Η γραβιτομαγνητική επίδραση
θα επιβεβαιωθεί;
15 Αυγούστου 2005
Ο Frédéric Henry-Couannier έχει τώρα ένα ιστολόγιο όπου παρουσιάζει και εξηγεί την έρευνά του:
http://toronto.dess-res.univ-mrs.fr/sitefred
Πηγές:
και
Η δορυφόρος της NASA Gravity Probe B ολοκληρώνει το πρώτο χρόνο της στο διάστημα
Ξεκινήστε με την παρακολούθηση της εκτόξευσης του συστήματος. Σας υπόσχομαι, φαίνεται σαν να είστε εκεί:
http://www.gravityprobeb.com/movies/launch01.mov
Η Γενική Σχετικότητα παρουσιάζει μια αρκετά ιδιαίτερη πλευρά, που μπορεί να παρατηρηθεί, για παράδειγμα, στη "μετρική του Kerr", η οποία χρησιμοποιείται για να περιγράψει μαζικά αντικείμενα που στρέφονται. Όταν το αντικείμενο έχει πολύ μεγάλη μάζα, εμφανίζεται φαινόμενο που ονομάζεται "frame-dragging", δηλαδή "συνοδεία του συστήματος συντεταγμένων". Τι σημαίνει αυτό; Φανταστείτε ένα σύστημα που αποτελείται από δύο μάζες που συνδέονται με ένα ελατήριο. Μπορούμε να το επεκτείνουμε με δύο τρόπους:
-
Τοποθετώντας το σύστημα σε περιστροφή. Τότε θα εμφανιστεί η φυγόκεντρος δύναμη.
-
"Περιστρέφοντας το χώρο".
Πράγματι, άνθρωποι είχαν τα ίδια ερωτήματα
ακόμη και πριν από την εμφάνιση της Γενικής Σχετικότητας.
Ο Νεύτωνας ξεκίνησε με την υπόθεση της
υπάρξης ενός απόλυτου χώρου,
ανεξάρτητου από κάθε περιεχόμενο. Αυτή είναι η διάσημη πείραμά του με το βαρέλι (περιγραφή στη δική μου κομικς "Cosmic Story").
Περισσότερο αργότερα, ο φιλόσοφος Μαχ (1883) πρότεινε ότι ο χώρος (ο "αδρανειακός συντεταγμένος" σε σχέση με τον οποίο πρέπει να εξετάζεται η κίνηση του νερού για να παρατηρηθούν τα φαινόμενα) πρέπει να καθορίζεται τοπικά από το περιεχόμενό του (αντίθετη θέση από τον Νεύτωνα). Ο Μαχ υποστήριζε ότι αν κλείσουμε ένα σύστημα δύο μαζών που συνδέονται με ελατήριο μέσα σε μια πολύ μαζική κοίτη και την περιστρέψουμε γρήγορα, θα εμφανιστεί μια "φυγόκεντρος δύναμη", όχι επειδή περιστρέφουμε τις μάζες, αλλά επειδή περιστρέφουμε τον χώρο στον οποίο βρίσκονται εντοπισμένες. Ενθάρρυνε τους αδελφούς Friedländer να πραγματοποιήσουν αυτό το πείραμα το 1896, το οποίο δεν είχε σημαντικά αποτελέσματα.
Τώρα, οι ερευνητές επαναφέρουν αυτό το ερώτημα για τη σχέση μεταξύ χώρου και ύλης. Ας θεωρήσουμε μια υπο-κρίσιμη νευτρόνικη αστέρα (δηλαδή με μάζα μικρότερη από 2,5 ηλιακές μάζες), αντικείμενο που παρατηρούμε (τα "πολυσήμαντα"). Στο περιβάλλον του, ο χωρόχρονος μπορεί να περιγραφεί από τη "μετρική του Kerr", όπως η "μετρική του Schwarzschild" περιγράφει τον χωρόχρονο γύρω από ένα αντικείμενο που δεν στρέφεται. Η ανάλυση αυτής της λύσης του Kerr της εξίσωσης του Αϊνστάιν οδηγεί σε αρκετά περίεργα συμπεράσματα. Για παράδειγμα: αν θεωρήσουμε μια κυκλική τροχιά γύρω από το αντικείμενο, με το ίδιο άξονα περιστροφής, η ταχύτητα του φωτός δεν θα είναι η ίδια αν συνοδεύουμε το αντικείμενο στην περιστροφή ή αν αντίθετα κινούμαστε εναντίον της! Εδώ πάλι, θεωρούμε ότι όλα συμβαίνουν σαν να "συνοδεύει" το αντικείμενο τον χωρόχρονο. Αυτό το φαινόμενο το ονομάζουμε "frame-dragging".
