Einstein znowu miał rację

Czy 750 milionów dolarów to zbyt duża cena za potwierdzenie prawdziwości czegoś, o czym wszyscy i tak są już przekonani? Właśnie tyle wydała NASA na sondę Gravity Probe B, która w 2005 roku udowodniła poprawność niektórych przewidywań teorii Einsteina, dokonując pomiaru subtelnych efektów relatywistycznych znanych jako precesja geodezyjna (nazywana również geodetyczną) i wleczenie układu.

Gdy w 1963 roku planowano realizację tego przedsięwzięcia, pojawiły się głosy, że w przestrzeni kosmicznej jest jeszcze tyle nowego do odkrycia, iż nie należy wydawać tak dużych sum jedynie na potwierdzenie czegoś, co i tak wydaje się oczywiste.

Francis Everitt wzdycha – słyszał tę argumentację już zbyt wiele razy. Everitt był głównym badaczem w zespole sondy Gravity Probe B. W swoim gabinecie na Uniwersytecie Stanforda wspomina pogmatwaną historię tego projektu i przejawy zazdrości ze strony niektórych jego kolegów. W nauce już tak jest, że gdy ktoś dostaje pieniądze, to automatycznie zyskuje wrogów – to jedno jest pewne.

W wieku osiemdziesięciu dwóch lat Everitt patrzy na kwestię pieniędzy już z większym dystansem. Od pojawienia się pierwszego pomysłu przez oficjalne uruchomienie projektu do chwili otrzymania wyników naukowych projekt Gravity Probe B trwał niemal pół wieku, co jest niezwykle długim czasem realizacji, nawet w przypadku programów kosmicznych. Gdyby więc rozdzielić całkowity koszt na cały ten okres, to można przyjąć, że wydatki wynosiły zaledwie 14 milionów dolarów na rok. To jest mniej niż 0,001 procent budżetu NASA na 2016 rok. Co więcej, jak dotąd przeprowadzono bardzo niewiele doświadczeń mających na celu ilościowe sprawdzenie idei Einsteina. Innymi słowy, zdaniem Everitta sonda Gravity Probe B była warta każdego wydanego na nią centa.

Mimo wszystko wydaje się, że postawione tu pytanie jest uzasadnione: po co w ogóle mielibyśmy sprawdzać teorię Einsteina? Przecież był największym fizykiem w historii. Czyż nie mamy pewności, że swoją teorią względności trafił w samo sedno?

Prawdę mówiąc, nie.

To znaczy uczeni nigdy nie są niczego pewni. Jutro mogą się pojawić nowe wyniki doświadczalne, które postawią pod znakiem zapytania dowolną ugruntowaną teorię, tak jak wtedy, gdy okazało się, że pomiary orbity Merkurego nie do końca pasują do przewidywań newtonowskiego prawa powszechnego ciążenia. Nie zapominajmy, jak działa nauka. Najpierw pojawiają się obserwacje wymagające teoretycznego wyjaśnienia. Później teoria wysuwa nowe przewidywania. Następnie przeprowadza się doświadczenia, żeby je sprawdzić. Jeśli wszystko się zgadza, zaufanie do teorii rośnie; jeśli nie, gdzieś musi tkwić jakiś błąd. Należy poprawić teorię lub wymyślić jakąś zupełnie nową. A potem ponownie przeprowadzić doświadczenia. Na tym polega metoda naukowa.

Sprawdzanie przewidywań jest zatem chlebem powszednim naukowców. Francis Everitt lubi cytować Leonarda Schiffa, fizyka z Uniwersytetu Stanforda, który wysunął pomysł konstrukcji sondy Gravity Probe B: „Jaki sens miałaby teoria bez doświadczeń?". (...)

