Το πείραμα του βαρυτοηλεκτρομαγνητισμού με τον δορυφόρο Gravity Probe Β

Ο βαρυτοηλεκτρομαγνητισμός ή GEM, διατυπώνεται με ένα σύνολο εξισώσεων με εμφανείς αναλογίες μεταξύ των εξισώσεων πεδίου του Maxwel και μιας προσεγγιστικής επαναδιατύπωσης των εξισώσεων πεδίου του Αϊνστάιν για τη γενική σχετικότητα, που όμως ισχύουν κάτω από ορισμένες συνθήκες. Για παράδειγμα, οι πιο συνηθισμένες παραλλαγές του βαρυτοηλεκτρομαγνητισμού ισχύουν μόνο για μη απομονωμένες πηγές και για αργά κινούμενα σωματίδια.

 

Ο δορυφόρος Gravity Probe Β

 

Ο βαρυτομαγνητισμός παράγεται από τα άστρα και τους πλανήτες καθώς αυτοί ιδιοπεριστρέφονται. Είναι παρόμοιο φαινόμενο με το παραγόμενο μαγνητικό πεδίο μιας στρεφόμενης φορτισμένης. μπάλας, αν αντικαταστήσουμε το φορτίο με τη μάζα και τότε ο μαγνητισμός γίνεται βαρυτομαγνητισμός.

 

Μπορεί να μην αισθανόμαστε το βαρυτομαγνητισμό στην καθημερινή μας ζωή, αλλά σύμφωνα με τη θεωρία του Αϊνστάιν της Γενικής Σχετικότητας είναι πραγματικό. Όταν ένας πλανήτης ή ένα αστέρι ή μια μαύρη οπή ή οποιοδήποτε μεγάλο αστρονομικό αντικείμενο περιστρέφεται, σύρει το χώρο και το χρόνο γύρω του, μια ενέργεια που είναι γνωστή ως «Frame Dragging«. Το χωροχρονικό ‘ύφασμα’ συστρέφεται όπως μια δίνη. Ο μεγαλύτερος φυσικός του 20ου αιώνα μας λέει ότι ενώ η βαρυτική δύναμη οφείλεται στην κάμψη του χωρόχρονου, η «συστροφή» είναι ο βαρυτομαγνητισμός.

 

Τα φαινόμενα ενός τέτοιου πεδίου, που συχνά αναφέρονται και σαν βαρυτομαγνητικά φαινόμενα, είναι από τις τελευταίες προβλέψεις της γενικής σχετικότητας που ακόμα δεν έχουν δοκιμαστεί. Τελευταία, στο πανεπιστήμιο τοτ Στάνφορντ αναλύουν τα δεδομένα από την πρώτη άμεση δοκιμασία του βαρυτοηλεκτρομαγνητισμού, που έγινε στο δορυφόρο Gravity B. Το σύρσιμο του χωροχρονικού πλαισίου (το πόσο παρασύρεται δηλαδή ο χωρόχρονος από την περιστροφή της Γης ή του Ήλιου ή μιας μαύρης τρύπας γύρω τους) συχνά αναφέρεται και σαν βαρυτομαγνητικό φαινόμενο.

 

Σύμφωνα με την GEM, το βαρυτικό πεδίο παράγεται από ένα περιστρεφόμενο αντικείμενο (ή όποια στρεφόμενη υλο-ενέργεια) και είναι το τυπικό ανάλογο με το μαγνητικό πεδίο στον κλασσικό ηλεκτρομαγνητισμό. Ξεκινώντας από την εξίσωση πεδίου του Αϊνστάιν της Γενικής σχετικότητας, και υποθέτοντας ένα ασθενές πεδίο ή ένα σχεδόν επίπεδο χωρόχρονο, κάποιοι έχουν φτιάξει τις παρακάτω βαρυτομαγνητικές εξισώσεις ανάλογες με τις εξισώσεις του Maxwell για τον ηλεκτρομαγνητισμό.

 

όπου:

• E είναι το βαρυτοηλεκτρικό πεδίο ή η βαρύτητα.
• B είναι το βαρυτομαγνητικό πεδίο.
• ρ είναι η πυκνότητα της μάζας αντί της πυκνότητας του φορτίου.
• J είναι η πυκνότητα ρεύματος της μάζας (=ρv_ρ, όπου v_ρ είναι η ταχύτητα της ροής της μάζας που γεννά το βαρυτομαγνητικό πεδίο).
• G είναι η παγκόσμια σταθερά της βαρύτητας
• c είναι η ταχύτητα της διάδοσης ή η ταχύτητα του φωτός.