Αυτό που ισχύει για μια νευτρόνικη αστέρα θα έπρεπε να ισχύει, στη Γενική Σχετικότητα, για οποιαδήποτε μάζα που περιστρέφεται, ακόμη και για τη Γη, με τη διαφορά ότι τα φαινόμενα είναι τότε αμελητέα. Μέχρι πρόσφατα, η μέτρησή τους ήταν αδύνατη, αλλά πρόσφατα βρέθηκε τρόπος να εντοπιστούν αυτά τα φαινόμενα, και αυτό ήταν το λόγος για την εκτόξευση του δορυφόρου "Gravity Probe B". Αυτά τα φαινόμενα ονομάζονται "γραβιτομαγνητικά", και αυτό αντιστοιχεί σε μια
απλή
αναλογία.
Μια κινούμενη ηλεκτρική φορτίο δημιουργεί μαγνητικό αποτέλεσμα (ένα μαγνητικό πεδίο). Στη Γενική Σχετικότητα, αποφασίστηκε ότι μια κινούμενη μάζα πρέπει να δημιουργήσει ένα
γραβιτομαγνητικό αποτέλεσμα
(που θα εκφραστεί ως μεταβολή του βαρυτικού πεδίου).
Η δοκιμή, που υλοποιήθηκε από τη NASA με τη συνδρομή του Πανεπιστημίου του Stanford, είναι αρκετά ακριβής για να εντοπίσει τα φαινόμενα που προβλέπει η Γενική Σχετικότητα, τα οποία θα εκφραστούν ως μικρή μεταβολή στον άξονα περιστροφής των γυροσκοπίων που περιφέρονται γύρω από τη Γη σε υψόμετρο 720 χλμ. με πολική τροχιά (που διασχίζει τους πόλους). Η δοκιμή έχει σκοπό να δείξει πώς η παρουσία της Γης και η περιστροφή της ενέχουν και στρέφουν το χωρόχρονο. (Στο άρθρο του site dragg: "ενέχουν", warp: "στρέφουν").
Άλλες προβλέψεις.
Ο Frédéric Henry-Couannier είναι καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Μεσογείου. Από ένα χρόνο παρήγαγε τις ακόλουθες δημοσιεύσεις:
Δημοσίευση σε επιστημονικό περιοδικό με επιτροπή αξιολόγησης:
International Journal of Modern Physics A [Σωματίδια και Πεδία; Βαρύτητα; Κοσμολογία; Πυρηνική Φυσική], Τόμος 20, Αριθμός 11 (2005) 2341-2345
Παρουσιάσεις σε διεθνή συνέδρια:
Έκτο Συνέδριο Alexander Friedmann για Βαρύτητα και Κοσμολογία, 28 Ιουνίου - 3 Ιουλίου 2004, Cargèse
Henry-Couannier Frédéric
Negative energies in QFT and GR, the dark side of gravity
Πέμπτες Συναντήσεις του Βιετνάμ για Φυσική Σωματιδίων και Αστροφυσική, Χάνοι, 5-11 Αυγούστου
Henry-Couannier Frédéric
Negative energies in QFT and GR, the dark side of gravity
GdR SUSY, Ιούλιος 2004, Clermont-Ferrand
Henry-Couannier Frédéric
Negative energies in QFT and GR, the dark side of gravity
Συνέδριο "Αινστάιν στον αιώνα του", 18-22 Ιουλίου 2005, Παρίσι
Discrete symmetries and GR, the dark side of gravity
Οχτώδημος Σπανικό Συνέδριο Σχετικότητας "Ένας αιώνας φυσικής σχετικότητας", 6-10 Σεπτεμβρίου 2005, Οβιέδο, Ισπανία
Discrete symmetries and GR, the dark side of gravity
Προηγούμενα άρθρα στο arxiv:
gr-qc/0410055: "Discrete symmetries and general relativity: the dark side of gravity"
gr-qc/0404110: "Negative energies and time-reversal in quantum field theory and General relativity: the dark side of gravity"
gr-qc/0507065: "Negative energies and a constantly accelerating flat universe"
Τα άρθρα που δημοσίευσε ο Frédéric Henry-Couannier ανοίγουν πολλές δυνατότητες. Στο άρθρο που είναι υπογραμμισμένο με κόκκινο, βρίσκονται προβλέψεις σχετικά με τις μετρήσεις που έγιναν από τη δορυφόρο Gravity Probe B, των οποίων η ανάλυση είναι σε εξέλιξη (η δημοσίευση των αποτελεσμάτων των παρατηρήσεων από ένα χρόνο είναι σχεδόν αμέσως). Αυτές διαφέρουν σημαντικά από αυτές που προκύπτουν από τη Γενική Σχετικότητα.
Υπάρχει ένας βασικός αρχή της Γενικής Σχετικότητας, που θεωρείται αμετάβλητος, ο
αρχή της ισοδυναμίας.
