| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
„Mikroskop“ dokáže přesně prověřit princip ekvivalence
Petr Kulhánek
Princip ekvivalencePrincip ekvivalence – gravitační zrychlení těles nezávisí na jejich chemickém složení, gravitační a setrvačná hmotnost těles je vzájemně úměrná, ve vhodné soustavě jednotek shodná. Tento princip se někdy nazývá slabý princip ekvivalence (WEP – Weak Equivalence Principle). Podle silného principu ekvivalence by měly platit i předpoklady speciální relativity, tj. princip konstantní rychlosti světla a neodlišitelnost inerciálních soustav pro mechanické i elektromagnetické děje. Silný princip ekvivalence má za důsledek to, že by gravitační účinky měla mít i hmotnost odpovídající energii elektromagnetického pole. Důsledkem principu ekvivalence je nerozlišitelnost mezi setrvačnými a gravitačními jevy. mezi setrvačnou a gravitační hmotou patří k základním pilířům současné fyziky. Bez něho by se obecná relativitaObecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svou přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách., která elegantně popisuje gravitační interakci, zhroutila jako domeček z karet. Pozemskými experimenty byl princip ekvivalence ověřen s relativní přesností 10−13. Další zvyšování přesnosti je problematické, protože podíl šumu a užitečného signálu neúměrně roste. Vyšší přesnosti je možné dosáhnout při experimentech na oběžné dráze. Vědci ze Stanfordovy univerzity vyvíjeli sondu STEPSTEP – Satellite Test of the Equivalence Principle, sonda vyvíjená na Stanfordově univerzitě, jejímž cílem bylo ověřit princip ekvivalence s dosud nejlepší přesností za pomoci sledování setrvačníků na oběžné dráze kolem Země. Projekt byl americkou NASA zastaven a jeho osud je nejistý., která měla podle tvůrců dosáhnout relativní přesnosti až 10−18. Její další osud je ale po neúspěchu sondy Gravity Probe B (vyvíjené stejnou skupinou, viz AB 24/2008) nejasný. V roce 2016 odstartovala francouzská sonda MICROSCOPE, která by měla za pomoci dvojice akcelerometrů ověřit princip ekvivalence s relativní přesností 10−15, tedy stokrát vyšší než v pozemských experimentech. Po prvním roce měření jsou výsledky více než slibné a mohlo by dojít k vyloučení nekterých teorií za hranicemi obecné relativity, které předpokládají narušení principu ekvivalence v oblasti relativní přesnosti 10−13 až 10−18.
Dne 25. dubna 2016 odstartovala ruská nosná raketa Sojuz se čtyřmi sondami na palubě horního stupně Fregat-M. Jednou z nich byla sonda MICROSCOPE, jejímž cílem je ověření platnosti principu ekvivalence s dosud nejvyšší přesností. V závěru videonahrávky je dobře patrné odhození bočních pomocných raket (tzv. boosterů). Zdroj: ESA/CNES. (mp4 22 MB)
|
CNES – Centre National d’Etudes Spatiales, národní francouzská vesmírná agentura, která má za cíl formovat francouzskou vesmírnou politiku. Založena byla v roce 1961. Zaměstnává 2 400 zaměstnanců z toho je 1 800 inženýrů a vedoucích pracovníků (35 % z tohoto počtu jsou ženy). ONERA – Office National d'Etudes et de Recherches Aérospatiales, francouzské výzkumné středisko pro lety do atmosféry a vesmíru. Středisko bylo v roce 1946 přebudováno z institutu, v němž se původně vyvíjely vojenské balóny. V současnosti je v ONERA největší aerodynamický tunel v Evropě a vyvíjejí se zde komponenty pro vesmírné lety. ONERA je na osmi místech a má 2 000 zaměstnanců, z toho 1 500 vědců. Obecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svou přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. Princip ekvivalence – gravitační zrychlení těles nezávisí na jejich chemickém složení, gravitační a setrvačná hmotnost těles je vzájemně úměrná, ve vhodné soustavě jednotek shodná. Tento princip se někdy nazývá slabý princip ekvivalence (WEP – Weak Equivalence Principle). Podle silného principu ekvivalence by měly platit i předpoklady speciální relativity, tj. princip konstantní rychlosti světla a neodlišitelnost inerciálních soustav pro mechanické i elektromagnetické děje. Silný princip ekvivalence má za důsledek to, že by gravitační účinky měla mít i hmotnost odpovídající energii elektromagnetického pole. Důsledkem principu ekvivalence je nerozlišitelnost mezi setrvačnými a gravitačními jevy. |
