Θρυλικό πείραμα του Γαλιλαίου θα επαναληφθεί σε τροχιά. Feature: Drop-testing general relativity, Galileo’s way

Luigi Catani, In the presence of the Grand Duke, Galileo Galilei performs the experiment of falling bodies from the Tower of Pisa. 1816, Fresco, Florence. Ο Γαλιλαίος πιθανότατα δεν έριξε ποτέ μπάλες από την κορυφή του Πύργου της Πίζας. About 425 years ago, legend has it, Galileo Galilei climbed the Leaning Tower of Pisa. Before a throng of scholars and students, the savant dropped pairs of balls of different weights and materials—say, wood and lead—to show that regardless of their weight or composition, all objects accelerate at the same rate under gravity’s pull. About a year from now, a satellite will blast into orbit to perform the legendary test more precisely than Galileo could have imagined.

To σωτήριο έτος 1589, λέει ο θρύλος, ο Γαλιλαίος Γαλιλέι ανέβηκε στον Κεκλιμένο Πύργο της Πίζας και άρχισε να πετά μπάλες από διάφορα υλικά, προκειμένου να δείξει ότι όλες πέφτουν ταυτόχρονα στο έδαφος ανεξάρτητα από το βάρος τους.

Αν και το πείραμα πιθανότατα δεν πραγματοποιήθηκε ποτέ, η Γενική Σχετικότητα του Αϊνστάιν δικαίωσε την πρόβλεψη του Γαλιλαίου τον περασμένο αιώνα.

Διάψευση από έναν δορυφόρο;

The MicroSCOPE satellite is scheduled for launch in April 2016. © CNES/DAVID DUCROSS, 2012

Όμως ο Αϊνστάιν και ο Γαλιλαίος θα μπορούσαν να διαψευστούν από έναν δορυφόρο που προγραμματίζεται να εκτοξευτεί του χρόνου.

Ο γαλλικός δορυφόρος MicroSCOPE δεν θα ρίξει σφαίρες από το Διάστημα στη Γη για να διαπιστωθεί αν θα φτάσουν ταυτόχρονα στο έδαφος. Θα περιέχει όμως δύο κυλίνδρους ίσης μάζας αλλά από διαφορετικά υλικά, και θα ελέγξει εάν ένας από τους δύο δέχεται μεγαλύτερη έλξη από το βαρυτικό πεδίο της Γης.

Μια τέτοια διαφορά, εξηγεί ο δικτυακός τόπος του περιοδικού Science, θα διέψευδε μια βασική παραδοχή της Γενικής Σχετικότητας που ονομάζεται «αρχή της ισοδυναμίας» και παντρεύει δύο ελαφρώς διαφορετικές έννοιες της μάζας.

Οι δύο κύλινδροι-«κλειδιά»

To tell whether inertial and gravitational mass are the same, scientists can check whether objects made of different materials fall at different rates, orbit at different distances above Earth, or cause a twist in a torsional oscillator. The twist would come about if the net force produced by gravity’s pull toward the center of Earth and the centrifugal force produced by Earth’s rotation pointed in a different direction for each weight. G. GRULLÓN/SCIENCE

Ο δορυφόρος MicroSCOPE υπόσχεται τώρα να επιβεβαιώσει ή να διαψεύσει τον Αϊνστάιν με ακρίβεια ενός μέρους στο τετράκις εκατομμύριο. Μέσα στο σκάφος θα αιωρούνται δύο κύλινδροι διαφορετικού μεγέθους αλλά ίδιας μάζας, ο ένας από τιτάνιο και ο άλλος από ένα κράμα πλατίνας-ροδίου.

Αν η αρχή της ισοδυναμίας ευσταθεί, τα δύο σώματα θα κινούνται ακριβώς στην ίδια τροχιά και θα παραμένουν ευθυγραμμισμένα. Αν όχι, ένας από τους δύο κυλίνδρους θα κινηθεί ανεπαίσθητα πιο κοντά στη Γη σε σχέση με τον δεύτερο.

Mark Kasevich of Stanford University plans to recreate Galileo’s famous tower experiment with atoms. © DEANNE FITZMAURICE

Το τροχιακό πείραμα, κόστους 200 εκατομμυρίων δολαρίων, χρηματοδοτήθηκε κυρίως από το Γαλλικό Εθνικό Κέντρο Διαστημικών Ερευνών. Το ποσό θεωρείται μάλλον μικρό για μια τέτοια φιλόδοξη αποστολή, η οποία θα επιχειρήσει να διαψεύσει τη Γενική Σχετικότητα.

Αν το καταφέρει, ένα νέο παράθυρο θα ανοίξει για την πολυπόθητη συμφιλίωση του Αϊνστάιν με το μικρόκοσμο της κβαντομηχανικής. Και η εικόνα μας για τη βαρύτητα και το Σύμπαν θα αλλάξει.

Το πείραμα του Γαλιλαίου που μάλλον δεν συνέβη ποτέ

Για την ιστορία, το πείραμα πτώσης του Γαλιλαίου πιθανότατα δεν συνέβη ποτέ. Η πρώτη αναφορά στη θρυλική επίδειξη ήρθε μετά τον θάνατο του Γαλιλαίου από τον βοηθό του Βιντσένζο Βιβιάνι, σύμφωνα με τον οποίο ο δάσκαλός του ήθελε να διαψεύσει την άποψη του Αριστοτέλη ότι τα βαριά αντικείμενα πέφτουν ταχύτερα από τα ελαφρά.

Ο Γαλιλαίος είχε περιγράψει παρόμοια πειράματα το 1683. Πιθανότατα, όμως, οι μόνες δοκιμές που πραγματοποίησε για το θέμα είχαν να κάνουν με σφαίρες που κατρακυλούσαν σε ράμπες.

Jens Gundlach (left), Eric Adelberger (with torsion balance), and Blayne Heckel of the field-leading Eöt-Wash group. © NATALIE FOBES

Το πείραμα του MicroSCOPE θα είναι εκατομμύρια φορές πιο ακριβές.