Principiul echivalenţei. Vom renunţa la el?

Coincidenţa nu este în general ceva cu care oamenii de ştiinţă să-şi bată prea mult capul. Dacă două lucruri nu au legătură unul cu celălalt, există puţine puncte de interes. Dacă coincidenţa continuă să reapară, totuşi, trebuie să existe o legătură la un nivel mai profund.

Apoi, intră cu adevărat în slujba ştiinţei să afle care este această legătură şi, astfel, să explice motivul pentru care nu a existat nicio coincidenţă de la început. Asta face destul de ciudat faptul că o mare parte a fizicii moderne se balansează în mod precar pe o coincidenţă uriaşă.

 

Acea coincidenţă este esenţială pentru modul în care noi înţelegem şi măsurăm masa. Este atât de fundamentală în ceea ce priveşte funcţionarea lumii, încât cei mai mulţi dintre noi avem de-a face cu consecinţele ei, zi de zi, fără a a-i acorda prea multă atenţie. Totuşi, a fost punctul central al gândirii unora dintre cele mai mari minţi ale fizicii, timp de secole. Galileo şi Newton s-au luptat cu acest concept şi, până la urmă, nu au putut decât să-l accepte, mai degrabă decât să-l înţeleagă. Einstein a avut o formulare mai bună: l-a declarat a fi un principiu al naturii. Mai departe a folosit acest “principiu al echivalenţei” ca fundament al teoriei generale a relativităţii, în continuare cea mai bună unealtă pe care o avem la îndemână pentru a explica misterioasa forţă a gravitaţiei.

Dar există o problemă. Dacă dorim să găsim o teorie mai bună şi mai mare care poate unifica gravitaţia cu celelalte forţe care dictează mersul lumii, principiul echivalenţei nu mai poate fi folosit. Noi trebuie ori să rezolvăm această coincidenţă, ori să regândim radical modul în care fizica poate progresa din acest punct.

Există mai multe versiuni ale principiului echivalenţei, dar toate se reduc la o singură idee: efectele câmpurilor gravitaţionale nu pot fi distinse de efectele mişcării accelerate. Un experiment teoretic al lui Einstein exprimă cel mai bine această idee. Să ne imaginăm o persoană care se află în interiorul unui lift de pe Pământ. Ce face ca picioarele ei să rămână fixate pe podeaua liftului? Atracţia implacabilă a gravitaţiei în jos, desigur. Acum, să ne imaginăm aceeaşi persoană în acelaşi lift, dar într-un spaţiu gol, departe de orice obiect care gravitează. În acest caz, o rachetă este cea responsabilă pentru a împinge liftul în sus în acel spaţiu gol, cu aceeaşi acceleraţie produsă de gravitaţia Pământului. Pasagerul va sta, în mod evident, pe podeaua liftului în exact acelaşi mod.

Cum se poate întâmpla aceasta, având în vedere faptul că niciun fel de gravitaţie nu mai este implicată? În acest caz, responsabilă pentru prevenirea plutirii în sus a persoanei este propria inerţie. Inerţia reprezintă rezistenţa naturală a oricărui corp la acceleraţie – acelaşi efect care te împinge înspre înapoi în scaunul din maşină, atunci când şoferul apasă pedala de acceleraţie.

Situaţiile celor două lifturi prezintă o proprietate comună, masa. Dar cele doua mase provin din locuri foarte diferite. Prima, masa gravitaţională, este un lucru care reacţionează la atracţia gravitaţională, tinzând să accelereze un corp în câmpul gravitaţional. Cealaltă, masa inerţială, este proprietatea unui corp care se opune oricărei forme de acceleraţie.

Un alt mod de a exprima principiul echivalenţei este să spui că aceste două mase sunt, întotdeauna, aceleaşi din punct de vedere numeric. Consecinţele acestei coincidenţe sunt profunde. Dacă cele două mase nu ar fi fost aceleaşi, obiecte de diferite mase ar fi putut cădea pe Pământ cu viteze diferite, mai degrabă decât să accelereze cu toatele, în acelaşi mod, într-un câmp gravitaţional. Această “universalitate a căderii libere” a fost testată întâi, se crede, de Galileo, atunci când a lăsat să cadă un sac de pene şi un sac de ghiulele pentru muschete, din vârful Turnului înclinat din Pisa. În fapt, echivalenţa dintre masa gravitaţională şi cea inerţială dictează toată mişcarea gravitaţională din Univers. Dacă masa gravitaţională ar fi reacţionat un pic mai mult la gravitaţie decât o face masa inerţială faţă de acceleraţie, de exemplu, atunci planetele ar orbita în jurul stelelor şi stelele ar orbita în jurul galaxiei doar un pic mai repede decât o fac în acest moment.

