “δημιουργεί” ύλη; Αν ισχύει το δεύτερο, τότε πως καμπύλωσε ο χώρος;

Vagelford είπε...

Γεια σου Αναρχοφιλελεύθερε.

Θα ξεκινήσω από το τελευταίο ερώτημα. Στην γενική σχετικότητα, η ύλη και ο χωροχρόνος είναι ανεξάρτητα πράγματα που όμως αλληλεπιδρούν.
Από την μία έχεις τον χωροχρόνο, ο οποίος "λέει" στην ύλη πως να κινηθεί και από την άλλη έχεις την ύλη, η οποία ανάλογα με το πως είναι κατανεμημένη καθορίζει το πως καμπυλώνεται ο χωροχρόνος. Όπως καταλαβαίνει κανείς, επειδή υπάρχει αυτή η διαπλοκή ανάμεσα στον χωροχρόνο και την ύλη, η βαρύτητα είναι αρκετά πιο περίπλοκη στην σχετικότητα.

Πάντως, επειδή ακούγεται από κάποιος αυτό, στην γενική σχετικότητα η ύλη δεν προκύπτει από την καμπύλωση του χωροχρόνου. Τα δύο είναι ανεξάρτητα.

Τώρα, σχετικά με την πειραματική επιβεβαίωση. Η γενική σχετικότητα ως φυσική θεωρία έχει διάφορες παραδοχές σε διάφορα επίπεδα. Αν θέλει κανείς να πει ότι την έχει ελέγξει, τότε θα πρέπει να την ελέγξει σε όλα αυτά τα επίπεδα.

Για παράδειγμα, αναφέρεις το γεγονός ότι τα ρολόγια τρέχουν πιο αργά όσο πάει κανείς σε ισχυρότερο βαρυτικό πεδίο. Αυτό είναι μία από τις προβλέψεις της γενικής σχετικότητας που έχει επαληθευτεί πειραματικά. Το θέμα όμως είναι ότι γενικά οι μετρήσεις έχουν κάποια ακρίβεια, η οποία μπορεί να κρύβει ενδεχόμενες αποκλίσεις από τις θεωρητικές προβλέψεις. Οπότε, όσο η ακρίβεια δεν είναι ικανοποιητική, είναι καλό να συνεχίζει κανείς την προσπάθεια για να βρει τέτοιες πιθανές αποκλίσεις που θα οδηγήσουν σε κάτι καινούριο.

Από εκεί και πέρα, υπάρχει και το ζήτημα του ότι η θεωρία της σχετικότητας δεν είναι η μοναδική θεωρία βαρύτητας που έχουμε. Κατά καιρούς έχουν προταθεί και άλλες θεωρίες. Κάποιες από αυτές προβλέπουν το ίδιο φαινόμενο που προβλέπει και η σχετικότητα για τα ρολόγια, οπότε η απλή επιβεβαίωση του φαινομένου, δεν αρκεί για να μας πει αν η σχετικότητα είναι η σωστή θεωρία. Γι' αυτό το λόγο χρειάζεται να ελεγχθεί κάθε δυνατή πρόβλεψη η οποία θα μπορεί να μας διαλέξει την σωστή θεωρία και θα πρέπει να ελεγχθεί μέχρι την ακρίβεια που χρειάζεται ώστε να ξεχωρίσουν οι διάφορες υποψήφιες θεωρίες.

Η περίπτωση με τα ρολόγια που τρέχουν διαφορετικά σε διαφορετικής εντάσεως βαρυτικά πεδία έχει να κάνει με μια αρχή που λέγεται αρχή της ισοδυναμίας. Η αρχή αυτή, ουσιαστικά, είναι που μας λέει ότι η βαρύτητα είναι γεωμετρικής φύσης και βασίζεται δηλαδή στην γεωμετρία του χωροχρόνου. Μαζί με την σχετικότητα υπάρχουν διάφορες γεωμετρικές θεωρίες της βαρύτητας (όπως υπάρχουν και μη γεωμετρικές θεωρίες) οι οποίες δεν διαφοροποιούνται ως προς αυτό το φαινόμενο. Το γεωδαιτικό φαινόμενο που μέτρησε το Gravity Probe-B είναι ένα φαινόμενο του οποίου το μέγεθος (το πόσο έντονο είναι) διαφέρει ανάμεσα στις διάφορες γεωμετρικές θεωρίες. Το ίδιο ισχύει και για το frame dragging. Γι' αυτό υπήρχε η αναγκαιότητα να ελεγχθούν και αυτά τα φαινόμενα με καλή ακρίβεια.

