Funcţionează E=mc2 în spaţiul cosmic?

Fizicianul Andrei Lebed de la Univ. din Arizona a uimit comunitatea fizicienilor cu o idee şocantă, care trebuie însă verificată experimental: ecuaţia cea mai emblematică din lume, celebra E=mc^2 a lui Einstein, este sau nu corectă în funcţie de unde vă aflaţi în spaţiu.

Cu explozia primelor bombe atomice, lumea a devenit martora uneia dintre cele mai importante şi pline de consecinţe principii: energia şi masa sunt, în esenţă, acelaşi lucru şi pot fi convertite, de fapt, una în alta.

Acest lucru a fost demonstrat pentru prima dată de către Albert Einstein în Teoria relativităţii speciale şi având celebra formulare din ecuaţia sa emblematică E = mc², unde E reprezintă energia, m masa şi c viteza luminii (la pătrat).

Deşi fizicienii au validat de atunci ecuaţia lui Einstein prin nenumărate experimente şi calcule, multe tehnologii, inclusiv telefonia mobilă şi navigaţia prin GPS depinzând de aceasta, profesorul de fizică Andrei Lebed de la Universitatea din Arizona a surprins comunitatea fizicienilor sugerând că ecuaţia E = mc²  nu este valabilă în anumite circumstanţe.
 

Conform teoriei relativităţii generale, corpurile curbează spaţiul în jurul lor. Fizicianul Andrei Lebed de la Universitatea din Arizona a propus un experiment cu o sondă spaţială care transportă atomi de hidrogen pentru a verifica constatarea sa că ecuaţia E = mc² este corectă în spaţiul plat, dar nu şi în spaţiul curb.

Cheia argumentului lui Lebed constă chiar în conceptul de masă în sine. În conformitate cu paradigma acceptată, nu este nici o diferenţă între masa unui obiect aflat în mişcare, care poate fi definită în termenii inerţiei sale şi masa oferită acestui obiect de un câmp gravitaţional. În termeni simpli, cea dintâi, numită şi masă inerţială, este aceea care produce îndoirea aripii unei maşini după impactul cu o altă maşină, în timp ce cea de-a doua, numită şi masă gravitaţională, este cunoscută în mod obişnuit sub denumirea de „greutate“.

Acest principiu de echivalenţă dintre masele inerţiale şi cele gravitaţionale, introdus în fizica clasică de Galileo Galilei, iar în fizica modernă de Albert Einstein, a fost confirmat cu o foarte bună precizie. „Dar calculele mele arată că dincolo de o probabilitate certă, există o foarte mică, dar o reală şansă ca ecuaţia să fie încălcată pentru o masă gravitaţională“, a spus Lebed.   

Dacă cineva măsoară greutatea obiectelor cuantice, cum ar fi un atom de hidrogen, suficient de des, rezultatul va fi acelaşi în marea majoritate a cazurilor, dar o parte foarte mică din aceste măsurători dau o interpretare diferită, de încălcare aparentă a ecuaţiei E = mc². Acest lucru îi nedumereşte pe fizicieni, dar poate fi explicat dacă masa gravitaţională nu ar fi aceeaşi cu masa inerţială, ceea ce este o paradigmă în fizică. 

„Cei mai multi fizicieni nu sunt de acord cu acest lucru, deoarece ei cred că masa gravitaţională este egală cu masa inerţială", a spus Lebed. „Dar punctul meu de vedere este că masa gravitaţională nu poate fi egală cu masa inerţială din cauza unor efecte cuantice din teoria relativităţii generale, care este teoria gravitaţiei a lui Einstein. După cunoştinţele mele, nimeni nu a propus, niciodată, acest lucru mai înainte”. 

Lebed a prezentat calculele sale şi ramificaţiile acestora la reuniunea Marcel Grossmann de la Stockholm, din vara anului trecut, unde comunitatea fizicienilor le-a întâmpinat în egală măsură cu scepticism şi curiozitate. Având loc odată la trei ani şi având o participare de aproximativ 1000 de oameni de ştiinţă din întreaga lume, conferinţa se axează pe aspectele teoretice şi experimentale ale relativităţii generale, astrofizicii şi teoriilor relativiste ale câmpului. Rezultatele obţinute de Lebed vor fi publicate în buletinele conferinţei, în luna februarie.

Între timp, Lebed şi-a invitat colegii să evalueze calculele sale şi a sugerat un experiment pentru verificarea concluziilor sale, pe care l-a publicat în cea mai mare colecţie din lume de ediţii preliminare, de la Biblioteca Universităţii Cornell (a se vedea linkuri de la finalul articolului). 

„Problema cea mai importantă din fizică este Teoria Unificării a Totului - o teorie care poate descrie toate forţele observate în natură”, a spus Lebed. „Principala problemă legată de o astfel de teorie este cum să unifici mecanica cuantică relativistă şi gravitaţia. Eu încerc să fac o conexiune între obiectele cuantice şi relativitatea generală”.

Cheia pentru a înţelege raţionamentul lui Lebed este gravitaţia. El a arătat, cel puţin pe hârtie, că în timp ce ecuaţia E = mc² este întotdeauna valabilă pentru masa inerţială, aceasta nu este valabilă întotdeauna pentru masa gravitaţională.

„Ce înseamnă probabil acest lucru este că masa gravitaţională nu este aceeaşi cu cea inerţială”, a spus el. 

