Ajnštajn i tajanstvena sila koja pogađa svemirske brodove

Ajnštajn i tajanstvena sila koja pogađa svemirske brodove

Ovo je loša godina za sve one koji su rešili da se klade protiv Ajnštajna. Evo zašto.

Proletos su fizičari morali da povuku senzacionalnu vest koju su inicirali izjavom da su subatomske čestice, poznate kao neutrini, brže od svetlosti, Ajnšajnove brzinske granice; otkriveno je da su tamo neki kablovi bili pogrešno uključili.

Sada su naučnici iz Nasine Laboratorije za mlazni pogon (JPL) objavili da su konačno u stanju da objasne jednu od najvećih misterija svemirskog doba, koja već 30 godina preti da ugrozi kredibilitet Ajnšajnove gravitacije.

Priča počinje sa svemirskim aparatima „Pionir 10 i 11“, koji su još krajem sedamdesetih proleteli kraj Jupitera i Saturna, a danas se postojano udaljavaju od solarnog sistema ploveći kosmičkim bezdanom[1]. Tokom osamdesetih postalo je očigledno da neka tajanstvena sila usporava letilice malo više nego što bi to moglo da se objasni gravitacionim uticajima Sunca i planeta[2].

Da li neka nepoznata planeta ili pak udaljeni asteroid guraju letilice? Da li nepoznata sila potiče od međuplanetnog gasa ili prašine? Da nije u pitanju neki neobični kvar na letilicama? A možda nešto nije u redu sa našim proračunima gravitacije koja deluje na tim daljinama?

To poslednje objašnjenje bi bilo zaista velika vest. Većina onoga što danas znamo o kosmosu – naprimer, postojanje tamne materije, koja izgleda da savija i oblikuje galaksije, i tamne energije, koja izgleda da ubrzava širenje univerzuma – leži na pretpostavci da Ajnštajnova Opšta teorija relativiteta, koja tretira gravitaciju kao zakrivljenost prostor–vremenske geometrije – važi nezavisno od kosmičke udaljenosti.

Opšta gravitacija je prošla sve testove na Zemlji. Bez njenih korigovanja, recimo, GPS sistemi ne bi funkcionisali. Međutim, neki teoretičari su sugerisali da ako se gravitacija na velikim udaljenostima ponaša drugačije nego što je Ajnštajn očekivao, to bi moglo da oslobodi astronome neprijatne potrebe da objasne kako to da se 96 procenata kosmosa sastoji od različitih vrsta nepoznate tamne tvari. Slična, ali veća, vrsta devijacije Ajnštajnove teorije mogla bi da objasni i Pionirovu anomaliju, kako je ova dobila ime.

„Pioniri 10 i 11“ su lansirani 1972. i 1973. godine, i danas su oko 15 milijardi kilometara daleko od nas. Poslednji put veza sa njima je uspostavljena 2003. godine, nakon čega je telemetrijski signal sa „Pionira 10“ postao preslab da bi mogao biti uhvaćen[3]. Bile su to prve letilice koje su odletele dalje od Jupitera i Saturna (mada je verovatno njihov najveći uticaj na popularnu kulturu izazvala tadašnja diskusija o golim figurama ljudi na plaketi dizajniranoj za slučaj da kontakta sa nepoznatim civilizacijama).

Međutim, kada su 1998. godine Džon D. Anderson iz JPL i njegove kolege otkrili da se njihov svemirski robot kreće za nijansu sporije od njihovih proračuna, izgledalo je kao da se Opšta teorija raspada – dajući novinarima šansu da još jednom lansiraju njihovo omiljeno stručno pitanje: „Nije li Ajnštajn pogrešio?“ Pronosile su se priče o lansiranju specijalne „deep space“ sonde čija bi jedina misija bila da prati svoje sopstveno kretanje.

Efekat je bio neznatan – usporavao je letilice za oko 5.000 km godišnje – ali luckasti međuplanetni navigatori iz JPL–a, koji su mogli da protnu sondu kroz Saturnov prsten ili pored Jupiterovih satelita, polagali su velike nade u svoje poznavanje snaga i slabosti solarnog sistema.

Slava G. Turišev, ruski fizičar i ekspert za gravitacione efekte zaposlen u laboratoriji, čuo je za problem i počeo da radi na njemu, „osećajući se odgovornim da dopre do njegove srži“. Zato je krenuo u rekonstrukciju istorije „Pionirovih“ putovanja.

Verovatno misliš da je to lak zadatak, ali istorijat Pionira vremenski obuhvata dobar deo svemirske ere a takođe i računarskog doba, zahtevajući veliko pregnuće dr Turiševa u onom što je on nazivao „svemirskoj arheologiji“.

Zajedno sa kolegama je morao da pročešlja Nasine laboratorije tragajući za bušenim karticama i magnetnim trakama kao i uređajima koji bi mogli da čitaju podatke sačuvane na njima – a potom da sve to preformatira u jedan savremeni standard.

Između ostalog, to je podrazumevalo utvrđivanje pozicija svake od antena Nasine mreže Deep Space Networka sa preciznošću od jednog santimetra tokom čitavog 30–godišnjeg perioda praćenja letilice.