Πέρα από όλα αυτά, μέχρι τώρα, η γενική σχετικότητα δεν έχει ελεγχθεί τόσο εξαντλητικά όσο έχει ελεγχθεί η ειδική σχετικότητα. Συγκεκριμένα έχει ελεγχθεί σε συγκεκριμένο εύρος αποστάσεων και για σχετικά ασθενή πεδία. Οπότε μένουν ακόμα πολλοί έλεγχοι που πρέπει να γίνουν.

Αυτό που λες για τα αεροπλάνα, αν κατάλαβα καλά τι εννοείς, δεν έχει σχέση με την βαρύτητα, αλλά με το γεγονός ότι η Γη είναι σφαίρα και οι επίπεδες προβολές (γενικά νομίζω χρησιμοποιούν μερκατορική προβολή) της επιφάνειάς της στους χάρτες είναι παραπλανητικές. Έτσι, μια ευθεία στον χάρτη δεν είναι η συντομότερη διαδρομή. Η συντομότερη διαδρομή είναι ένας μέγιστος κύκλος της σφαίρας που απεικονίζεται στον χάρτη ως μια περίεργη καμπύλη.

Αναρχοφιλελευθερος είπε...

Ευχαριστώ πάρα πολύ για την διαφωτιστική απάντηση. Πράγματι, την θεωρία ότι ο χωροχρόνος είναι εξαρχής καμπυλωμένος την έχω ακούσει από κάποιον καθηγητή.

Όσο για τους γεωδαιτικούς κύκλους, (κοίταξα ξανά το βιβλίο) και όντως τα είπα μπερδεμένα. Ο Χόκινς αναφερόμενος στην ΘτΣ λέει ότι όπως ο γη ακολουθεί την “ευθεία” του τετραδιάστατου χώρου, ο οποίος καμπυλώνεται από τον ήλιο, έτσι και τα αεροπλάνα (όταν βρίσκονται στον αέρα) για οικονομία καυσίμων ακολουθούν (ηθελημένα και όχι από φυσική ανάγκη) την ευθεία του τετραδιάστατου χώρου που καμπυλώνεται από τη γη. Για την ακρίβεια λέει:“Ο Αϊνστάιν έκανε την επαναστατική υπόθεση ότι η βαρύτητα είναι συνέπεια του γεγονότος ότι ο χωρόχρονος δεν είναι επίπεδος, όπως πιστευόταν μέχρι τότε, αλλά καμπύλος... Αντί γι' αυτό τα σώματα ακολουθούν τις «ευθείες» του καμπύλου χωροχρόνου, δηλαδή τις καμπύλες που είναι λιγότερο καμπυλωμένες από όλες τις άλλες και λέγονται γεωδαισικές. Τα αεροπλάνα (για λόγους οικονομίας καυσίμων) κινούνται συνήθως πάνω σε τέτοιες γεωδαισικές καμπύλες, αφού είναι οι συντομότερες διαδρομές ανάμεσα στα αεροδρόμια.”

Vagelford είπε...

Ναι, με αυτό που λέει για τα αεροπλάνα, εννοεί ότι όπως η Γη ακολουθεί μια γεωδαισιακή στον τετραδιάστατο χωρόχρονο καθώς κινείται στο βαρυτικό πεδίο του Ήλιου, έτσι και τα αεροπλάνα ακολουθούν τις γεωδαισιακές πάνω στην επιφάνεια μιας σφαίρας, που είναι οι συντομότερες και άρα πιο οικονομικές.