U utorak, 20. aprila, iz baze američke avijacije Vanderburg u Kaliforniji lansiran je satelit "Gravity Probe B" - zajednički eksperiment NASA i Stenfordskog univerziteta pripreman više od 40 godina i vredan oko 700 miliona dolara, koji treba da potvrdi ili opovrgne predviđanja Ajnštajnove opšte teorije relativnosti

Satelit težak 3 tone prošao je bez problema kroz najriskantniji deo misije - lansiranje na raketi Delta II. Lansiranje je prvobitno bilo zakazano za ponedeljak, ali je odloženo zbog bojazni od jakih visinskih vetrova. Oko 70 minuta nakon lansiranja, razvile su se sunčane ploče i satelit se odvojio od drugog stepena rakete nosača. Satelit se zatim uz pomoć potisnih motora postavio na kružnu, polarnu orbitu 640 kilometara iznad površine Zemlje. Narednih 44 dana biće utrošeno na proveru orbite, kalibraciju i podešavanje naučne opreme satelita. Ako sve prođe kako treba, satelit će kružiti na definisanoj orbiti narednih 16 meseci izvodeći jedan od najinteresantnijih naučnih eksperimenata današnjice.

Ajnštajn nakon devet decenija

Ajnštajnova opšta teorija relativnosti dovela je u vezu prostor, vreme i gravitaciju i omogućila razumevanje takvih fenomena kao što su crne rupe i šireći univerzum, te se bez sumnje radi o jednoj od najbriljantnijih kreacija ljudskog uma. Međutim, čak do danas, gotovo devedeset godina od objavljivanja, neke od osnovnih postavki teorije ostale su eksperimentalno neproverene. Provere su neophodne, jer opšta relativnost ne samo da se teško može uklopiti u ostatak fizike, već i u sopstvenoj strukturi krije mnoge slabosti. Sam Ajnštajn je bio nezadovoljan teorijom i potrošio je mnogo vremena u pokušaju da je proširi i uskladi bar sa jednom drugom granom fizike, elektromagnetizmom.

Moderni fizičari koji teže široj unifikaciji sreću se sa još gorim komplikacijama. Ali, da krenemo od početka. Posebna teorija relativnosti, koja je prethodila opštoj, povezala je prostor i vreme, međutim, bila je nesaglasna sa Njutnovom teorijom gravitacije koja je tvrdila da se tela međusobno privlače silom koja zavisi od razdaljine među njima. Ajnštajn je preduzeo više bezuspešnih pokušaja između 1908. i 1914. da dođe do teorije gravitacije koja bi bila saglasna sa teorijom relativnosti. Konačno, 1915, postavio je teoriju koju mi danas nazivamo opšta teorija relativnosti. Ajnštajn je došao na revolucionarnu zamisao da gravitacija nije sila kao druge sile, već posledica činjenice da prostorvreme nije ravno, protivno prethodnom opštem ubeđenju: ono je zakrivljeno, ili 'savijeno', pod uticajem rasporeda mase i energije u njemu.

Tela poput Zemlje nisu bila sazdana da se kreću zakrivljenim orbitama pod dejstvom sile teže; umesto toga, ona se kreću gotovo pravom putanjom u zakrivljenom prostoru, a ta trajektorija naziva se geodezijska linija. Geodezijska linija je najkraća (ili najduža) putanja između dve obližnje tačke. U opštoj relativnosti, tela se uvek kreću pravolinijski u četvorodimenzionalnom prostorvremenu, ali nam svejedno izgleda da idu zakrivljenim putanjama u našem trodimenzionalnom prostoru. Ovo nalikuje na posmatranje aviona koji preleće preko brdovitog predela. Iako on leti pravolinijski u trodimenzionalnom prostoru, njegova senka klizi zakrivljenom putanjom po dvodimenzionalnom tlu.

Masa Sunca zakrivljuje prostorvreme na takav način da, iako se Zemlja kreće pravolinijski u četvorodimenzionalnom prostorvremenu, nama izgleda da ona putuje kružnom orbitom u trodimenzionalnom prostoru. U stvari, orbite planeta koje predviđa opšta relativnost gotovo su potpuno istovetne sa onima na koje ukazuje Njutnova teorija gravitacije. Međutim, u slučaju Merkura, planete najbliže Suncu i izložene najsnažnijem gravitacionom dejstvu, te stoga i sa prilično izduženom orbitom, opšta relativnost predviđa određena odstupanja od Njutnovih predviđanja.