Βλέπουμε ότι οι παραπάνω εξισώσεις έχουν μεγάλη αναλογία με τις εξισώσεις του ηλεκτρομαγνητισμού του Maxwell.
 
Η αναλογία και οι εξισώσεις που διαφέρουν μόνο από ορισμένους μικρούς παράγοντες δημοσιεύθηκαν για πρώτη φορά το 1893, πριν από τη γενική σχετικότητα, από τον Oliver Heaviside ως ξεχωριστή θεωρία που επεκτείνει τον νόμο του Νεύτωνα.
 
Έμμεσες επικυρώσεις βαρυτομαγνητικών επιδράσεων έχουν προκύψει από αναλύσεις σχετικιστικών πιδάκων. Ο Roger Penrose πρότεινε ένα μηχανισμό για την εξόρυξη ενέργειας και ορμής από τις περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες .  Το δε φαινόμενο Lense-Thirring θα μπορούσε να εξηγήσει τις παρατηρούμενες υψηλές ενέργειες και φωτεινότητες των κβάζαρ καθώς και των ενεργών γαλαξιακών πυρήνων.  Όλες αυτές οι παρατηρούμενες ιδιότητες θα μπορούσαν να εξηγηθούν με όρους βαρυτομαγνητικών επιδράσεων.
 
Προσοχή! Παρά τις ομοιότητες των εξισώσεων του ηλεκτρομαγνητισμού με του βαρυτοηλεκτρομαγνητισμού, και παρά την ομοιότητα του νόμου της δύναμης του Lorentz με ένα αντίστοιχο νόμο του βαρυτομαγνητισμού, ο βαρυτομαγνητισμός δεν πρέπει να συγχέεται με οποιαδήποτε από τα εξής:
 
• Ισχυρισμούς ότι μπορούν να κατασκευαστούν συσκευές αντι-βαρύτητας.
• Ισχυρισμούς του Eugene Podkletnov ότι έχει κατασκευάσει συσκευές με προστασία από την βαρύτητα και συσκευές ανάκλασης των ακτίνων βαρύτητας.
• Ισχυρισμούς της θεωρίας του Ηλεκτρικού Σύμπαντος που υποστηρίζει ότι προσδιορίζει τη βαρύτητα ως μια μορφή του ηλεκτρομαγνητισμού.
• Αυτές και άλλες αξιώσεις θεωρούνται σαν ψευδοφυσική από την επικρατούσα θεωρία της επιστήμης.

Ο βαρυτοηλεκτρομαγνητισμός, αφ’ ετέρου, είναι σταθερά μέρος της καθιερωμένης θεωρίας της βαρύτητας, δηλαδή τη γενική σχετικότητα, και έχει ελέγξιμες προβλέψεις, ενώ είναι στα τελικά στάδια να εξεταστεί άμεσα.

 

Κοντά στη Γη, ο βαρυτομαγνητισμός είναι ασθενής. Για αυτό και τα γυροσκόπια του Gravity Probe Β  ταλαντεύονταν μόνο 42 χιλιοστά του ενός δευτερολέπτου. Αλλά το βαρυτομαγνητικό πεδίο κοντά σε μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα ή σε ένα άστρο νετρονίων θα ήταν πολύ ισχυρό.

 

Οι αστρονόμοι μπορεί να έχουν ήδη παρατηρήσει τα αποτελέσματα του βαρυτομαγνητισμού. Μερικές μαύρες τρύπες και άστρα νετρονίων εκπέμπουν ισχυρούς πίδακες ύλης στο διάστημα, με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός. Αυτοί οι πίδακες είναι σε μορφή ζεύγους και κατευθύνονται αντίθετα, σαν να φεύγουν από τους πόλους ενός περιστρεφόμενου αντικειμένου. Οι θεωρητικοί φυσικοί σκέφτονται ότι οι πίδακες θα μπορούσαν να τροφοδοτηθούν και να ευθυγραμμιστούν από το βαρυτομαγνητισμό.