Doświadczenia Pounda i Rebki oraz Hafelego i Keatinga są jednymi z najbardziej znanych eksperymentów potwierdzających poprawność teorii względności. Przeprowadzono więcej takich doświadczeń – były to na przykład eksperymenty Ivesa i Stilwella, Kennedy'ego i Thorndike'a, Rossiego i Halla, Frischa i Smitha – listę można by ciągnąć dalej. (Nazwy większości z tych doświadczeń składają się z dwóch nazwisk eksperymentatorów, którymi są z reguły biali mężczyźni. Są jednak wyjątki: czasami mówi się o doświadczeniu „Eöt-Wash" i w tym przypadku nie chodzi o dwóch fizyków, Eöta i Washa, ale o barona Loránda Eötvösa de Vásárosnamény i Uniwersytet Stanu Waszyngton, na którym je przeprowadzono). Nie będziemy tu opisywać tych doświadczeń, ale wyniki każdego z nich – bez względu na to, czy chodziło o mierzenie czasu życia szybko poruszających się mionów czy o obserwację ruchu orbitalnego Księżyca – potwierdziły poprawność szczególnej i ogólnej teorii względności, i to z bardzo dużą dokładnością.

Zatem faktycznie, można by kwestionować zasadność wydawania 750 milionów dolarów na przeprowadzenie kolejnego takiego doświadczenia. Zwłaszcza jeśli porówna się to z kwotą 8000 dolarów, jakie Joseph Hafele i Richard Keating wydali na wyprawienie siebie i zegarów atomowych w podróż dookoła świata na pokładzie odrzutowców.

Z drugiej jednak strony sonda Gravity Probe B została wymyślona i zaprojektowana w celu sprawdzenia efektu, którego jeszcze nigdy nie badano – nie dylatacji czasu, grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni czy zakrzywienia biegu promieni światła, ale precesji geodezyjnej i wleczenia układu. (Jeśli się ktoś zastanawia, czy była również sonda Gravity Probe A, to śpieszę z wyjaśnieniem, że tak: wystrzelono ją w 1976 roku w celu zmierzenia grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni z dużo większą dokładnością, niż udało się uzyskać w doświadczeniu Pounda i Rebki).

Precesję geodezyjną nazywa się czasem precesją de Sittera, od nazwiska Willema de Sittera, matematyka z Lejdy, który opisał to zjawisko już w 1916 roku. (Przypomnijmy, że to właśnie dzięki artykułowi de Sittera ogólna teoria względności Einsteina dotarła do Anglii). Zjawisko to jest w zasadzie bezpośrednim skutkiem zakrzywienia czasoprzestrzeni w sąsiedztwie masywnego ciała.

Wiedział, za jakie sznurki pociągnąć

Wyobraźmy sobie samotną kulę obracającą się wokół swej osi w pustej przestrzeni. Wobec braku jakichkolwiek zewnętrznych sił jej oś obrotu zawsze będzie zwrócona w tym samym kierunku. Teraz umieśćmy ją na orbicie okołoziemskiej. Newton w dalszym ciągu spodziewałby się, że jej oś obrotu zachowa pierwotne ułożenie – jeśli wskazywała na jakąś odległą gwiazdę, to nadal powinna być zwrócona w tym kierunku podczas każdego kolejnego okrążenia Ziemi. Einstein przewiduje jednak coś zupełnie innego. Obecność Ziemi powoduje zakrzywienie czasoprzestrzeni w jej otoczeniu. Oś obrotu kuli faktycznie zachowuje stały kierunek w tej zakrzywionej czasoprzestrzeni. Jeżeli jednak będziemy obserwować ją z oddali, z miejsca, gdzie czasoprzestrzeń jest znowu płaska, to zauważymy, że jej oś obrotu bardzo powoli się przesuwa. Na początku faktycznie mogła wskazywać w kierunku pewnej odległej gwiazdy, ale po wykonaniu wielu okrążeń po orbicie ustawienie to ulegnie zmianie. Właśnie na tym polega precesja geodezyjna.