Iako je ovo sasvim mala vrednost, ona je bila uočena još pre 1915. i poslužila je kao jedna od prvih potvrda Ajnštajnove teorije. Poslednjih godina radarom su izmerena još manja odstupanja orbita drugih planeta od predviđanja proisteklih iz Njutnovog zakona - za ova odstupanja ustanovljeno je da su saglasna sa predviđanjima opšte relativnosti. I svetlosni zraci se moraju držati geodezijske linije u prostorvremenu.

Opšta relativnost predviđa zakrivljavanje svetlosti pod dejstvom gravitacionog polja, što znači da će svetlost sa neke daleke zvezde koja prođe pokraj, recimo, našeg Sunca biti skrenuta za jedan mali ugao, pa će nekom posmatraču na Zemlji izgledati kao da se ta zvezda nalazi na drugom mestu. Razume se, ako bi svetlost sa date zvezde uvek prolazila pokraj Sunca, onda ne bismo bili u stanju da kažemo da li je došlo do skretanja svetlosti ili se zvezda zaista nalazi tamo gde je mi vidimo. Kako, međutim, Zemlja kruži oko Sunca, različite zvezde kao da zalaze iza njega, pri čemu dolazi do skretanja njihove svetlosti. One tako menjaju svoj relativan položaj u odnosu na druge zvezde.

Normalno se ovaj efekat teško može uočiti, zato što svetlost sa Sunca onemogućuje posmatranje zvezda koje se pojavljuju blizu njega na nebu. To je, međutim, ipak moguće učiniti za vreme pomračenja Sunca, kada Mesec zaprečava svetlost sa naše zvezde. Iz opšte relativnosti takođe je proishodilo da vreme treba da teče sporije u blizini nekog masivnog tela kao što je Zemlja. Razlog je u postojanju relacije između energije svetlosti i njene učestalosti (frekvencije): što je veća energija, viša je učestalost. Kako se svetlost kreće nagore kroz Zemljino gravitaciono polje, ona gubi energiju, pa joj se tako i učestalost smanjuje.

Nekome ko se nalazi na velikoj visini izgledalo bi da se sve dole zbiva nekako usporenije. Ovo predviđanje provereno je 1962. pomoću dva veoma precizna časovnika koja su postavljena na vrh i dno jednog vodotornja. Ustanovljeno je da je časovnik na dnu, koji je bio bliži tlu, išao sporije, sasvim u skladu sa opštom relativnošću. Razlika u brzini časovnika na raznim visinama iznad Zemlje danas ima i veliki praktični značaj, s obzirom na razvoj izuzetno preciznih navigacionih sistema koji se temelje na signalima sa satelita.

Ukoliko bi se prenebregla predviđanja koja proishode iz opšte relativnosti, izračunati položaj neke tačke mogao bi da bude pogrešan za više kilometara. Svi ovi dokazi ukazivali su da je Ajnštajn bio na pravom putu. Međutim, neke od ozbiljnih postavki teorije ostale su nepotvrđene. Tako se veoma malo zna o relativističkom fenomenu od ključnog značaja - uvrtanju prostorvremena usled povlačenja od strane masivnih rotirajućih objekata (planeta, zvezda, crnih rupa...).

Preko trnja do zvezda

Dve godine nakon što je Ajnštajn predstavio svoju opštu teoriju relativnosti, austrijski fizičari Jozef Lens i Hans Tiring zaključili su na osnovu nje da se prostorvreme uvrće u blizini masivnog rotirajućeg tela. Krajem pedesetih godina prošlog veka, fizičari Leonard Šif sa Stenfordskog univerziteta i Džordž Pju iz Ministarstva odbrane SAD predložili su nezavisno jedan od drugoga proveru fenomena slanjem izuzetno stabilnog žiroskopa u orbitu iznad jednog od Zemljinih polova.

Žiroskop je rotirajući predmet, najčešće disk, obešen u jednom ili dva rama koji se nalaze u posebnom nosaču (kućištu žiroskopa). Rotacija diska proizvodi inerciju koja osu rotacije diska u odsustvu nekih spoljašnjih smetnji zadržava usmerenu u fiksnom pravcu u prostoru. Po Njutnu, prostor i vreme su apsolutni. Savršeni žiroskop podešen da rotira bez smetnji, sa osom usmerenom ka nekoj zvezdi ostao bi u tom položaju večno.

Međutim, po Ajnštajnovoj teoriji prostorvreme je zakrivljeno i čak se može pokrenuti materijom u pokretu. Ako Zemlja stvarno uvrće prostorvreme, kao što teorija kaže, osa rotacije žiroskopa morala bi da se nakrivi. NASA je pokrenula projekat u saradnji sa Stenfordskim univerzitetom, koji je, međutim, u prvih 30 godina postojanja predstavljao relativno sporedan tehnološko-razvojni zadatak na koji je agencija za sve to vreme potrošila "jedva" 20 miliona dolara. Početkom devedesetih godina prošlog veka, agencija je podigla projekat na status misije i svake naredne godine za njega je izdvajano po 50 miliona dolara.