Sve to je potrajalo mnogo duže nego što je dr Turišev zamišljao (uz to je sve vreme zavisio od para Planetnog udruženja, kao i od Nase, koja je nadgledala čitav projekat), sve vreme imajući pred očima da verovatno više niko nikada neće ići njegovim stopama. Zato se trudio da što valjanije obavi zadatak.

„Što smo više učili, bili smo sve manje optimistični u vezi s novom fizikom[4],“ seća se Slava. Postajalo je sve izvesnije da se problem sa Pionirovim putovanjem ne krije u zvezdama ili obliku prostor–vremena, već u samoj kosmičkoj letilici.

Kada je projektovana, njena kola i generatori koji proizvode električnu struju zračila su više toplote na jednu stranu nego na drugu[5]. Taj debalans, zaključili su u nedavno objavljenom tekstu u „Fizičkoj reviji“ dr Turišev i njegove kolege, jedini je odgovoran za Pionirovo ponašanje.

Gravitaciju nije bilo potrebno revidirati. Ajnštajn je još jednom bio u pravu.

U stvari, kako se ispostavilo, bio je dvostruko u pravu.

Ideja da svetlost, a toplotno zračenje predstavlja samo jednu njenu formu, može da nosi inerciju pa prema tome i potisnu silu čini osnovu svih glavnih jednačina iz elektromagnetizma. Kometin rep, koga duva solarni vetar, jedan je od primera. Ali ovo je dobilo novo značenje kada je Ajnštajn, početkom 1905. godine, pokazao da svetlost možemo da shvatamo kao male čestice – danas nazvane fotonima – koje nose energiju i inerciju. Kao sa mecima: ako ih ispaljujemo u jednom pravcu, sila trzaja će se javiti u suprotnom.

Ako vozimo po noći, objašnjava dr Turišnjev, „naša dugački i jaki farovi će emitovati fotone i gurat nas unazad.“

Dakle, Pionirov problem je bio u tome što je leteo kroz solarni istem sa uključenim svojim farvima.

Dr Turišev kaže da je potraga za novom fizikom za njega završena. Kada su ga prijatelji pitali da li je razočaran konačnim rezultatom, nasmejao se odgovarajući: „Naravno. Ljudi su očekivali nešto mnogo bombastičnije.“

Ipak, kaže, i Ajnštajnovo objašnjenje „ima koristi“. Otkriće će pomoći u konstruisanju novih letilica za osetljive misije, kao što su one buduće, za merenje gravitacionih talasa.

Svi mi sanjamo o tajanstvenim silama nove fizike, ali ponekad su dovoljne i tajanstvenosti stare fizike.

TUĐA ISKUSTVA

„Pioniri“ su bili izuzetno pogodni za proučavanje navedenog kočionog efekta zbog toga što su tako dugo leteli bez korigovanja kursa. Većina „deep–space“ sondi lansiranih nakon „Pionira“ ili se zaustavljala na nekoj od planeta, ili je tokom leta koristila trastere za korigovanje putanje.

„Vojadžeri“ su imali sličan letni profil kao „Pioniri“, ali nisu bili rotaciono stabilizovani. Umesto toga, da bi ostali poravnati sa Zemljom (imali antene okrenute ka Zemlji) morali su neprestano da uključuju trastere svog sistema za kontrolu položaja (to rade i danas[6]). Svemirski aparati poput „Vojadžera“ neprestano dobijaju male i nepredviđene promene ukupne brzine, što je sporedni efekat čestog uključivanja sistema za kontrolu položaja. Taj „šum“ čini praktično nemogućim merenje malih promena u ubrzanju poput „Pionirovog efekta“; ubrzanja veličina 10–7 cm/s2 su praktično teško merljiva.

Savremenije letilice koriste rotacionu stabilizaciju povremeno pa čak i tokom čitavih misija, kao recimo „Galileo“ i „Ulysses“. Ti roboti su „osećali“ slične efekte, mada je iz različitih razloga (kao što je blizina Sunca) teško doneti prave zaključke.

Misija „Kasini“ je za kontrolu položaja pored trastera koristila i reaktivne točkove, te je tokom krstarenja u dužem periodu mogla da koristi samo njih za precizno upravljanje naučnim instrumentima. Takođe je posedovala i radioizotopske termoelektrične generatore (RTGs) instalirane u samoj blizini trupa letilice, koji su zračili kilovate toplote u teško predvidljivim pravcima. Izmerena vrednost „Kasinijevog“ nepredvidljivog ubrzanja iznosila je 26,7 ± 1,1 × 10−10 m/s2, što je otprilike triput više od „Pionirovog“ ubrzanja. Izmerena vrednost predstavlja sumu neodređenih termičkih efekata i moguće anomalije. Stoga, merenja „Kasinija“ tokom krstarenja nisu mogla niti da dokažu ali ni da obore postojanje anomalije.

Nakon što je „Kasini“ stigao do Saturna, izgubio je veliki deo težine zbog gubitka goriva koje je potrošio tokom ulaska u orbitu i oslobađanja sonde „Hajgens“. Konstatovano je povećanje ubrzanja izazvano silama zračenja, jer su sada delovale na manju težinu. Upoređujući promene ubrzanja „Kasinija“ u krstarećoj fazi i u orbiti oko Saturna, utvrđeno je da sve promene potiču od zračenja, sa samo malim dodatnim ubrzanjem, mnogo manjim od onoga koje deluje na „Pionire“, i suprotnog smera.

Preuzeto sa ...