14 évig tesztelték atomórákkal Einstein relativitáselméletét, hogy a végén kiderüljön: nem tévedett az öreg
Hétfőn tette közzé az Egyesült Államok első fizikai kísérletekkel foglalkozó laboratóriuma, a Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet (NIST) azt a tanulmányt, amelyben egy 14 éven át végzett kísérlet eredményeiről számolnak be. A kísérletben a világ legpontosabb atomóráinak segítségével tesztelték az általános relativitáselmélet egyik alapvető tételét, az ekvivalenciaelvet, és ezzel a Vice szerint az elv eddigi legprecízebb igazolását hajtották végre.
A kísérlet során a különböző országokban (USA, Németország, Franciaország, Olaszország és Nagy-Britannia) lévő 12 atomóra méréseit követték 1999 és 2014 között. Einstein általános relativitáselmélete értelmében a mérések közötti kapcsolatnak nem szabadna változniuk, miközben a Föld kering a Nap körül. A NIST fizikusainak a maratoni kísérletben ezt sikerült igazolniuk.
Ekvivalivencimicsoda?
Az Einstein elméletének alapját képző ekvivalenciaelv szerint korlátozott vonatkoztatási rendszerekben a gravitációs erő szinte teljesen hiányzik. Az elv érzékeltetésére Einstein egy egyszerű gondolatkísérlettel állt elő:
„Képzeld el, hogy egy ablak nélküli dobozban állsz, ami egy lifthez hasonlít, és elejted a telefonod, ami várakozásaidnak megfelelően leesik a padlóra. Ennyiből már lehet arra következtetni, hogy egy Földön található liftben vagy? Nem feltétlenül, ugyanis egy liftalakú dobozban is állhatsz a világűr mélyén egy űrhajóban, bármelyik bolygó gravitációs hatásától távol. Ebben az esetben arra lehet következtetni, hogy az űrhajó gyorsulása 9,81 m/s2 (a Föld felszínéhez közeli gravitációs gyorsulás mértéke), mivel a lift padlója ugyanennyivel gyorsult a telefonod felé. A te szemszögedből, egy ablak nélküli dobozban ezt a különbséget lehetetlen megállapítani.”
„Most képzeld azt – folytatta a gondolatkísérletet Einstein –hogy ugyanebben az ablak nélküli dobozban vagy, de közben lebegsz a levegőben. Akkor biztos az űrben vagy, igaz? Nem feltétlenül, hiszen lehetsz egy földi liftaknában is, miután elvágták a lift kábeleit. Gyakorlatilag szabadesés közben vagy, de ezt lehetetlen megkülönböztetni a súlytalanság állapotától abban a korlátozott vonatkoztatási rendszerben, amelyben vagy,”
Ezért lebegnek az űrhajósok a Nemzetközi Űrállomáson (ISS) annak ellenére, hogy a Föld gravitációs ereje 400 kilométer magasban a Föld felszínéhez képest 90 százalékos erősségű – az ISS gyakorlatilag folyamatos szabadesésben van.
Az általános relativitáselmélet azt is kimondja, hogy egy szabadesésben lévő liftben az objektumok tulajdonságai egymáshoz képest ugyanolyanok maradnak. Vagyis ha pont abban a pillanatban ejted el a telefonod és a pénztárcád, ahogy elvágják a lift kábeleit, a két tárgy ugyanolyan távolságra marad egymástól az esés során, függetlenül a liftbeli helyzetüktől.
A Föld mint szabadesésben lévő lift
A NIST kísérletében az egész Föld helyettesítette a szabadesésben lévő liftet, a 12 atomóra pedig a telefont, a pénztárcát és még tíz elejtett tárgyat. Ebben az értelemben a Föld szabadesésben van a Nap körül, és ha az egész bolygót lokális vonatkoztatási rendszernek tekintjük, akkor az atomórák „ketyegései” (vagyis az elektron energiaállapotok közötti átmenetei) közötti kapcsolatnak ugyanolyannak kell maradnia a Föld keringése során.
Az általános relativitáselmélet e vonatkozásának eddigi legprecízebb igazolását ez előtt 2007-ben hajtották végre, hét évnyi megfigyelés után, de annál a NIST fizikusai szerint most ötször olyan pontosan sikerült igazolni Einstein tételét. A szakértők szerint a jobb eredményeket a magasabb minőségű cézium-atomóráknak köszönhetik, a Föld helyzetének és űrbeli sebességének pontosabb mérései mellett.