Totuşi, nu există niciun motiv pentru care această corespondenţă ar trebui să se prezinte în acest fel. Numai prin presupunerea acestui fapt a putut Einstein dezvolta complet acele contracţii şi contorsionări ciudate ale spaţiului şi timpului, pe care el le-a introdus pentru prima dată în teoria specială a relativităţii din 1905. Ce s-ar întâmpla dacă un obiect masiv, cum ar fi o planetă, se întreba Einstein, comprimă spaţiul înconjurător în volume succesive din ce în ce mai compacte, cu cât te apropii mai mult de el? Atunci când un lucru s-ar mişca înspre suprafaţa planetei, i-ar lua din ce în ce mai puţin timp să parcurgă aceste spaţii comprimate: el ar părea că accelerează.

Forţa ciudată

Până în anul 1916, acest gând l-a condus pe Einstein la teoria generală a relativităţii. Ceea ce pare a fi gravitaţie este doar o mişcare uniformă într-un spaţiu comprimat în mod progresiv. Şi dacă nu există gravitaţie, atunci şi conceptul de masă gravitaţională este unul fictiv. Singura masă care funcţionează în Univers este cea care îi oferă inerţie unui corp. Coincidenţa din spatele echivalenţei dispare.

Relativitatea generală este, cel puţin până în prezent, extrem de precisă, prezicând poziţiile corpurilor celeste şi ghidându-ne sateliţii cu precizii la minut. Totuşi, există ceva ciudat în legătură cu aceasta care nu este bine-văzut de către fizicieni. Toate celelalte forţe ale naturii sunt transmise între corpuri prin intermediul unor particule cuantice fizice, fie ele şi eterice. Forţa electromagnetică, de exemplu, este transmisă între corpuri cu sarcină electrică prin schimbul de particule lipsite de masă, numite fotoni. La exterior, gravitaţia funcţionează în exact acelaşi mod. Arată ca o răţuşcă, înoată ca o răţuşcă – dar nu poate fi făcută să sune ca o răţuşcă.

Încercările făcute cu scopul de a determina gravitaţia să se exprime cu o voce cuantică reprezintă gândirea călăuzitoare din spatele teoriei stringurilor şi a altor proiecte menite să construiască “teorii ale totului” atotcuprinzătoare. Dar, dacă gravitaţia trebuie să renască ca o forţă reală, are nevoie de ceva pe care să se bazeze, după cum electromagnetismul se bazează pe sarcina electrică. Are nevoie de o masă gravitaţională care este separată şi distinctă de masa inerţială.

Aceasta înseamnă că progresul spre o teorie a totului are nevoie de un prim pas esenţial: uciderea vacii sfinte a lui Einstein. “Orice teorie a gravitaţiei cuantice trebuie să violeze principiul echivalenţei la un anumit moment”, spune Ben Gripaios, fizician teoretician la Universitatea Cambridge.

Cum? O metodă încercată şi testată este să încerci să dovedeşti că două mase nu sunt cu adevărat echivalente – doar foarte, foarte apropiate. Chiar şi cel mai mic semn al unei diferenţe ar însemna faptul că relativitatea generală este construită pe o aproximaţie şi că trebuie să existe o teorie mult mai profundă şi mai precisă. “Dacă cineva găseşte o diferenţă, atunci am realizat o descoperire majoră”, spune Claus Lämmerzahl de la Universitatea Bremen din Germania.

