» » » » » » » Cadre teoretice pentru testarea gravitației

Cadre teoretice pentru testarea gravitației

postat în: Gravitația | 0
Desplasarea gravitațională spre roșu
Desplasarea gravitațională spre roșu – Sursa https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gravitational_red-shifting.png

 

Un astronom detectează impulsuri misterioase în lumina unei stele aflate în centrul Nebulozei Crabului, iar teoreticienii speculează că sursa lor este o stea neutronică rotativă (pulsar). Cilindrii masivi de aluminiu din Illinois și Maryland încep brusc și simultan să vibreze, iar teoreticienii sugerează că o undă gravitațională tocmai a trecut prin sistemul solar. Radioastronomii descoperă că spațiul este umplut cu radiații de corp negru cu o temperatură de aproximativ 3° Kelvin și teoreticienii spun că este un produs secundar al „big-bang-ului” inițial al Universului. Astronomii de raze X au descoperit fluctuații aperiodice în emisia de raze X de la Cygnus-Xl, iar astronomii optici au descoperit că Cygnus-Xl este asociat cu o stea binară spectroscopică cu o singură linie spectrală și din această dovadă teoreticienii speculează că razele X provin de la o gaură neagră care orbitează în jurul unei stele normale.

Dar atunci când teoreticienii se așează și încep să construiască modele detaliate pentru aceste fenomene, ei tresar brusc. Toate aceste fenomene, observă ei, implică gravitația „relativistă” într-un mod foarte crucial. Teoria gravitației lui Newton este cu siguranță inadecvată pentru a descrie aceste fenomene cantitativ; și două dintre ele (găurile negre și undele gravitaționale), nu pot fi descrise nici măcar calitativ. Testele experimentate în sistemul solar până în 1960 par să confirme teoria relativistă a gravitației lui Einstein, deci poate că aceasta este teoria utilizată în construirea modelului. Dar aceste experimente au o acuratețe atât de scăzută (în majoritatea cazurilor, cu o precizie de numai 20%), încât, de asemenea, par să confirme câteva alternative: Teoria lui Whitehead, Teoria lui Belinfante-Swihart, …. Teoreticienii sunt îngenuncheați. Dacă nu au vreun motiv puternic pentru a crede una dintre aceste teorii față de celelalte, nu pot avea prea multă încredere în modelele pe care le construiesc pentru a explica fenomenele astrofizice.

Din fericire, aceleași progrese în tehnologiile de laborator și cele spațiale, care au făcut posibilă descoperirea acestor fenomene astrofizice, vor da, de asemenea, în deceniul următor, astrofizicianului teoretic mai multe motive experimentale pentru a crede doar o teorie a gravitației. Tehnologia din anii ’60 ne-a oferit un set de instrumente de înaltă precizie pentru testarea teoriilor gravitaționale în anii ’70; radarul care folosește planete și sateliți, cu o precizie mai bună de 15 metri; laserul până la Lună, cu o precizie mai bună de 30 de centimetri; interferometrie de bază lungă, capabilă să măsoare unghiurile până la 3·10-4 secunde de arc; ceasuri atomice și moleculare, stabile la o parte din zece pentru perioade de un an; gravimetre, capabile să măsoare modificările accelerației pe Pământ de până la 10-10 g; și multe altele.

Aceste descoperiri – în astronomie și astrofizică și tehnologie avansată – au făcut din testarea sistematică, de înaltă precizie a teoriilor de gravitație o sarcină importantă și interesantă pentru anii 70.

Deși există multe noi posibilități experimentale, costurile în ceea ce privește forța de muncă și banii sunt foarte mari. Din acest motiv, este esențial să avem un cadru teoretic cât mai bun pentru compararea valorilor relative ale diferitelor experimente și pentru propunerea unora noi care ar fi putut fi trecute cu vederea.

Cadrul teoretic cel mai simplu ar fi o comparație directă a relativității generale cu teoria newtoniană. Într-adevăr, exact o astfel de comparație a motivat cele trei teste originale ale lui Einstein – deplasarea spre roșu gravitațională, deformarea luminii și variația periheliilor lui Mercur. S-ar putea crede că ar trebui doar să continuăm măsurarea acestora și a altor efecte non-newtoniene, general-relativiste, la precizie din ce în ce mai mare; și numai dacă se constată o discrepanță între experiment și teorie, ar trebui să începem să luăm în considerare alte teorii.

