Einstein ponownie ma rację. I to nie jest dobra wiadomość

Stanisław Mrówczyński

Albert Einstein i jego żona Elsa w Ameryce, lata 20. XX wieku (Everett Collection/East News)

Najnowsze testy ogólnej teorii względności przeprowadzone w ekstremalnych, kosmicznych warunkach znowu potwierdzają jej słuszność. To, paradoksalnie, nie jest dobrą wiadomością.

Galileusz miał obserwować przedmioty spadające swobodnie z Krzywej Wieży w rodzinnej Pizie, aby dojść do wniosku, że niezależnie od swojej wagi przedmioty spadają w takim samym tempie.

W rzeczywistości trzeba pominąć opór powietrza, żeby ten wniosek był ściśle prawdziwy, bądź doświadczenie wykonać w próżni, jak to zrobił kosmonauta David Scott, uczestnik misji Apollo 15. Stojąc na Księżycu, upuścił jednocześnie z tej samej wysokości piórko i młotek, które w równym czasie dotarły do powierzchni Srebrnego Globu.

Eksperyment w windzie

Uniwersalność swobodnego spadku oznacza, że dwie, różne w zasadzie, masy danego ciała – grawitacyjna i bezwładna – są sobie równe. Dzięki pierwszej, odgrywającej rolę podobną do ładunku w przypadku sił elektrycznych, ciało doświadcza przyciągania grawitacyjnego. Druga zaś masa określa jego inercję. Zgodnie z drugą zasadą dynamiki przyspieszenie pod działaniem siły jest odwrotnie proporcjonalne właśnie do masy bezwładnej.

W fizyce newtonowskiej równość masy grawitacyjnej i bezwładnej nie ma wyjaśnienia, jest niejako przypadkowa, więc zwykle nie rozróżnia się nawet tych dwóch wielkości

Tworząc ogólną teorię względności, Einstein zrozumiał fundamentalny charakter równości masy grawitacyjnej i bezwładnej i zasadę równoważności uczynił podstawą teorii. Zgodnie z tą zasadą efektów grawitacji i inercji odróżnić nie sposób.

Wyobraźmy sobie zamkniętego w windzie obserwatora, który doświadcza potężnej siły wgniatającej go w podłogę. Zasada równoważności stwierdza, że mierząc jedynie siłę, obserwator nie dowie się, czy to winda gwałtownie ruszyła w górę, a siła była skutkiem bezwładności, czy też pod windą znalazła się potężna masa powodująca grawitacyjne przyciągnie.

Z pewną przesadą można powiedzieć, że ogólna teoria względności to precyzyjne matematyczne sformułowanie zasady równoważności.

Eksperyment na nici

Od czasów Galileusza równość masy grawitacyjnej i bezwładnej sprawdzano wielokrotnie z coraz to większą precyzją. Szczególnie ważny w tym kontekście był eksperyment, a właściwie cała seria eksperymentów, wykonany przez Loránda Eötvösa na przełomie XIX i XX wieku.

Węgierski fizyk obserwował zachowanie dwóch ciężarków wykonanych z różnych materiałów, umieszczonych na końcach drążka, który tak był zawieszony na nici, że przyjmował pozycję horyzontalną. Ciężarki doświadczają ziemskiego przyciągania i siły bezwładności z powodu ruchu obrotowego całej naszej planety. Gdyby masy grawitacyjne i bezwładne każdego z ciężarków nie były sobie równe – Eötvös eksperymentował z ciężarkami z bardzo różnych materiałów – drążek próbowałby się obrócić, skręcając nić. Nic takiego nie wykryto – ani w oryginalnym eksperymencie Eötvösa, ani w późniejszych jego modyfikacjach, co pozwoliło z dużą dokładnością potwierdzić równość owych różnych postaci mas.

Zasadę równoważności sprawdzano również, obserwując ruch ciał naszego Układu Słonecznego, a także gwiazd podwójnych. Jednak wszystkie dotychczasowe eksperymentalne testy zasady równoważności były przeprowadzane w warunkach, kiedy siły ciążenia były nieduże. Kluczowe jest natomiast pytanie, czy zasada obowiązuje też w warunkach potężnej grawitacji, kiedy duża masa, zgodnie z einsteinowską teorią, wywołuje zakrzywienie przestrzeni.

Zagadka ciemnej energii i ciemnej materii

Ogólna teoria względności jest jednym z najpiękniejszych dzieł ludzkiego umysłu, jest też zweryfikowana przez doświadczenie na wiele różnych sposobów. A jednak przypuszcza się, że nie jest teorią ostateczną, lecz jedynie pewnym przybliżeniem nieznanej głębszej teorii.

Kilka jest po temu powodów. Einsteinowska teoria jest teorią czysto klasyczną, jednak mimo blisko stu lat wytężonych wysiłków najprzedniejszych fizyków nie udało się sformułować jej wersji kwantowej. Trudno się z tym pogodzić, gdyż wszystkie siły przyrody poza grawitacją są ze swej natury kwantowe, a postać klasyczna jest tylko przybliżeniem. Tak dla przykładu: elektrodynamika – ukształtowana jeszcze w XIX wieku jako teoria klasyczna – ujawnia swój kwantowy charakter, jeśli stosujemy ją do opisu atomów i innych obiektów mikroświata.