 

Αλλά στο ηλιακό μας σύστημα  ο βαρυτομαγνητισμός είναι, στην καλύτερη περίπτωση, ασθενής. Και γι’ αυτό πολλοί αναρωτιούνται, τι έγινε που ανακαλύψαμε τον βαρυτομαγνητισμό;
 

Η ίδια ερώτηση τέθηκε, πολλές φορές, στο 19ο αιώνα όταν εξερευνούσαν ο Maxwell, ο Faraday και άλλοι τον ηλεκτρομαγνητισμό.

 

«Ποια χρήση θα μπορούσε να έχει ο ηλεκτρομαγνητισμός;»

 

Το πείραμα

Στις 20 Απριλίου 2004 εκτοξεύτηκε από τη NASA ο δορυφόρος Gravity Probe Β. Κατασκευάστηκε από επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, της NASA και της Lockheed Martin, για να εκτελέσει το πείραμα του βαρυτομαγνητισμού, με τη χρήση γυροσκοπίων.

 

Το διαστημικό σκάφος βρισκόταν σε μια πολική τροχιά 650 km από τη Γη. Μέσα του υπήρχαν τέσσερα γυροσκόπια, τέσσερις τέλεια λειασμένες σφαίρες διαμέτρου 38 cm τοποθετημένες στο κενό κάνοντας δέκα χιλιάδες περιστροφές ανά λεπτό. Εάν οι εξισώσεις του Einstein ήταν σωστές και ο βαρυτομαγνητισμός ήταν πραγματικός, τα περιστρεφόμενα γυροσκόπια έπρεπε να ταλαντευτούν καθώς θα βρίσκονταν σε τροχιά πάνω από τη Γη. Οι άξονες περιστροφής τους θα έπρεπε να μετατοπιστούν, σιγά-σιγά, συνολικά 42 χιλιοστά του ενός δευτερολέπτου μέσα σε ένα χρόνο. Ο Gravity Probe Β θα μπορούσε να μετρήσει αυτήν την γωνία με μια ακρίβεια 0,5 χιλιοστά του ενός δευτερολέπτου, ή περίπου 1%. 

 

Η αποστολή του GP-B ήταν σχεδιασμένη να κάνει μετρήσεις με πρωτοφανή ακρίβεια, καθώς στόχευε στο άστρο IM Pegasi, ενώ βρισκόταν σε τροχιά γύρω από τη Γη. Αν η βαρύτητα δεν επηρέαζε τον χώρο και το χρόνο, τα γυροσκόπια του GP-B θα έπρεπε να στοχεύουν πάντα προς την ίδια κατεύθυνση. Αλλά η επιβεβαίωση των θεωριών του Einstein ήρθε όταν τα γυροσκόπια κατέγραψαν μικρές αλλαγές στην κατεύθυνση της περιστροφής τους.

 

“Φανταστείτε τη Γη σαν να ήταν βυθισμένη στο μέλι. Καθώς περιστρέφεται ο πλανήτης, το μέλι γύρω από αυτό θα στροβιλίζεται κάτι το οποίο συμβαίνει και με το χώρο και το χρόνο”, δήλωσε ο Francis Everitt, κύριος ερευνητής του GP-B στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. “Η αποστολή GP-B επιβεβαίωσε δύο από τις πιο σημαντικές προβλέψεις του Αϊνστάιν σχετικά με το σύμπαν, και έχει βαθιές επιπτώσεις σε ολόκληρη την έρευνα της αστροφυσικής. Ομοίως, οι δεκαετίες της τεχνολογικής καινοτομίας πίσω από την αποστολή θα είναι μόνιμη κληρονομιά για την Γη και το διάστημα.

 

Η δορυφορική αποστολή του Stanford, ύψους 0,76 δισεκατομμυρίων δολαρίων, για να ελέγξει τη θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν, ανακοίνωσε το 2011 τα τελικά αποτελέσματα. Δεν ήταν όλα τα πειράματα όπως πρόβλεπαν, ειδικά στο ρυθμό ολίσθησης των πλαισίων, γιατί το φαινόμενο δεν είχε το επίπεδο εμπιστοσύνης 5 σίγμα.

 

Παρ ‘όλα αυτά, εάν ρωτήσετε αν ο ανιχνευτής βοήθησε να εξαλειφθούν δραματικά οι αμφιβολίες ότι η Γενική Σχετικότητα GR είναι σωστή για άλλη μια φορά, η απάντηση είναι ένα ηχηρό Ναι.