Credito d'immagine: NASA / JPL
Prima o poi, il regno di Einstein, come il regno di Newton prima di lui, finirà. Uno sconvolgimento nel mondo della fisica che rovescerà le nostre nozioni di realtà di base è inevitabile, la maggior parte degli scienziati crede, e attualmente è in corso una corsa di cavalli tra una manciata di teorie in competizione per essere il successore del trono.
Nella corsa ci sono idee strabilianti come un universo tridimensionale, "costanti" universali (come la forza di gravità) che variano nello spazio e nel tempo e rimangono veramente fisse in una quinta dimensione invisibile, stringhe vibranti infinitesime come il costituenti fondamentali della realtà, e un tessuto di spazio e tempo che non è liscio e continuo, come credeva Einstein, ma diviso in pezzi discreti e indivisibili di dimensioni vanitosamente piccole. L'esperimento alla fine determinerà quali trionfi.
Un nuovo concetto per un esperimento per testare le previsioni della relatività di Einstein più precisamente che mai è stato sviluppato dagli scienziati del Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA. La loro missione, che utilizza efficacemente il nostro sistema solare come un gigantesco laboratorio, aiuterebbe a restringere il campo delle teorie in competizione e ci avvicinerebbe alla prossima rivoluzione della fisica.
Una casa divisa
Potrebbe non pesare molto sulla mente della maggior parte delle persone, ma un grande scisma ha afflitto a lungo la nostra comprensione fondamentale dell'universo. Esistono attualmente due modi per spiegare la natura e il comportamento di spazio, tempo, materia ed energia: la relatività di Einstein e il "modello standard" della meccanica quantistica. Entrambi hanno molto successo. Il sistema di posizionamento globale (GPS), ad esempio, non sarebbe possibile senza la teoria della relatività. Computer, telecomunicazioni e Internet, nel frattempo, sono spin-off della meccanica quantistica.
Ma le due teorie sono come lingue diverse e nessuno è ancora sicuro di come tradurle. La relatività spiega la gravità e il movimento unendo lo spazio e il tempo in un tessuto elastico quadridimensionale, dinamico della realtà chiamato spazio-tempo, che è piegato e deformato dall'energia che contiene. (La massa è una forma di energia, quindi crea gravità deformando lo spazio-tempo.) La meccanica quantistica, d'altra parte, assume che lo spazio e il tempo formino un "palcoscenico" piatto e immutabile su cui si svolge il dramma di diverse famiglie di particelle . Queste particelle possono spostarsi sia avanti che indietro nel tempo (qualcosa che la relatività non consente) e le interazioni tra queste particelle spiegano le forze di base della natura - con l'eccezione eclatante della gravità.
La situazione di stallo tra queste due teorie è andata avanti per decenni. La maggior parte degli scienziati presume che in qualche modo, alla fine, verrà sviluppata una teoria unificante che sussume i due, mostrando come le verità che ciascuno di essi può contenere perfettamente in un unico quadro della realtà che comprende tutto. Tale "teoria del tutto" influenzerebbe profondamente la nostra conoscenza della nascita, dell'evoluzione e del destino finale dell'universo.
Slava Turyshev, scienziato della JPL, e i suoi colleghi hanno pensato a un modo per utilizzare la Stazione Spaziale Internazionale (ISS) e due mini-satelliti in orbita sul lato opposto del sole per testare la teoria della relatività con una precisione senza precedenti. Il loro concetto, sviluppato in parte attraverso il finanziamento dell'Ufficio di ricerca biologica e fisica della NASA, sarebbe così sensibile che potrebbe rivelare difetti nella teoria di Einstein, fornendo così i primi dati concreti necessari per distinguere quale delle Teorie di Tutto in competizione concordano con la realtà e che sono semplicemente fantasiose opere di gesso.
L'esperimento, chiamato Laser Astrometric Test Of Relativity (LATOR), esaminerebbe come la gravità del sole devia i raggi di luce laser emessi dai due mini-satelliti. La gravità piega il percorso della luce perché deforma lo spazio attraverso il quale passa la luce. L'analogia standard per questa deformazione dello spazio-tempo per gravità è di immaginare lo spazio come un foglio di gomma piatto che si estende sotto il peso di oggetti come il sole. La depressione nel foglio causerebbe un oggetto (anche una particella di luce senza massa) che passa vicino al sole per girare leggermente mentre passava.