Realizacija projekta nije tekla baš glatko; tokom cele njegove istorije smenjivale su se prepreke tehničke i administrativne prirode. NASA je otkazivala i ponovo pokretala misiju sedam puta. Poslednjih nekoliko godina predstavljale su naročito problematičan period. Misija je trebala da poleti u decembru 1999. godine, ali je otkazana zbog kvara na žiroskopu. Nakon toga usledila su još četiri odlaganja, samo delimično zbog tehničkih problema. Odlaganja su misiju koštala dodatnih 166 miliona dolara i da bi se održala u životu mnogi drugi projekti su ukinuti. To je izazvalo bes astronoma i gravitacionih naučnika koji su ostali bez finansija. Pod budnim okom funkcionera NASA, tim misije "Gravity Probe-B" je ipak uspeo da ispuni sve tehničke i proceduralne zahteve za lansiranje satelita, koji se konačno, pre neki dan, našao na orbiti.

Savršene sfere

Konstruisanje opreme koja može da istrpi lansiranje na raketi i još uvek meri fantastično male promene ose rotacije žiroskopa predstavljalo je izuzetan tehnički i finansijski izazov. Satelit težak nešto preko 3 tone poneo je sa sobom 4 žiroskopa. Svaki žiroskop predstavlja sferu dimenzija ping-pong loptice, koja lebdi u vakuumu i istovremeno rotira brzinom od 10000 obrtaja u minuti. Usmerenost osa rotacije žiroskopa, odnosno položaj satelita u prostoru podešava se pomoću osetljivih pogonskih motora i teleskopa upravljenog na 'zvezdu vodilju'.

Ako su Ajnštajnove jednačine ispravne, ose žiroskopa će se vremenom polako naginjati i za godinu dana trebalo bi da otklon iznosi 42 mili-lučne sekunde. Ovo je izuzetno mala vrednost, jer jedna lučna sekunda predstavlja 3600-ti deo stepena. Mili-lučna sekunda je još 1000 puta manja.

Oprema na satelitu sposobna je da registruje otklon sa osetljivošću od pola mili-lučne sekunde. Da bi konstruisali takvu opremu, naučnici su morali da razviju potpuno nove tehnologije i metode za brušenje, poliranje i oblaganje sfera, kao i nove instrumente za merenje prečnika, stepena sferičnosti i površinskih osobina. Za izradu sfera poslužio je kvarc, koji je stabilan materijal, homogen i jednoobrazno se skuplja na hladnoći. Kvarcne sfere su obložene hemijski čistim, mehanički otpornim i električni stabilnim slojem od metala niobijuma. Oblik sfera je u toj meri savršen da od potpune sferičnosti ni u jednom delu površine ne postoje odstupanja veća od sloja debljine 40 atoma. Jedini poznati objekti u univerzumu koji su obliji od ovih sfera su neutronske zvezde. Sfere lebde i rotiraju unutar kvarcnih kućišta.

Lebdenje je postignuto primenom slabog napona na tri para elektroda. Rotaciju sfera pokreće gasoviti helijum koji se proteruje brzinom bliskom brzini zvuka kroz specijalno dizajniran kanal u kućištu i preko sfera. Nakon postizanja tražene brzine rotacije, helijum se isteruje napolje, a sfere nastavljaju da nesmetano rotiraju u vakuumu. Nakon isterivanja helijuma, u kućištu se ostvaruje toliko nizak pritisak da bi žiroskop slobodno mogao da rotira narednih 1000 godina uz gubitak od jedva jednog procenta početne brzine.

Merenje izuzetno malog otklona ose rotacije žiroskopa (bez narušavanja same rotacije) omogućeno je superprovodnim osobinama niobijumske prevlake i jako osetljivim SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) instrumentom.

Tehnološka rešenja misije "Gravity Probe-B" su definitivno sjajna, ali da li su i dovoljna da se potvrde ili opovrgnu Lens - Tiringovi zaključci i Ajnštajnova opšta teorija relativnosti ostaje da se vidi za godinu i više dana, koliko je već potrebno da se obrade podaci prikupljeni sa satelita. Međutim, čovek neminovno mora da se zapita šta ako se projekcija o prostorvremenu koje se uvrće oko rotirajućih tela pokaže ispravnom, šta sa tom spoznajom uraditi? Kakve koristi možemo imati od toga? Ista pitanja postavljana su mnogo puta u 19. veku, kad su Maksvel, Faradej i ostali ispitivali fenomen elektromagnetizma. Danas imamo svetlo u kućama, šporete, vešmašine, televizore, računare, itd.