Αυτή υποστηρίζει ότι δεν υπάρχει προτιμώμενο σύστημα αναφοράς. Με άλλα λόγια: οι νόμοι της φυσικής έχουν την ίδια μορφή σε όλα τα συστήματα αναφοράς. Τι είναι ένα "σύστημα αναφοράς"; Είναι ένα σύστημα μέτρησης χώρου και χρόνου που συνδέεται με έναν δοκιμαστή. Η αρχή της ισοδυναμίας υποθέτει ότι δεν υπάρχει προτιμώμενος δοκιμαστής. Ωστόσο, ο Frédéric Henry-Couannier αμφισβητεί αυτό το στήριγμα της φυσικής, που σημαίνει ότι υπάρχει ένας "απόλυτος χώρος" (που παλαιότερα ονομαζόταν "αιθέρας"). Αυτό σημαίνει... να δώσει δίκιο στον Νεύτωνα, εναντίον του Αϊνστάιν, προβλέποντας φαινόμενα σχετικά με την κίνηση των αντικειμένων ως προς αυτόν τον απόλυτο χώρο.
Ποιος θα μπορούσε να είναι αυτός ο
απόλυτος χώρος
που θα ήταν τότε "ο χώρος της κοσμολογίας"; (ο "κοσμότοπος", όπου βρίσκεται το σύμπαν, θα έλεγε Τιρέσιας). Στο σύμπαν δεν υπάρχει απόλυτο κενό. Αν λάβω ένα κυβικό μέτρο στο σύμπαν, μακριά από κάθε αστέρα, από κάθε νέφος ύλης μεταξύ αστέρων ή μεταξύ γαλαξιών, μια περιοχή όπου φαίνεται να "δεν υπάρχει τίποτα", είναι στην πραγματικότητα γεμάτη φωτόνια που αποτελούν "τη σκόνη του Big Bang". Κάντε μια δοκιμή (που πραγματικά έγινε). Πάρτε ένα κύλινδρο με ένα έμβολο. Το κλείσιμο του έμβολου είναι ιδανικό. Τραβήξτε απότομα το έμβολο, έτσι ώστε, με την προϋπόθεση της πολύ μικρής διαρροής του κλεισίματος, να μπορέσετε να θεωρήσετε ότι ο ελευθερωμένος όγκος είναι "κενός". Στην πραγματικότητα, γεμίζει αμέσως με φωτόνια που εκπέμπονται από τα τοιχώματα. Αν το τοίχωμα είναι σε συνηθισμένη θερμοκρασία, τα φωτόνια είναι υπέρυθρα. Για να μην υπάρχουν φωτόνια, ο κύλινδρος θα έπρεπε να είναι στο απόλυτο μηδέν.
Πώς γνωρίζουμε ότι είναι έτσι; Γιατί αν αφήσετε το έμβολο, δεν επιστρέφει πλήρως στο βάθος του κυλίνδρου, επειδή η "πίεση ακτινοβολίας" του αντιστέκεται. Αυτό είναι... φυσική.
Για το σύμπαν είναι λίγο παρόμοιο. Παρόλο που δεν έχει "τοίχωμα", περιέχει ένα "αέριο φωτονίων" που αντιστοιχεί σε θερμοκρασία 3 βαθμών απόλυτου. (Η μήκος κύματός τους είναι 5 χιλιοστά). Αν ένας παρατηρητής είναι ακίνητος σε σχέση με αυτό το τεράστιο νέφος φωτονίων, τότε τα φωτόνια θα έχουν το ίδιο χρώμα, ανεξάρτητα από τη διεύθυνση προς την οποία κοιτάζει. Το σύμπαν θα φαίνεται ισότροπο. Άρα υπάρχει ένα ειδικό σύστημα αναφοράς (η επιλογή ενός συγκεκριμένου παρατηρητή) με το οποίο το σύμπαν φαίνεται ισότροπο. Αντίθετα, αν κινηθούμε σε σχέση με αυτό το αέριο φωτονίων, θα έχουμε πάντα μια ερυθρή μετατόπιση σε μία κατεύθυνση, λόγω του φαινομένου Doppler, και μια μπλε μετατόπιση στην αντίθετη κατεύθυνση. Η Γη κινείται με 300 χλμ/δευτερόλεπτο σε σχέση με αυτό το "CMB" (Cosmic Microwave Background).
Η τροχιά του δορυφόρου είναι πολική. Εγκαθίσταται σε ένα επίπεδο που είναι σταθερό. Η Γη περιστρέφεται γύρω από τον εαυτό της, σε σχέση με αυτό το επίπεδο. Το προβλεπόμενο γραβιτομαγνητικό φαινόμενο προκύπτει από τη συνοδεία "του χωρόχρονου" από τη Γη.
Στη Γενική Σχετικότητα, η γραβιτομαγνητική επίδραση συνοδείας (frame-dragging effect) σχετίζεται με τη σχετική πε