In effetti, fu misurando la flessione della luce delle stelle da parte del sole durante un'eclissi solare nel 1919 che Sir Arthur Eddington testò per la prima volta la teoria della relatività generale di Einstein. In termini cosmici, la gravità del sole è abbastanza debole; il percorso di un raggio di luce che sfiora il bordo del sole sarebbe piegato solo di circa 1,75 secondi d'arco (un secondo d'arco è 1/3600 di grado). Entro i limiti di accuratezza delle sue apparecchiature di misurazione, Eddington mostrò che la luce delle stelle si era effettivamente piegata di questa quantità - e nel farlo efficacemente impedì Newton.
LATOR misurerebbe questa deflessione con un miliardo (109) volte la precisione dell'esperimento di Eddington e 30.000 volte la precisione dell'attuale detentore del record: una misurazione fortuita utilizzando i segnali del veicolo spaziale Cassini sulla sua strada per esplorare Saturno.
"Penso che [LATOR] sarebbe un progresso piuttosto importante per la fisica fondamentale", afferma Clifford Will, un professore di fisica all'università di Washington che ha dato importanti contributi alla fisica post-newtoniana e non è direttamente coinvolto con LATOR. "Dovremmo continuare a cercare di ottenere maggiore precisione nel testare la relatività generale, semplicemente perché qualsiasi tipo di deviazione significherebbe che esiste una nuova fisica di cui non eravamo a conoscenza prima".
Laboratorio solare
L'esperimento avrebbe funzionato in questo modo: due piccoli satelliti, ciascuno largo circa un metro, sarebbero stati lanciati in un'orbita che circondava il sole all'incirca alla stessa distanza della Terra. Questa coppia di mini-satelliti orbiterebbe più lentamente della Terra, quindi circa 17 mesi dopo il lancio, i mini-satelliti e la Terra sarebbero sui lati opposti del sole. Anche se i due satelliti si troverebbero a circa 5 milioni di km di distanza, l'angolo tra loro visto dalla Terra sarebbe minuscolo, solo di circa 1 grado. Insieme, i due satelliti e la Terra formerebbero un triangolo magro, con raggi laser lungo i suoi lati e uno di quei raggi che passano vicino al sole.
Turyshev prevede di misurare l'angolo tra i due satelliti usando un interferometro montato sulla ISS. Un interferometro è un dispositivo che cattura e combina fasci di luce. Misurando il modo in cui le onde di luce dei due mini-satelliti "interferiscono" tra loro, l'interferometro può misurare l'angolo tra i satelliti con straordinaria precisione: circa 10 miliardesimi di secondo d'arco, o 0,01 "(micro-secondi d'arco). Se si considera la precisione delle altre parti del design LATOR, ciò fornisce un'accuratezza complessiva per misurare la gravità che piega il raggio laser di circa 0,02 pollici rispetto a una singola misurazione.
"L'uso della ISS ci offre alcuni vantaggi", spiega Turyshev. "Per uno, è al di sopra delle distorsioni dell'atmosfera terrestre, ed è anche abbastanza grande da consentirci di posizionare le due lenti dell'interferometro molto distanti (una lente su ciascuna estremità della capriata del pannello solare), che migliora la risoluzione e l'accuratezza del risultati “.
La precisione di 0,02 "di LATOR è abbastanza buona da rivelare deviazioni dalla relatività di Einstein prevista dalle aspiranti teorie di tutto, che vanno da circa 0,5 a 35". L'accordo con le misure di LATOR sarebbe di grande aiuto per ognuna di queste teorie. Ma se nessuna deviazione da Einstein viene trovata nemmeno da LATOR, la maggior parte degli attuali contendenti - insieme alle loro 11 dimensioni, spazio pixellato e costanti incostanti - subiranno un colpo fatale e "passeranno" a quella grande pila polverosa nel cielo .
Poiché la missione richiede solo tecnologie esistenti, Turyshev afferma che LATOR potrebbe essere pronto a volare nel 2009 o nel 2010. Quindi potrebbe non passare troppo tempo prima che la situazione di stallo in fisica venga interrotta e una nuova teoria della gravità, dello spazio e del tempo richieda trono.
Fonte originale: NASA / Science Story
