Spaţiu timpAici este un experiment simplu pe care aproape oricine îl poate face într-o noapte senină: faceţi o piruetă în timp ce vă uitaţi la stele. Veţi observa două lucruri: primul, că stelele par să se rotească pe cer şi al doilea, că braţele tale sunt trase în sus de forţa centrifugă.

 

 

 

GP-B. Semnificaţia astrofizică (16)

Sunt aceste fenomene legate unul de altul în vreun mod fizic? Nu, conform lui Newton. Pentru el forţa centrifugă este o consecinţă a accelerării (adică a rotirii) în raport cu spaţiul absolut; ea nu are nici o origine fizică (şi din acest motiv este adesea numită „forţă fictivă”, în fizica din clasele elementare). Mai mult, este o coincidenţă faptul că stelele de deasupra noastră sunt în repaus în raport cu acelaşi spaţiu absolut. De fapt, ne uităm în sus din două sisteme de referinţă fundamental diferite: unul definit de sistemul nostru local, care simte inerţia şi altul de sistemul de referinţă propriu al Universului. De ce ar trebui ca aceste două sisteme de referinţă să coincidă? Newton nu a încercat să răspundă la această întrebare.

Noi ştim despre conceptul de spaţiu (timp) absolut că este păstrat în relativitatea generală, aşa încât ne-am fi aşteptat la faptul că aceeaşi aliniere întâmplătoare a sistemului nostru de referinţă inerţial cu acela al distribuţiei globale a materiei va duce la teoria lui Einstein, la fel de bine. Surprinzător, cu toate acestea ea nu duce. Dacă relativitatea generală este corectă, atunci există indicii puternice că „busola noastră de inerţie" locală  nu are nici o şansă să fie aliniată cu restul Universului - cele două sunt legate prin efectul de tragere/distorsionare a sistemului de referinţă local „frame-dragging effect”. Aceste indicaţii nu provin de la experimente, ci din calcule teoretice similare cu cele efectuate de Lense şi Thirring. Calculele arată că distorsionarea relativistă a sistemului de referinţă local depăşeşte „distorsionarea perfectă”, atunci când dimensiunile masei mari (mărimea şi densitatea sa) devin cosmologice. În această limită, distribuţia materiei în Univers pare a fi suficientă pentru a defini sistemul de referinţă inerţial al observatorilor din cadrul acestuia. Pentru o explicaţie clară şi deosebit de simplă, cum şi de ce se întâmplă acest lucru, a se vedea „Unitatea Universului” (1959) de Dennis Sciama. Dacă Mach ar fi trăit cu zece ani mai mult, el ar fi putut prezice existenţa universului extragalactic pe baza observaţiilor că stelele din Calea Lactee se rotesc în jurul unui centru comun!

 

Foto: Traseele stelelor noaptea

 

Video: Kip Thorne expune semnificaţia experimentului GP-B pentru astrofizică şi cosmologie



Pentru a pune în termeni concreţi semnificaţia cosmologică a efectului de distorsionare prin răsucire/tragere a sistemului de referinţă inerţial local, imaginaţi-vă că Pământul ar sta şi restul Universului s-ar învârti în jurul lui: s-ar umfla în continuare ecuatorul său? Newton ar fi spus "Nu". Conform manualelor de fizică standard, umflarea ecuatorului se datorează mişcării de rotaţie a Pământului, în raport cu spaţiul absolut. Însă pe baza rezultatelor lui Lense şi Thirring, Einstein ar fi trebuit să răspundă "Da"! În acest sens, relativitatea generală este într-adevăr mult mai relativistă decât predecesoarele sale: nu contează dacă alegem să privim Pământul ca rotindu-se şi cerul fix sau invers: cele două situaţii sunt acum dinamice, precum şi cinematic echivalente. Calcule iniţiale erau viciate în mai multe feluri, dar fenomenul de tragere/distorsionare perfectă a persistat în cele mai multe din calculele ulterioare, tratări mult mai sofisticate, notabile fiind cele ale lui Helmut Hönl şi Heinz Dehnen (1962, 1964), Dieter Brill şi Jeffrey Cohen (1966), Herbert Pfister şi Karlheinz Braun (1986). Pfister rezumă astfel gândirea curentă în „Principiile lui Mach: De la găleata lui Newton la gravitaţia cuantică” (1995): „Deşi teoria gravităţii a lui Einstein nu este, în ciuda denumirii sale, „relativitate generală”, îndeplinind totuşi postulatul lui Mach referitor la descrierea naturii doar cu concepte relative, ea furnizează chiar cu succes o legătură intimă între proprietăţile inerţiale şi materie, cel puţin într-o clasă de modele nu foarte nerealiste pentru univers. Poate că contrar majorităţii aşteptărilor, această legătură este instantanee în natură. Mai mult, relativitatea generală ne-a adus mai aproape de înţelegerea unei realităţi observaţionale şi anume că busola locală inerţială este fixată în raport cu obiectele cosmice cele mai îndepărtate, dar nu există, cu siguranţă, dorinţa de înţelegere şi mai adâncă”.

Astfel, detectarea directă a efectului de tragere/distorsionare a sistemului de referinţă local „frame-dragging”, de către misiunea Sonda Gravitaţională B, capătă o nouă semnificație: ea va arunca o lumină experimentală asupra a ceea ce a fost până acum un mister teoretic, şi anume asupra originii inerţiei. Pentru unii, aceasta este, probabil manifestarea cea mai frumoasă şi mai profundă a spinului în spaţiu-timpul lui Einstein: ea ne leagă pe noi, cei de aici, deU niversul de acolo, din afară, în aşa fel încât tu, stând noaptea sub stele pe o planetă cunoscută sub numele de Pământ, nu te poţi răsuci oricât de mult, fără să simţi o tragere de la restul universului.

 

 

Foto: S-ar umfla Pământul în continuare dacă el ar sta şi universul s-ar roti în jurul său?

Sfârşit

Traducere de Mircea Ştefan Moldovan după Spacetime & Spin, cu acordul autorului.