Celem projektu o nazwie LATOR jest zbadanie w jakim stopniu pole grawitacyjne Słońca zakrzywia bieg światła. Pomiary będą tak precyzyjne, że pozwolą stwierdzić w jakim stopniu są dokładne przewidywania ogólnej teorii względności Einsteina oraz które teorie wnoszące do niej poprawki są słuszne.

Świat podzielony

Istnieją obecnie dwa podstawowe sposoby tłumaczenia zjawisk w przestrzeni i czasie oraz związków, jakie one mają z masą i energią. Są to teoria względności Einsteina oraz mechanika kwantowa. Obie odnoszą wielkie sukcesy w świecie naukowym. Rozwój technologii GPS (Global Positioning System), na przykład, jest możliwy dzięki teorii względności. Z kolei komputery, telekomunikacja oraz internet to oczywiste przykłady tego, jak dużą rolę w naszej cywilizacji odgrywa mechanika kwantowa.

Ale te dwie teorie są jak dwa języki, i nikt jak dotąd nie wie jak przetłumaczyć jeden w drugi. Teoria względności łączy przestrzeń i czas w czterowymiarową, dynamiczną scenę zwaną czasoprzestrzenią, w której opisuje się trajektorie ciał. Czasoprzestrzeń zostaje zakrzywiona przez energie, czyli także przez masy, ponieważ masa to jedna z przejawów energii. W ten sposób, analogicznie do piłki znajdującej się na rozciągniętym kocu, opisuje się pole grawitacyjne obiektów w czasoprzestrzeni.

Mechanika kwantowa z kolei zakłada, że czas i przestrzeń są płaskie i niezmienne. W nich rozgrywa się dramat cząstek, które mogą należeć do kilku rodzin cząstek elementarnych. Cząstki te mają prawo ewoluować do przodu bądź wstecz w czasie (na co nie pozwala teoria względności). Oddziaływania pomiędzy nimi definiują podstawowe siły występujące w przyrodzie – z rażącym wyjątkiem grawitacji.

Obecnie teoretycy pracują zawzięcie żeby stworzyć prawa „teorii wszystkiego”, która, jeśli spełnią się oczekiwania wielu naukowców, w przyszłości połączy wszystkie siły rządzące Wszechświatem w jedną, zunifikowaną teorię.

Powstało wiele idei, które dążą do tego celu. Należą do nich takie pomysły jak 11-wymiarowy Wszechświat, teoria strun (nieskończenie drobne struny są w niej podstawowymi składnikami rzeczywistości) czy nieciągłość czasu i przestrzeni. Tak jak się działo w przeszłości z przewrotami w fizyce, o ich słuszności może w ostateczności zadecydować jedynie eksperyment.

STScI (HST)

Zdjęcie przedstawia masywną gromadę galaktyk Abell 2218. Doskonale widać efekt soczewkowania grawitacyjnego. Obraz galaktyk położonych za gromadą jest powielony i powykrzywiany. Sama gromada Abell znajduje się w odległości około 3 miliardów lat świetlnych od nas, widzimy ją w konstelacji Smoka (Draco). Fotografię wykonał Kosmiczny Teleskop Hubble’a (HST).

Układ Słoneczny naszym nowym laboratorium

Nowy pomysł na doświadczenie, które może sprawdzić przewidywania teorii względności Einsteina bardziej dokładnie niż kiedykolwiek wcześniej został właśnie opracowany przez naukowców w JPL (Jet Propulsion Laboratory) w NASA. Slava Turyshev i jego koledzy wpadli na sposób, w jaki można wykorzystać do tego celu międzynarodową stację kosmiczną ISS oraz dwie mini-sondy orbitujące po przeciwnej stronie Słońca niż Ziemia.

W roku 1919 Sir Arthur Eddington po raz pierwszy zbadał zakrzywienie światła gwiezdnego w pobliżu Słońca podczas zaćmienia i w ten sposób potwierdził słuszność ogólnej teorii względności Einsteina. Słońce zakrzywia bieg światła o tylko 1,75 sekundy kątowej (sekunda kątowa to 1/3600 stopnia), co zaledwie mieściło się w granicach błędu sprzętu Eddingtona.

Podczas projektu LATOR, czyli Laser Astrometric Test Of Relativity, zagięcie to zostanie zmierzone z dokładnością miliard razy większą niż sprzęt Eddingtona oraz 30 tysięcy razy większą niż obecny rekordzista.

Doświadczenie ma przebiegać w następujący sposób: dwie małe sondy (o średnicy około jednego metra) zostaną wystrzelone na orbitę wokół Słońca na odległość porównywalną do Ziemskiej. Orbitując wolniej niż Ziemia, po 17 miesiącach znajdą się po przeciwnej stronie Słońca. Mimo że sondy będzie wtedy dzieliła odległość pięciu milionów kilometrów, widziane z Ziemi będą oddzielone tylko o kąt jednego stopnia.

Razem z Ziemią, dwie sondy utworzą wąski trójkąt z wiązkami laserowymi wzdłuż dwóch ramion. Jedno ramię będzie mijało Słońce w małej odległości. Turyshev planuje zmierzyć kat pomiędzy tymi ramionami za pomocą interferometru znajdującego się na stacji ISS i obliczyć ich zakrzywienie spowodowane obecnością Słońca.

Interferometr złapie dwie wiązki laserowe i łącząc je (poprzez interferencje) porówna i pozwoli obliczyć kąt pomiędzy sondami z olbrzymią dokładnością: 0,01 mikrosekundy kątowej, czyli 10 miliardowych części sekundy kątowej. Taka dokładność jest wystarczająca żeby odkryć odchylenia od teorii względności Einsteina, które wynikają z różnych nowatorskich teorii. Przewiduje się, że odchylenie powinno być rzędu 0,5-35 mikrosekund kątowych.

Oczywiście zgodność z pomiarami LATOR byłaby ogromnym atutem dla którejkolwiek z tych teorii. Z drugiej strony, jeśli nie zostaną stwierdzone żadne odchylenia, grozi im zapomnienie na półkach bibliotecznych.

Ponieważ misja ta wymaga zastosowania tylko istniejących technologii, Turyshev twierdzi, że projekt LATOR byłby gotowy do lotu już w roku 2009 lub 2010.