O modalitate de a face aceasta este să continuăm în spiritul experimentelor din Turnul înclinat ale lui Galileo, testând universalitatea căderii libere şi ale altor consecinţe ale principiului echivalenţei, în speranţa găsirii unei mici anomalii – până în prezent, această căutare a fost lipsită de succes (vezi “Să renunţăm la acest subiect”, de mai jos). Între timp, teoreticienii au intrat pe un alt fir al problemei. Ei arată faptul că, indiferent dacă Einstein a avut dreptate sau nu în legătură cu inexistenţa gravitaţiei şi a existenţei doar a inerţiei, nimeni nu a formulat încă o explicaţie convingătoare a inerţiei. “Încă nu ştim cum s-o definim”, spune Gripaios. “Noi ştim că trebuie să aibă o legătură directă cu masa, dar până nu o putem defini precis şi nu vom afla cum s-o măsurăm, nu poate exista nicio teorie pentru ea.”

Un lucru este însă sigur: nu totul se datorează câmpului Higgs, sărbătorit ca generator al masei. Dovezile pentru existenţa acestui câmp şi a particulei sale asociate au fost prezentate de fizicienii care au cotrobăit prin reziduurile generate de coliziunile de particule din cadrul Large Hadron Collider de la CERN, din apropierea Genevei, Elvetia, anul trecut. Dar, în timp ce câmpul Higgs este presupus a fi responsabil pentru generarea masei unor particule fundamentale, cum ar fi electronii şi quarcurile, atunci când quarcurile se combină în particule mai grele, cum ar fi protonii şi neutronii, care formează mare parte a materiei normale, masa rezultată este, aproximativ, de o mie de ori masa însumată a quarcurilor constituente. Această masă suplimentară nu provine de la mecanismul Higgs, ci de la energia necesară pentru ţinerea laolaltă a quarcurilor. Cumva, aceste două efecte trebuie să se combine şi să se bazeze pe altceva, pentru a crea proprietatea rezistenţei unui corp la acceleraţie. “Nu există niciun motiv pentru care să spunem că numai câmpul Higgs singur ar fi un fel de ingredient misterios care generează inerţie”, spune Gripaios.

Ce să facem atunci? O sugestie are ca origini o lucrare a lui Stephen Hawking din anii 1970. În mod ironic, a fost motivată în acel moment de o aplicare strictă a principiului echivalenţei. Hawking investiga proprietăţile găurilor negre, corpurile gravitaţionale inimaginabil de dense, a căror existenţă reprezintă o predicţie specială a relativităţii generale. El a sugerat faptul că o gaură neagră ar putea fi o sursa aparentă de radiaţie, pentru că perechile de particule cuantice care apar constant în spațiu ar fi separate atunci când s-ar afla în zona unui găuri negre, una dintre ele fiind absorbită, iar cealaltă azvârlită afară. Acest lucru l-a determinat pe fizicianul canadian, William Unruh, şi pe alţii să sugereze faptul că dacă gravitaţia şi acceleraţia sunt, cu adevărat, unul şi acelaşi lucru, emisii similare ar trebui să fie o caracteristică a oricărui corp care accelerează într-un vid.

Nimic de făcut

După modelul radiaţiei lui Hawking, nici cea a lui Unruh nu a fost niciodată detectată în mod sigur. Acceleraţiile necesare pentru a obţine un efect măsurabil într-un laborator sunt, în general, prea mari, deşi unii argumentează că efectul a fost observat în cazul electronilor acceleraţi în câmpurile magnetice înalte din acceleratoarele de particule.

La aproximativ un deceniu de la lucrarea lui Unruh, astrofizicianul Bernard Haisch de la Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics din Garching, Germania şi inginerul electrician Alfonso Rueda de la Universitatea de Stat din California, Long Beach, se jucau cu o idee similară, atunci când au descoperit faptul ca interacţiunea vidului cu un obiect care accelerează nu va avea loc numai pe suprafaţa vidului, ci îi va impregna întregul volum. Acest efect putea produce o forţă care acţionează în direcţia opusă mişcării corpului. Ei l-au asemănat la început cu modul în care particulele încărcate care străbat un câmp magnetic suferă acţiunea unei forţe – forţa Lorentz – care le afectează mişcarea. În acest caz, acestea reprezentau interacţiuni electromagnetice cu vidul cuantic. “Pare a fi exact ceea ce îţi trebuie pentru inerţie”, spune Haisch.

