Super dokładne zegary na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej i innych satelitach pozwolą sprawdzić poprawność szczególnej teorii względności Alberta Einsteina.

Teoria ta została stworzona w 1905 roku i głosi, że dla obserwatora poruszającego się z dowolną ale stałą prędkością w dowolnym kierunku, wszystkie prawa fizyki są zawsze takie same. Taka sama jest również prędkość światła w jego układzie odniesienia. Na przykład: jeśli upuścisz na ulicy monetę, spadnie ona pionowo w dół. Jeśli to samo uczynisz w pędzącym z dużą (ale stałą) prędkością pociągu, wynik będzie identyczny – moneta znajdzie się koło Twoich stóp.

Najnowsze teorie, próbujące łączyć fizykę cząstek elementarnych i grawitację, sugerują, że wspomniana względność nie musi być zawsze prawdziwa. W przestrzeni i czasie mogą zdarzać się zmiany, które nie mogą być zmierzone na Ziemi.

„Na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) znajdą się super dokładne zegary, gdyż jest ona doskonałym miejscem do sprawdzenia teorii” – powiedział dr Alan Kostelecky, profesor fizyki z Indiana University w Bloomington. „Przez porównanie bardzo dokładnych zegarów pracujących w stanie nieważkości, możliwe będzie dostrzeżenie ewentualnych bardzo niewielkich zmian w szybkości ich cykania, gdy statki kosmiczne wraz z zegarami krążyć będą wokół Ziemi„. Naruszyłoby to teorię względności, gdyż szybkości marszu zegarów znajdujących się w identycznych polach grawitacyjnych powinny być takie same.

„Odkrycie takich różnic spowodowałoby przewrót w społeczności naukowej i zrewolucjonizowałoby nasze myślenie o podstawach struktury czasoprzestrzeni. Miałoby to również wpływ na naszą wiedzę o powstaniu i sposobie działania Wszechświata„.

Pomiary przeprowadzane w Kosmosie mają wiele przewag nad tymi, które mogłyby być przeprowadzone na Ziemi. Oś obrotu i prędkość wirowania naszej planety są stałe, podczas gdy okres obiegu i płaszczyzna w jakiej krążą satelity mogą być różne. Poza tym w Kosmosie możliwe jest uzyskanie większych prędkości, a co za tym idzie – większych dokładności.

Kostelecky i jego współpracownicy: Robert Bluhm z Colby College w Waterville, Charles Lane z Berry College w Mount Berry oraz Neil Russell z Northern Michigan University w Marquette zaproponowali użycie różnych typów zegarów. Jeden z nich będzie używał masera, dalekiego kuzyna lasera (w przeciwieństwie do tego ostatniego, maser emituje nie światło, lecz promieniowanie mikrofalowe).

Inne zegary zostaną umieszczone na ISS. Będą to: zegar atomowy (Primary Atomic Reference Clock in Space), rubidowy zegar atomowy (Rubidium Atomic Clock Experiment) i nadprzewodzący oscylator mikrofalowy (Superconducting Microwave Oscillator). Wszystkie trzy są częścią programu NASA nazwanego Fundamental Physics Program (Program Podstaw Fizyki). Dodatkowy zegar zostanie umieszczony na Stacji przez Europejską Agencję Kosmiczną.

Kostelecky uważa, że eksperyment z zegarami może przynieść wiele intrygujących wyników. Może dostarczyć dowodów przemawiających za teorią strun. Uczeni uważają, że najmniejszymi obiektami we Wszechświecie są cząstki elementarne. Obrońcy teorii strun sądzą, że najmniejsze cegiełki materii mają postać rozciągniętych nici (strun). W niektórych odmianach ich teorii, pusta przestrzeń ma wyróżniony kierunek. Powinno to spowodować, że zegary w Kosmosie powinny chodzić w różnych tempach w zależności od swojej orientacji.

Oprócz eksperymentów na ISS, planowane są inne misje kosmiczne, których celem będzie testowanie teorii względności. W ramach misji SpaceTime, sonda wyniosłaby trzy zegary poza orbitę Jowisza, a następnie wraz z nimi rozpoczęła spadanie w kierunku Słońca. Duża prędkość jaką by osiągnęła byłaby bardzo dokładnym testem.

Praca Kostelecky’ego i jego współpracowników ukazała się 4 marca w Physical Review Letters. Jest dostępna pod w sieci pod adresem http://prola.aps.org (tom 88, artykuł 090801 z roku 2002).

Kostelecky prowadzi badania w ramach Programu Podstaw Fizyki w NASA, w oddziale zajmującym się mikrograwitacją.