Princip ekvivalence
Hmotná tělesa mají setrvačnost, která brání ve změně jejich pohybového stavu. Mírou těchto setrvačných vlastností je setrvačná hmotnost. Tělesa mají také schopnost vzájemného gravitačního přitahování, mírou této schopnosti je gravitační hmotnost. Pokud by byly setrvačné a gravitační účinky vzájemně úměrné, postačilo by zvolit jediný etalon hmotnosti a obě hmotnosti by si byly rovny. V takovém případě se v Newtonově gravitačním zákonu setrvačná hmotnost zkrátí s gravitační hmotností (například pro volný pád platí ms d2y/dt2 = mg g) a všechna tělesa se budou pohybovat se stejným zrychlením, tedy po stejných trajektoriích, což se skutečně pozoruje. Princip ekvivalence byl poprvé ověřen v experimentech, které prováděl maďarský fyzik, baron Loránd Eötvös, od roku 1885. Nejpreciznější experimenty uskutečnil v letech 1906 až 1909. Dvě tělesa umístnil na konce vodorovného ramene. Celé rameno pak viselo na torzním vlákně. Na tělesa působila jak gravitační síla Země (ta reaguje na gravitační hmotnost), tak odstředivá síla způsobená rotací Země (ta reaguje na setrvačnou hmotnost). Pokud by obě hmotnosti nebyly stejné (nebo alespoň sobě úměrné), na zavěšená tělesa by působil kroutivý moment, který by pootočil závěsem. V experimentech Eötvös spolu s dalšími kolegy prokázal rovnost gravitační a setrvačné hmotnosti s relativní přesností 10-9. Experimenty byly v různých obměnách (například působení Slunce na dvojici těles Země-Měsíc) mnohokrát zopakovány a dosud bylo dosaženo nejvyšší relativní přesnosti 10−13. Připomeňme, že v těchto experimentech se měří tzv. slabý princip ekvivalence (tedy pouhá ekvivalence setrvačné a gravitační hmotnosti bez dalších přidaných principů).
Na principu ekvivalence je založena obecná relativitaObecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svou přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách.. Pokud všechna tělesa reagují na gravitaci stejně, lze ji popsat jako zakřivení času a prostoru. Pokud by princip ekvivalence neplatil, obecná relativita by se stala pouhou limitou nějaké nadřazenější teorie. A právě různé pokusy o spojení obecné relativity s kvantovou teorií (například teorie strunStruny – jednodimenzionální útvary ve vícerozměrném světě (uzavřené nebo otevřené), jejichž vibrační stavy odpovídají jednotlivým elementárním částicím. Jde o podstatný prvek tzv. strunových teorií, které se pokoušejí spojit svět kvantové teorie se zakřiveným prostoročasem obecné relativity.) vedou na narušení principu ekvivalence v oblasti relativní změny 10−13 až 10−15. Tato relativní změna může být pro dvě tělesa různého složení a stejné gravitační hmotnosti vyjádřena jako podíl případného rozdílu zrychlení těchto těles ku průměrné hodnotě zrychlení:
η = (a2 − a1)/[(a2+a1)/2]
Pokud platí slabý princip ekvivalence, musí být parametr η nulový. Jakákoli nenulová hodnota znamená narušení principu ekvivalence a neplatnost obecné relativity v některých situacích. Oprávněně se spekuluje například o tom, že nepatrné narušení principu ekvivalence by mohlo být na velkých škálách zodpovědné za zrychlenou expanzi vesmíru a problém temné energieTemná energie – entita zodpovědná za zrychlenou expanzi vesmíru, která byla objevena na konci roku 1998 (Saul Perlmutter, Adam Riess). Temná energie tvoří 68 % hmoty a energie ve vesmíru. Hustota temné energie je velmi málo proměnná v čase i v prostoru, pokud vůbec. Nejnadějnějším kandidátem na temnou energii je energie vakuových fluktuací. by ve skutečnosti nemusel vůbec existovat. Znamenal by pouze naši neznalost chování gravitace na velkých vzdálenostech. Proto je ověřování principu ekvivalence s relativní přesností pod hranicí 10−13 zcela klíčové. Při platnosti principu ekvivalence v oblasti parametru η∈(10−15,10−13) můžeme vyloučit některé způsoby sjednocení obecné relativity s kvantovou teorií a při jeho neplatnosti možná elegantně vyřešit problém temné energie. V tuto chvíli je jediným experimentem, který zasahuje do dané oblasti experiment MICROSCOPE.
Umělecká vize sondy MICROSCOPE. Zdroj: CNES/D. Ducros.