Acceleraţii anormale

Mile McCulloch de la Universitatea din Plymouth, Marea Britanie, crede că astfel de interacţiuni este exact ceea ce ai nevoie pentru a învinge principiul echivalenţei. O predicţie făcută în legătură cu radiaţia lui Unruh spune că, după modelul radiaţiei emise de un corp cald, ea se prezintă sub forma unui spectru format din mai multe lungimi de undă diferite. Pentru acceleraţii extrem de mici, temperatura radiaţiei pe care o “observă” un corp datorită vidului este mică, şi dominată de lungimi de undă foarte mari. Fă ca într-adevăr acceleraţia să fie extrem de mică, şi mărimea acestor lungimi de undă devine mai mare decât dimensiunea universului observabil, făcându-le, efectiv, să dispară.

În acest caz, în conformitate cu calculele realizate de McCulloch în 2007, cu scopul original de a explica acceleraţiile aparent anormale ale sondei spaţiale Pioneer în momentul în care aceasta străbătea sistemul solar, cantitatea totală de radiaţie Unruh experimentată de un corp ar scădea, şi aceasta nu ar mai prezenta caracteristicile unei forţe opuse. Inerţia ei astfel ar dispărea, putându-se mişca mai uşor decât dictează legile standard ale mişcării elaborate de Newton – şi eliberându-se astfel de conexiunea cu masa gravitaţională.

Problema cu această idee este testarea ei. În mediul de înaltă gravitaţie de pe Pământ, acceleraţiile destul de mici pentru ca efectul să poate fi observat nu vor putea fi uşor de obţinut. Dar efectele sale ar putea fi observate şi în mediul de joasă gravitaţie cum este cel care se găseşte la marginea unei galaxii. Într-adevăr, observând mişcările anormale ale mai multor galaxii în formă de spirală, McCulloch a sugerat faptul că acest mecanism ar putea explica şi alt mister cosmic de durată – cel al materiei întunecate (vezi “Inerţia întunecată”, de mai jos).

Este drept să menţionam faptul că astfel de idei nu au dus la transformarea lumii. Atunci când Haisch şi Rueda şi-au prezentat mecanismul, NASA a fost suficient de impresionată pentru a finanţa continuarea studiilor iar cuplul de cercetători a atras, de asemenea, aproape 2 milioane de dolari din investiţii private. Dar lipsa unor predicţii testabile ale modului în care efectul s-ar putea manifesta a făcut ca banii şi interesul pentru subiect să sece.

Desigur, un tradiţionalist, cum este Lämmerzahl, crede că noi nu ar trebui să renunţăm la această idee dintr-o dată. “Chiar dacă am mai multă încredere în ideile teoriei stringurilor, aceste idei ale interacţiunilor din vid nu sunt absurdităţi”, spune el. “Trebuie să le cercetăm în mod serios şi să decidem dacă ne pot oferi sau nu noi modalităţi de a testa principiul echivalenţei.”

O propunere pentru a face asta a fost realizată în 2010 de un trio de astronomi brazilieni conduşi de Vitorio De Lorenci, de la Universitatea Federală din Itajubá. Ei au sugerat folosirea unui disc rotitor pentru anularea acceleraţiilor produse de rotaţia şi mişcarea Pământului prin spaţiu. La acceleraţii minuscule, inerţia discului ar dispărea, acest lucru însemnând că s-ar învârti mai repede decât ar fi de aşteptat ca urmare a legilor lui Newton. În ciuda unor costuri relativ modeste, totuşi, niciun ban nu a fost încă acordat finanţării experimentului.

Prin urmare, acest impas stă încă în picioare până când cineva va realiza fie un experiment care va dovedi că principiul echivalenţei este fals, fie o idee teoretică care arată motivul pentru care trebuie să fie aşa. Dar, dacă într-un final masa gravitaţională este, într-adevăr doar masă inerţială sub o altă mască – indiferent ce ar fi masa inerţială – atunci teoriile cuantice ale gravitaţiei, incluzând aici teoria stringurilor, vor fi cele sacrificate. Drumurile către o teorie a totului vor deveni încă şi mai întortocheate. Dacă gravitaţia nu este o forţă, ci doar o iluzie care apare ca urmare a deformării spaţiului, după cum este descrisă de relativitatea generală, noi va trebui să cercetăm mult mai atent pentru a putea înţelege, la un nivel de bază, care este motivul existenţei acelei deformări.