Jednak nie tylko klasyczna natura teorii względności każe poszukiwać głębszej teorii.

Zgodnie z naszą obecną wiedzą Wszechświat się rozszerza, a co więcej, rozszerza się coraz szybciej. Aby opisać takie zachowanie, zakłada się, że cały Wszechświat wypełnia pewna egzotyczna postać energii zwana ciemną. Na pytanie, czym jest ta energia, nie ma odpowiedzi na gruncie ogólnej teorii względności. Bardziej fundamentalne teorie miałaby rzecz wyjaśnić.

Podobnie się sprawy mają z ciemną materią, o której też nie wiemy, czym jest, choć na różne sposoby ujawnia swoją obecność w poszczególnych galaktykach, a także w skali całego Wszechświata.

Sformułowano już wiele wersji zmodyfikowanych teorii grawitacji, które próbują rozwiązać wspomniane wyżej problemy. Teorie te często dopuszczają naruszenie zasady równoważności. Ponieważ jednak każda zmodyfikowana teoria grawitacji musi być zgodna z ogólną teorią względności we wszystkich tych obszarach, gdzie ta teoria świetnie działa, oczekuje się zwykle, że zasada równoważności jeśli jest pogwałcona, to w warunkach silnej grawitacji.

Stąd też wynika potrzeba weryfikacji zasady w takich warunkach i właśnie teraz udało się tego dokonać, o czym niedawno donosiło “Nature”.

Najnowszy test zasady równoważności

Przez sześć lat międzynarodowy zespół astronomów, czy raczej radioastronomów, obserwował układ potrójny pulsara PSR J0337+1715 i dwóch okrążających go białych karłów, jednego po ciasnej, drugiego po szerokiej orbicie.

Zarówno pulsary, jak i białe karły to pozostałości po wypalonych gwiazdach. Mniejsze gwiazdy, zbliżone rozmiarami do Słońca, umierają spokojnie, dyskretnie. Wypaliwszy jądrowe paliwo i straciwszy część masy, zmieniają się w białe karły.

Duże gwiazdy, 10 i więcej razy większe do Słońca, kończą żywot gwałtownym wybuchem. Na kilka tygodni rozbłyska wtedy na niebie nowa gwiazda – supernowa, a rdzeń tej pierwotnej tworzy pod naporem sił grawitacji gwiazdę neutronową o masie jednej, dwóch mas Słońca, lecz o średnicy zaledwie 10 km.

Duża masa przy małych rozmiarach sprawia, że przyspieszenie grawitacyjne na powierzchni gwiazdy neutronowej jest jakieś 100 mld razy większe niż ziemskie.

Szybko wirujące gwiazdy neutronowe emitują radiowe impulsy, dzięki którym zostały zaobserwowane i nazwane pulsarami. Niezwykle regularny i charakterystyczny sygnał radiowy sprawia, że pulsary są latarniami morskimi kosmicznych przestworzy. I nie jest to już tylko poetycka metafora. Opracowano i przetestowano niedawno system podobny do ziemskiego GPS, który pozwala lokalizować położenie statku kosmicznego na podstawie sygnałów pochodzących od kilku pulsarów.

Sygnał emitowany przez pulsar PSR J0337+1715 jest modulowany przez dwa okrążające go białe karły, a owe drobne zmiany sygnału są źródłem niemal całej naszej wiedzy o tym potrójnym układzie z gwiazdozbioru Byka odległym od nas o 4200 lat świetlnych.

Przeanalizowawszy 1200 godzin nagranego sygnału, radioastronomowie stwierdzili, że przyspieszenia pulsara i bliskiego mu białego karła, spowodowane przyciąganiem odległego karła, różnią się nie więcej niż o milionową część. Potwierdza to poprawność zasady równoważności w obecności silnego zakrzywienia przestrzeni (spowodowanego przez pulsara). Wyklucza zaś pewne teorie zakładające, że einsteinowskie podejście jest słuszne jedynie w warunkach słabej grawitacji.

Najnowszy sukces ogólnej teorii względności nie jest całkiem dobrą wiadomością. Zgodność Einsteinowskiej teorii z doświadczeniem nie pomaga bowiem w znalezieniu głębszej teorii, która od lat jest poszukiwana

Problemy, które skłaniają fizyków teoretyków do poszukiwania głębszej teorii, nie zostały bowiem unieważnione. Pozostają takie, jakie były.

Fizycy eksperymentatorzy, czy raczej obserwatorzy, wykonali świetną robotę, lecz nie dostarczyli wskazówki, gdzie szukać nowej teorii, w którym kierunku drążyć. Napęd fizyce bowiem daje nie zgodność teorii z doświadczeniem, lecz jej brak. Wtedy się rodzą nowe idee.

*Stanisław Mrówczyński jest fizykiem, pracuje w Narodowym Centrum Badań Jądrowych w Warszawie i na Uniwersytecie Jana Kochanowskiego w Kielcach