MICROSCOPE
Srdcem sondy je jednotka T-SAGE (Twin Space Accelerometer for Gravitation Experiment) se dvěma diferenciálními akcelerometry. Jeden z akcelerometrů (měřicí) je určen pro skutečná měření, druhý je referenční. Každý z akcelerometrů je tvořen dvěma soustřednými válečky se společným těžištěm, takže by na oba válečky mělo působit stejné gravitační zrychlení. Přesnost centrování válečků je cca 30 až 40 mikrometrů. Akcelerometr určený pro testování principu ekvivalence má dva duté válečky z různých materiálů. Vnitřní je ze slitiny platiny a rhodia (90 % platiny, 10 % rhodia), vnější ze slitiny titanu, hliníku a vanadu (90 % titanu, 6 % hliníku a 4 % vanadu). Vnější váleček je pozlacen, aby měl dobrý elektrický kontakt se zlatým drátkem o průměru pouhých 7 mikrometrů. Ten udržuje na vnějším válečku správný potenciál. Válečky jsou drženy v soustředné poloze elektrickým polem, velikost potřebného napětí je úměrná velikosti narušení principu ekvivalence. Druhý z akcelerometrů, referenční, je identický, až na to, že oba válečky jsou tentokrát ze stejného materiálu (slitiny platiny a rhodia).
Měřicí akcelerometr jednotky T-SAGE. Vnitřní váleček je ze slitiny platiny a rhodia, vnější ze slitiny titanu, hliníku a vanadu. Červená šipka ukazuje směr působícího gravitačního zrychlení, čerchovaná čára je směr testování principu ekvivalence (osa akcelerometru). Soustřednost obou válečků je dorovnávána elektrickým polem, z jehož velikosti lze zjistit rozdíl zrychlení působících na oba válečky. Experiment je možné provozovat i v režimu otáčení sondy, což by případný rozdíl mezi zrychlením vnitřního a vnějšího válečku ještě zvýšilo. Zdroj: CNES.
T-SAGE – spojená dvojice akcelerometrů, jeden je měřicí a
druhý referenční.
Přístroj vyvinuli v laboratořích ONERA. Zdroj: CNES.
Dvojice akcelerometrů je v sondě namontována na její straně odvrácené od Slunce, kde je tepelně příznivější prostředí. Navíc je sonda na heliosynchronní drázeHeliosynchronní dráha – geocentrická dráha, která kombinuje výšku a sklon takovým způsobem, že satelit prochází nad určeným místem povrchu Země vždy ve stejném slunečním čase. Na této oběžné dráze může být satelit neustále osvícen Sluncem., takže jsou tepelné podmínky stálé. Šestnáct mikrotrysek udržuje sondu na geodetice a vyrovnává působení zbytků atmosféry, tlak slunečního záření a elektromagnetický vliv zemské magnetosféry. První testy přístrojů byly mimořádně úspěšné a ukázaly, že je přistroj T-SAGE schopen detekovat vzájemnou změnu polohy obou částí akcelerometru v řádu několika mikrometrů. Taková citlivost umožní dokonce sledovat změnu tlaku slunečního záření v průběhu částečného zatmění Měsíce. Řídicí systém je schopen udržet objekty v potřebné poloze s přesností rozměru vodíkového atomu, tj. miliontiny průměru lidského vlasu. V červnu 2017 proběhnou další testy funkčnosti zařízení. Finální výsledky budou oznámeny nejpozději v dubnu 2018. Jde o zcela unikátní projekt, který nám může napomoci zodpovědět otázku, zda obecná relativita postihuje správně chování gravitační interakce i v těch nejjemnějších detailech, či zda se na velkých škálách mohou předpovědi obecné relativity od skutečnosti odchylovat.
| Sonda MICROSCOPE | |
|---|---|
| start | 25. dubna 2016 |
| hmotnost | 330 kg |
| rozměry (rozvinuté panely) | 138×2470×155 cm |
| přepravní rozměry | 138×104×158 cm |
| výkon | 140 W |
| oběžná dráha | 712÷714 km |
| oběžná doba | 99 minut |
| plánovaná životnost | 2 roky |
Odkazy
- Domovská stránka mise MICROSCOPE na CNES
- CNES Press Release: Microscope satellite First results looking very promising; 7 Dec 2016
- Joel Berg et al.: Status of MICROSCOPE, a mission to test the Equivalence Principle in space; arXiv:1501.01644v1; 7 Jan 2015
- Manuel Rodrigues et al.: Microscope a micro-satellite for a major corner stone in Fundamental physics, from qualification to launch; The 4S Symposium 2016
- EO News: MicroSCOPE
- Space Flight 101: MicroSCOPE
- Wikipedia: MICROSCOPE