Potrivit lui Einstein, gravitaţia este rezultatul unei curbări a spaţiului însuşi. Gândiţi-vă la o saltea pe care au fost aşezate mai multe obiecte, să zicem, o minge de ping-pong, o minge de baseball şi o minge de bowling. Mingea de ping-pong nu va face nici o adâncitură vizibilă, cea de baseball va face una foarte mică, iar mingea de bowling se va scufunda în materialul din care este confecţionată salteaua. Stelele şi planetele fac acelaşi lucru cu spaţiul. O masă mai mare va produce o adâncitură mai mare în ţesătura spaţiului.

 

Cel mai simplu atom găsit în natură, hidrogenul, constă doar dintr-un nucleu orbitat de un electron. Calculele lui Lebed indică faptul că electronul poate sări pe un nivel de energie mai ridicat doar în cazul în care spaţiul este curbat. Fotonii emişi în timpul acestor evenimente de schimbare de nivel energetic (săgeata ondulată) ar putea fi detectaţi pentru a verifica ideea.

Cu alte cuvinte, cu cât avem mai multă masă, cu atât atracţia gravitaţională este mai puternică. În acest model conceptual al gravitaţiei este uşor de văzut cum un obiect mic, cum ar fi un asteroid rătăcind prin spaţiu, în cele din urmă va fi prins în deformarea spaţiu-timpului asociată unei planete, captiv în câmpul său gravitaţional. „Spaţiul are o curbură”, a spus Lebed „şi când deplasaţi o masă în spaţiu, această curbură tulbură această mişcare”. Potrivit fizicianului de la Universitatea din Arizona, curbarea spaţiului este cea care face ca masa gravitaţională să fie diferită de masa inerţială.     

Lebed sugerează testarea ideii sale prin măsurarea greutăţii unui obiect cuantic simplu: un singur atom de hidrogen, care conţine un singur nucleu atomic format doar dintr-un proton şi un electron care orbitează nucleul. Întrucât el se aşteaptă ca efectul să fie extrem de mic, sunt necesari o mulţime de atomi de hidrogen.

Iată ideea:
Cu rare ocazii, electronul rotindu-se în jurul nucleului atomului sare pe un nivel mai ridicat de energie, care poate fi aproximat cu o orbită mai largă. În scurt timp, electronul cade înapoi pe nivelul său de energie anterior. Potrivit relaţiei E = mc², masa atomului de hidrogen se va schimba odată cu schimbarea nivelului de energie.  Până aici, este în regulă. Dar ce s-ar întâmpla dacă am muta acest atom la distanţă de Pământ, unde spaţiul nu mai este curbat, ci plat? Aţi ghicit: electronul nu mai poate sări pe un nivel superior de energie, deoarece în spaţiul plat trebuie să se limiteze la nivelul de energie primar. Nu există nici o săritură în spaţiul plat. „În acest caz, electronul poate ocupa doar primul nivel al atomului de hidrogen”, a explicat Lebed. „El nu simte curbura spaţiului”. „Apoi, îl mutăm aproape de câmpul gravitaţional al Pământului şi, din cauza curburii spaţiului, există o probabilitate ca acest electron să sară de la primul nivel la cel de-al doilea. Şi acum masa va fi diferită”.

„Oamenii au făcut calculele pentru nivelurile de energie aici pe Pământ, ori asta nu-ţi oferă nimic, căci curbura rămâne aceeaşi, astfel încât nu este nici o perturbare”, a spus Lebed. „Dar ceea ce nu s-a luat în considerare înainte este că oportunitatea electronului de a sări de pe primul nivel pe al doilea nivel se datorează curburii care perturbă atomul”. „În loc să măsurăm greutatea direct, putem detecta aceste evenimente de schimbare de nivel energetic, care se fac ele însele cunoscute prin emiterea de fotoni - în esenţă, lumină”, a explicat el. 

Lebed a sugerat următorul experiment pentru a testa ipoteza lui: trimiterea unei nave spaţiale mici, cu un rezervor de hidrogen şi un foto-detector sensibil într-o călătorie în spaţiu. În spaţiul cosmic, relaţia dintre masă şi energie este aceeaşi pentru atom, dar numai datorită faptului că spaţiul plat nu permite electronului să-şi schimbe nivelurile de energie. „Când suntem aproape de Pământ, curbura spaţiului perturbă atomul şi există probabilitatea ca electronul să sară, emiţând astfel un foton care este înregistrat de detector”, a spus el. În funcţie de nivelul de energie, relaţia dintre masă şi energie nu mai este fixă sub influența unui câmp gravitaţional. Lebed a spus că nava spaţială nu trebuie să meargă foarte departe. „Sonda va trebui trimisă la o distanţă de două sau trei ori raza Pământului şi experimentul va funcţiona”. Conform lui Lebed, lucrarea sa este prima propunere de verificare a combinaţiei dintre mecanica cuantică şi teoria gravitaţiei a lui Einstein a în Sistemul Solar. 

„Nu sunt verificări directe ale posibilului "mariaj" dintre aceste două teorii”, a spus el. „Este important nu numai din punctul de vedere al faptului că masa gravitaţională nu este egală cu masa inerţială, dar şi pentru că mulţi văd acest "mariaj" ca pe un fel de monstru. Aş dori să testez posibilitatea acestui "mariaj". Vreau să văd dacă funcţionează sau nu”.

Detaliile calculelor lui Andrei Lebed pot fi consultate la adresele de mai jos:
xxx.lanl.gov/abs/1111.5365
xxx.lanl.gov/abs/1205.3134
xxx.lanl.gov/abs/1208.5756

Sursa: http://www.scientia.ro/