Numai o coincidenţă? Aceasta este o coincidenţă pe care ştiinţa nu o poate revoca chiar atât de uşor.

Inerţia întunecată

În timpul anilor 1930, noi am observat faptul că galaxiile care se învârt în jurul altor galaxii nu se mişcau după modelul dictat de legile lui Newton sau Einstein. Câteva decenii mai târziu, ceva similar a fost observat în legătură cu rotaţia galaxiilor în formă de spirală individuale. Era ca şi cum o materie invizibilă învârtea materia pe care o puteam observa din ce în mai repede.

Acea idee a devenit, în acest moment, una de bază: manualele standard de cosmologie îţi vor spune că “materia întunecată” depăşeşte materia normală cu un factor de 5 la 1. Totuşi, deşi fizicienii specializaţi în fizica particulelor au furnizat o listă aproape fără sfârşit de particule ipotetice care ar putea îndeplini acel rol, până în prezent, nicio astfel de particulă nu a fost detectată într-un mod definitiv.

O alternativă prezentată pentru prima dată în anii 1980 de Mordehai Milgrom, fizician aflat la acel moment la Universitatea Princeton, spunea că gravitaţia trebuie să fie cumva modificată la marginile galaxiei. Acest lucru ar putea fi explicat dacă există o scădere a masei inerţiale, fără o scădere similară a masei gravitaţionale, în cazul stelelor care experimentau acceleraţiile extrem de reduse care puteau fi regăsite la marginile galaxiei. Acest lucru le-ar determina în mod natural pe acestea să se mişte mai repede. Dacă interacţiunile în vid pot realiza acest lucru (vezi articolul principal), ele ar putea reprezenta nişte deschizătoare de drumuri în ceea ce priveşte simularea materiei întunecate.

Să renunţăm la acest subiect

Stând la 146 de metri deasupra câmpiilor Germaniei de Nord, asemenea unei mari rachete albe care abia aşteaptă să-şi ia zborul, este foarte greu să ignori “turnul pentru aruncări” al Universităţii Bremen. Inaugurat în 1990 ca parte a Centrului de Tehnologie Spaţială Aplicată şi Microgravitaţie (ZARM), el oferă aproape 9,3 secunde de cădere liberă în care se pot face experimente. Până în prezent, testele pe atomii de potasiu şi rubidiu în cădere liberă nu au oferit nicio deviaţie de la comportamentul prezis de principiul echivalenţei (vezi articolul principal). S-a descoperit faptul că atomii cad în acelaşi timp cu o acurateţe de până la 11 puncte zecimale.

La Universitatea Washington din Seattle, între timp, Eric Adelberger şi echipa sa “Eöt-Wash”, folosesc un set de măsuri de înaltă specializare, cunoscut sub numele de balanţă de torsiune, pentru a compara mişcarea unor mase standard formate din diferite elemente, incluzând aici cuprul, beriliul, aluminiul şi siliciul. Ei deţin recordul pentru acurateţea testului, cu niciun fel de violare a principiului echivalenţei până la 13 puncte zecimale.

La un anumit punct, totuşi, aceste experimente realizate pe Pământ vor atinge o limită. “Devine din ce în ce mai greu să realizăm nişte instrumente mai eficiente”, spune Adelberger. Lucrul undeva unde gravitaţia este mult mai mică ar face ca orice deviaţie de la principiul echivalenţei să fie mult mai uşor de identificat.

Misiunea franceză MICROSCOPE, care este aşteptată să fie lansată în 2016, va face chiar acest lucru, testând mişcarea unor mase de platină şi iridiu în condiţiile de microgravitaţie din spaţiu. “MICROSCOPE va atinge o acurateţe de 100 de ori mai mare decât cea a unui laborator de pe Pământ”, spune Claus Lämmerzahl de la ZARM.

Organizaţia lui testează accelerometrele satelitului în turnul lor de aruncări și, de asemenea, dezvoltă software-ul necesar pentru a analiza rezultatele finale primite de la satelit. O misiune încă şi mai senzitivă, denumită Space-Time Explorer and Quantum Equivalence Principle Space Test, este în prezent în curs de evaluare de către Agenţia Spaţială Europeană, o decizie asupra finanţării misiunii fiind aşteptată până la sfârşitul acestui an.

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