Dar din cauza lipsei de date de înaltă precizie care favorizează relativitatea generală față de orice altă teorie și din cauza numărului mare (și în creștere) al teoriilor concurente, există o mare nevoie de un cadru teoretic suficient de puternic încât să poată fi folosit în proiectarea și evaluarea detaliată a testelor experimentale, și care să fie destul de general încât să nu fie părtinitor în favoarea relativității generale. De asemenea, ar trebui să ofere un mecanism de analiză a tuturor teoriilor de gravitație care au fost inventate ca alternative la cea a lui Einstein în ultimii 70 de ani, pentru a le clasifica, pentru a le elucida asemănările și diferențele și, în sfârșit, pentru a compara predicțiile lor cu rezultatele obținute de experimentele la nivelul sistemului solar. Ne-ar plăcea să vedem cum experimentul, cu foarte puține presupuneri a priori despre natura gravitației, ne forțează să luăm în considerație relativitatea generală sau o altă teorie.

Un exponent important al acestui punct de vedere este Robert H. Dicke. Acesta, și alții, au efectuat mai multe experimente de nul de înaltă precizie (experimentul Eotvos-Dicke-Braginsky, experimentul Hughes-Drever, experimentele de tip drift al eterului) care ne întăresc considerabil încrederea în fundamentele relativității generale. (Vezi Dicke 1964, de asemenea, secțiunile 2 și 3 de mai jos.) Fără acest punct de vedere, s-ar putea să nu fi fost realizate unele dintre experimentele de nul și cu siguranță nu am fi înțeles atât de bine semnificația lor.

Dicke însuși a sugerat un tip de cadru teoretic pentru compararea diferitelor teorii ale gravitației și analizarea semnificației diferitelor experimente. Cadrul său este deosebit de puternic pentru discutarea experimentelor de nul, pentru delimitarea naturii calitative a gravitației și pentru elaborarea noilor teorii covariante ale gravitației.

Cadrul Dicke nu presupune aproape nimic despre natura gravitației. El ajută la proiectarea și discutarea experimentelor care testează, la un nivel foarte fundamental, natura timpului spațiutimpului și a gravitației. În cadrul acestuia se pun întrebări, precum: Toate corpurile răspund gravitației cu aceeași accelerație? Este spațiul izotropic local în proprietățile sale intrinseci? Ce tipuri de câmpuri, dacă există, sunt asociate gravitației – câmpuri scalare, câmpuri vectoriale, câmpuri de tensori, câmpuri afine, …?

Crucial printre aceste experimente este experimentul Eotvos (îmbunătățit de Dicke și Braginsky și colaboratorii lor) care verifică cu mare precizie independența de compoziție a accelerației corpurilor de dimensiuni de laborator („universalitatea căderii libere”). Analizând acest experiment în cadrul Dicke, ajungem la o serie de concluzii „de încredere echitabilă” cu privire la natura gravitației. Acestea sunt (i) gravitația este asociată, cel puțin parțial, cu o „metrică”; (ii) corpurile de test care cad în mod liber se deplasează de-a lungul geodezicei acestei metrice; și (iii) în cadrele locale care se încadrează liber în această metrică, toate legile non-gravitaționale ale fizicii iau formele lor relativiste. Cercetările curente se îndreaptă către o dovadă mai convingătoare a acestei concluzii „corecte”. Teoriile de gravitație care îndeplinesc condițiile (i), (ii) și (iii) se numesc teorii „metrice”.

Un al doilea cadru teoretic începe acolo unde cadrul Dicke se oprește, luând ca temelie postulatele (i), (ii) și (iii) ale teoriilor metrice. Acest cadru este formalismul Parametrizat PostNewtonian al lui Eddington (1922), Robertson (1962) și Schiff (1967), îmbunătățit și extins de Schiff (1960), Baierlein (1967), Nordtvedt (1968b) ) și Will și Nordtvedt (1972).

Cadrul PPN ia limita lentă, post-newtoniană, a tuturor teoriilor metrice imaginabile și caracterizează această limită cu un set de ~ 9 parametri reali. Fiecare teorie metrică a gravitației este caracterizată de un set de valori particulare pentru acești parametri PPN. Sarcina experimentelor gravitaționale la nivelul sistemului solar în deceniul următor poate fi privită ca o măsură de măsurare a valorilor acestor parametri PPN și, prin urmare, delimitând, sperăm, care teorie a gravitației este corectă.

Sursa: Clifford M. Will, The Theoretical Tools of Experimental Gravitation

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *