La prova de la relativitat general d’Einstein té implicacions importants


Els investigadors van utilitzar un satèl·lit que orbitava la Terra per fer-ho una prova ultra precisa d’una premissa bàsica de la teoria de la relativitat general d’Einstein, que és la teoria moderna de la gravetat. La qüestió és si dos tipus diferents de masses, gravitatòria i inercial, són idèntiques. Els científics van trobar que dos objectes a bord del satèl·lit van caure cap a la Terra al mateix ritme, amb una precisió d’una part en un quadrillió. Aquesta prova reeixida de la teoria d’Einstein té implicacions substancials per als misteris còsmics actuals, per exemple, la qüestió de si existeixen matèria fosca i energia fosca.

Enganyar els antics

La gravetat és la força que manté unit l’Univers, tirant de galàxies llunyanes i guiant-les en una eterna dansa còsmica. La força de la gravetat es regeix en part per la distància entre dos objectes, però també per les masses d’objectes. Un objecte amb més massa experimenta més gravetat. El nom tècnic d’aquest tipus de massa és “massa gravitatòria”.

La massa té una altra propietat, que es podria anomenar inèrcia. Aquesta és la tendència d’un objecte a resistir els canvis de moviment. En altres paraules, les coses més massives són més difícils de moure: és més fàcil empènyer una bicicleta que un cotxe. El nom tècnic d’aquest tipus de massa és “massa inercial”.

No hi ha motiu primer suposar que la massa gravitatòria i la massa inercial són iguals. Un governa la força de la gravetat, mentre que l’altre governa el moviment. Si fossin diferents, els objectes pesats i lleugers caurien a diferents ritmes, i de fet, els filòsofs de l’antiga Grècia van observar que un martell i una ploma cauen de manera diferent. Sens dubte, els objectes pesats semblen caure més ràpidament que els lleugers. Ara sabem que la resistència de l’aire és la culpable, però això no era obvi en el passat.

La situació es va aclarir el 17th segle, quan Galileu va realitzar una sèrie d’experiments utilitzant rampes i esferes de diferents masses per demostrar que objectes de diferents masses cauen al mateix ritme. (El seu experiment sovint citat de deixar caure boles des de la Torre de Pisa és probablement apòcrif.) I el 1971, l’astronauta David Scott repetida de manera convincent L’experiment de Galileu a la Lluna sense aire, quan va deixar caure un martell i una ploma, i van caure de manera idèntica. Els antics grecs havien estat enganyats.

Conjectura fosca

L’afirmació que la massa inercial i gravitatòria són la mateixa es coneix com a principi d’equivalència, i l’equivalència cablejada d’Einstein a la seva teoria de la gravetat. La relativitat general prediu amb èxit com cauen els objectes en la majoria de les circumstàncies, i la comunitat científica l’accepta com la millor teoria de la gravetat.

Més ràpid i més intel·ligent: el butlletí de notícies Big Think

Subscriviu-vos per rebre històries contraintuïtives, sorprenents i impactants a la vostra safata d’entrada cada dijous

Tanmateix, “la majoria” de les circumstàncies no vol dir “totes”, i les observacions astronòmiques han revelat alguns misteris perplexos. D’una banda, les galàxies giren més ràpidament que les seves estrelles i els gasos dins d’elles poden explicar o del que la teoria de la gravetat d’Einstein pot explicar. L’explicació més acceptada d’aquesta discrepància és l’existència d’una substància anomenada matèria fosca, matèria que no emet llum. Un altre enigma còsmic és l’observació que l’expansió de l’Univers s’està accelerant. Per explicar aquesta raresa, els científics han postulat que l’Univers està ple d’una forma repulsiva de gravetat anomenada energia fosca.

No obstant això, són qüestions de conjectura informada. Pot ser que no entenem completament la gravetat o les lleis del moviment. Abans que puguem tenir cap confiança que la matèria fosca i l’energia fosca són reals, hem de validar la teoria d’Einstein de relativitat general amb una precisió molt alta. Per fer-ho, hem de demostrar que el principi d’equivalència és cert.

Si bé Isaac Newton va provar el principi d’equivalència a la dècada de 1600, els esforços moderns són molt més precisos. Al segle XX, els astrònoms van fer rebotar els làsers dels miralls deixats a la Lluna pels astronautes d’Apol·lo per demostrar que la massa inercial i gravitatòria són iguals amb una precisió d’una part en 10 bilions. Aquell assoliment va ser impressionant. Però l’experiment més recent va anar més enllà.

La relativitat general passa una altra prova

Un grup d’investigadors anomenat MicroSCOPE La col·laboració va llançar un satèl·lit a l’espai el 2016. Hi havia cilindres de titani i platí a bord i la intenció dels científics era provar el principi d’equivalència. En posar els seus aparells a l’espai, van aïllar l’equip de les vibracions i les petites diferències gravitatòries creades per les muntanyes properes, els dipòsits subterranis de petroli i minerals, etc. Els científics van controlar la ubicació dels cilindres mitjançant camps elèctrics. La idea és que si els dos objectes orbitessin de manera diferent, haurien d’utilitzar dos camps elèctrics diferents per mantenir-los al seu lloc.

El que van trobar va ser que els camps elèctrics requerits eren els mateixos, cosa que els va permetre determinar que qualsevol diferència de massa inercial i gravitatòria era inferior a una part en un quadrillió. Essencialment, van fer una validació precisa del principi d’equivalència.

Tot i que aquest és un resultat esperat des del punt de vista de la relativitat general, té conseqüències molt substancials per a l’estudi de la matèria fosca i l’energia fosca. Tot i que aquestes idees són populars, alguns científics creuen que les propietats de rotació de les galàxies es poden explicar millor amb les noves teories de la gravetat. Moltes d’aquestes teories alternatives impliquen que el principi d’equivalència no és del tot perfecte.

La mesura de MicroSCOPE no va veure cap violació del principi d’equivalència. Els seus resultats descarten algunes teories alternatives de la gravetat, però no totes. Els investigadors estan preparant un segon experiment, anomenat MicroSCOPE2, que hauria de ser unes 100 vegades més precís que el seu predecessor. Si veu desviacions del principi d’equivalència, donarà als científics una guia crucial per desenvolupar teories noves i millorades de la gravetat.