Równie łatwo można sobie wyobrazić zjawisko wleczenia układu. Chyba każdy z nas miał okazję zobaczyć rysunek pokazujący zakrzywienie czasoprzestrzeni za pomocą kuli do kręgli umieszczonej na batucie. Płaska powierzchnia batutu odpowiada tu czasoprzestrzeni, a kula do kręgli symbolizuje masywne ciało, na przykład Słońce lub czarną dziurę. Podobnie jak kula odkształca powierzchnię batutu, tak masywne ciała powodują miejscowe zakrzywienie czasoprzestrzeni.

To porównanie z batutem nie jest doskonałe – każde tego typu porównanie ma jakieś wady. Pozwala jednak wyjaśnić zjawisko wleczenia układu. Wyobraźmy sobie, że stoimy obok batutu. Zagłębienie wytworzone przez kulę jest doskonale symetryczne. Teraz połóżmy dłoń na górze kuli i wprawmy ją w ruch obrotowy. Powierzchnia batutu zacznie się obracać razem z kulą. Nie zdoła jednak nadążyć za ruchem obrotowym kuli i w efekcie zagłębienie utraci symetrię – wszystkie linie układu współrzędnych ulegną skręceniu i utworzą wzór przypominający spiralę. Na tym polega zjawisko wleczenia układu.

Układ, o którym mowa w tym przypadku, to tak zwany układ inercjalny, czyli układ współrzędnych rozważanej czasoprzestrzeni (powierzchni batutu). Jeśli umieścimy w nim planetę (kulę do kręgli), czasoprzestrzeń ulegnie zakrzywieniu. Krzywizna prowadzi do pojawienia się omawianego przed chwilą zjawiska precesji geodezyjnej. A jeśli jeszcze wprawimy planetę (kulę do kręgli) w ruch obrotowy, to pociągnie ona za sobą zakrzywioną czasoprzestrzeń, nawet jeśli tylko odrobinę. To prowadzi do powstania dodatkowej – i dużo mniejszej – precesji osi obrotu ciała krążącego po orbicie. (Ten szczególny rodzaj wleczenia układu, nazywany rotacyjnym wleczeniem układu, został opisany po raz pierwszy w 1918 przez dwóch Austriaków, matematyka Josefa Lensego i fizyka Hansa Thirringa, dlatego znany jest również jako efekt Lensego-Thirringa).

Fizycy Leonard Schiff i William Fairbank z Uniwersytetu Stanforda zastanawiali się nad możliwością zmierzenia obu tych efektów już od 1960 roku. W 1962 roku dołączył do nich Francis Everitt liczący sobie wówczas 28 lat. Everitt ukończył w Londynie studia geologiczne. Przez pięć lat zajmował się zagadnieniem paleomagnetyzmu, ale później doszedł do wniosku, że fizyka jest bardziej interesująca, i kolejne dwa lata spędził na Uniwersytecie Pensylwanii, gdzie wyspecjalizował się w fizyce niskich temperatur.

Wszystko nabrało sensu, gdy zatrudnił się na Uniwersytecie Stanforda. W przygotowywanym przez siebie doświadczeniu Schiff i Fairbank chcieli wykorzystać niezwykle dokładne żyroskopy w kształcie doskonałych kul o rozmiarach piłeczek pingpongowych, które musiały być namagnetyzowane i ochłodzone do temperatury bliskiej zera bezwzględnego, bo tylko tak można było osiągnąć najlepsze wyniki pomiarów.

Uruchomienie całego przedsięwzięcia zajęło wiele czasu. Początkowo nie mogli zdobyć funduszy pozwalających na jego realizację – Everitt wciąż się zastanawia, skąd Schiff i Fairbank mieli pieniądze na jego pensję. Prace postępowały więc bardzo powoli. Potem projektem zainteresowała się NASA, co miało i dobre, i złe strony: prace nabrały tempa, ale agencja kosmiczna kilka razy była bliska decyzji o przerwaniu realizacji przedsięwzięcia. Pod koniec lat siedemdziesiątych ruszył program budowy promów kosmicznych i zdecydowano, że sonda Gravity Probe B ma być wyniesiona w kosmos na pokładzie jednego z nich – szukano wszelkich możliwych naukowych uzasadnień dla prowadzenia kosztownego programu pilotażowego lotu wahadłowców. Potem jednak, w 1986 roku, doszło do katastrofy Challengera, w której śmierć poniosło siedmioro astronautów. Nagle nikt w NASA nie chciał już przeznaczać środków na potencjalnie ryzykowny eksperyment fizyczny – odwołano nawet zaplanowane testy urządzeń, które miały się odbyć na pokładzie wahadłowca w trakcie jego lotu.

W ciągu następnych lat na czele NASA stawali kolejni dyrektorzy, budżety pęczniały i chudły, a naukowców wzywano na kolejne przesłuchania na Wzgórzu Kapitolińskim. Wreszcie, na początku lat dziewięćdziesiątych, misja została skierowana do realizacji, głównie dzięki kierownikowi projektu Bardowi Parkinsonowi. Everitt wciąż jest przekonany, że przyjęcie Parkinsona do zespołu w połowie lat osiemdziesiątych było kluczowym posunięciem w zawiłej historii budowy sondy Gravity Probe B. Parkinson nie był uczonym, lecz pułkownikiem Amerykańskich Sił Powietrznych. Uważa się, że to dzięki niemu powstał globalny system nawigacji GPS i nie ulega wątpliwości, że wiedział, za jakie sznurki należy pociągnąć. Co więcej, zespół z Uniwersytetu Stanforda zdobył poparcie ważnej osobistości, a mianowicie Daniela Goldina, dyrektora NASA w latach 1992–2001.

Sonda Gravity Probe B: a mogły być czołówki gazet

Ostatecznie sonda Gravity Probe B została wyniesiona na orbitę z Bazy Sił Powietrznych im. Vandenberga w Kalifornii 20 kwietnia 2004 roku. Ani Schiff, ani Fairbank nie dożyli tej chwili, a Everitt skończył wtedy właśnie siedemdziesiąt lat. Jednak w jego przypadku czekanie się opłaciło.

Przez mniej więcej rok cztery żyroskopy zamontowane na pokładzie sondy krążyły wokół Ziemi w stanie niemal niczym niezakłócanego spadku swobodnego, chronione przez solidną obudowę statku przed wpływem promieniowania słonecznego, mikrometeorytami i zmianami temperatury. Ponad 2400 litrów nadciekłego płynnego helu utrzymywało czułe przyrządy naukowe w temperaturze wynoszącej zaledwie 1,8 stopnia powyżej zera bezwzględnego.

Ponieważ wirniki żyroskopów miały kształt doskonałych kul, zachowywały swoje ułożenie względem lokalnego układu odniesienia, czyli nieznacznie zakrzywionej czasoprzestrzeni w pobliżu Ziemi. Przez cały czas nieruchomy teleskop sondy był ustawiony na odległą gwiazdę w gwiazdozbiorze Pegaza. Zjawiska precesji geodezyjnej i wleczenia układu powinny spowodować powolne przesunięcie się ustawienia żyroskopów względem satelity. Niezwykle czułe urządzenia o nazwie SQUID (od ang. superconducting quantum interference device – urządzenie nadprzewodzące wykorzystujące interferencję kwantową) mierzyły zmiany ustawienia namagnetyzowanych wirników z dokładnością większą niż 0,0005 sekundy kątowej.

Nie ulega wątpliwości, że było to coś zupełnie innego, niż popłynięcie na Wyspę Książęcą, by zrobić zdjęcia zaćmienia Słońca. Coś o wiele bardziej skomplikowanego od przesłania promieni gamma z piwnicy Laboratorium Jeffersona na ostatnie piętro budynku i zmierzenie niewielkiej zmiany długości fali. I zdecydowanie bardziej kosztownego od wyprawienia zegarów atomowych w podróż dookoła świata na pokładzie liniowych odrzutowców. Jednak dzięki temu doświadczeniu mieliśmy wyjątkową okazję sprawdzenia ogólnej teorii względności Einsteina. Gdyby wykryto nawet niewielkie odchylenia od przewidywań tej teorii, pociągnęłoby to za sobą ogromne konsekwencje.

Analiza danych zebranych przez sondę Gravity Probe B zajęła wiele lat. Efekty relatywistyczne były niewielkie, a szum pomiarowy – ogromny. Ostatecznie końcowe wyniki przestawiono wiosną 2011 roku, a otrzymane wartości zgadzały się z przewidywaniami teorii Einsteina. Gdyby tak się nie stało, informacja o tych badaniach z pewnością trafiłaby na pierwsze strony wszystkich gazet: „Einstein się mylił" – to byłby przecież doskonały nagłówek. Ale nie, Einstein miał rację – po raz kolejny. Precesja geodezyjna: 6,6 sekundy kątowej na rok. Wleczenie układu: 0,037 sekundy kątowej na rok. Niewiarygodnie małe efekty, ale ich wartości niemal dokładnie zgadzają się z przewidywaniami. Nigdy wcześniej nie sprawdzono i nie potwierdzono prawdziwości ogólnej teorii względności z tak dużą dokładnością.

Niech więc nikt nie próbuje przekonywać Francisa Everitta, że wydanie na ten cel 750 milionów dolarów było stratą pieniędzy.

* * *

Czy zatem mamy już za sobą wszystkie próby sprawdzenia poprawności teorii Einsteina?

W żadnym razie.

Ogólna teoria względności, w jej obecnej postaci, wcale nie musi być ostatecznym opisem natury przestrzeni, czasu i grawitacji. Powodem jest to, że teoria Einsteina stoi w sprzeczności z mechaniką kwantową, drugim ważnym filarem fizyki XX wieku. (...) Prędzej czy później uczeni na pewno wymyślą jakieś doświadczenie, którego wyniki nie będą się w pełni zgadzały z przewidywaniami jednej z tych dwóch teorii, podobnie jak dziwne zachowanie orbity Merkurego nie zgadzało się z teorią Newtona. Będzie to naukowy odpowiednik pojawienia się na horyzoncie niewielkich chmur – choć na początku wyglądają niegroźnie, mogą się rozrosnąć i wywołać gwałtowną burzę. Dzięki temu poznamy wskazówki, które pomogą nam w odkryciu nowych, lepszych teorii. Nie ma zatem niczego dziwnego w tym, że wykrycie fal grawitacyjnych we wrześniu 2015 roku uznano za jeden z najważniejszych przełomów w nauce w ostatnich dziesięcioleciach. Chodziło przecież o przewidywanie Alberta Einsteina sprzed stu lat, którego nigdy jeszcze nie udało się bezpośrednio potwierdzić. Odkrycie to stanowiło również nowy sposób badania najbardziej tajemniczych obiektów we Wszechświecie, czyli czarnych dziur.

Czy to nowe narzędzie okaże się kluczem do rozwikłania tajemnic czasoprzestrzeni?

Książka Goverta Schillinga, „Zmarszczki czasoprzestrzeni. Einstein, fale grawitacyjne i przyszłość astronomii", przeł. Bogumił Bieniok i Ewa Łokas, ukaże się za kilka dni nakładem wydawnictwa Prószyński i S-ka. Autor jest znanym holenderskim popularyzatorem astronomii, redaktorem czasopisma „Sky & Telescope". Napisał ponad pięćdziesiąt książek. Międzynarodowa Unia Astronomiczna na jego cześć nadała planetoidzie 10986 nazwę Govert.

Tytuł i śródtytuły pochodzą od redakcji