Testowanie równania Einsteina E = mc2

Andriej Lebed fizyk z Uniwersytetu Arizony poruszył społeczność swoich kolegów po fachu intrygującą ideą, aby stwierdzić eksperymentalnie czy najbardziej charakterystyczne równanie na świecie Alberta Einsteina:  E = mc2 jest prawidłowe lub – nie, w zależności od tego, gdzie znajdujemy się w przestrzeni.

Wraz z pierwszymi wybuchami bomb atomowych świat przekonał się, że energia i masa, zasadniczo rzecz biorąc, są tym samym i mogą w rzeczywistości być przekształcane na siebie.

Chociaż fizycy od potwierdzili równanie Einsteina w niezliczonych eksperymentach i obliczeniach, a wiele technologii, w tym telefony komórkowe i nawigacja GPS zależy od tego równania, profesor Andrei Lebed zasugerował, że E = mc2 może nie być spełnione w niektórych okolicznościach.

Klucz do argumentacji Lebeda leży w samej koncepcji masy. Według ogólnie przyjętego założenia, nie ma różnicy między masą poruszającego się obiektu, który może być definiowana w kategoriach bezwładności i masą nadawaną temu obiektowi przez pole grawitacyjne. Innymi słowy masa występująca w równaniach dynamiki np. II zasadzie dynamiki Newtona czyli masa bezwładna, jest równa masie występującej w równaniach pola grawitacyjnego, zwanej masą grawitacyjną. Jest to zastanawiające o tyle, że masy te są nieco innymi pojęciami.

Ta zasada równoważności między masami bezwładnymi i grawitacyjnymi, wprowadzona została w fizyce klasycznej przez Galileusza a we współczesnej fizyce przez Alberta Einsteina i została potwierdzona z bardzo wysokim poziomem dokładności. Obliczenia Lebeda pokazują jednak, że z pewnym prawdopodobieństwem, istnieje jest bardzo mała, ale realna szansa ba to, że równanie Ensteina nie będzie spełnione dla masy grawitacyjnej.

Jeśli mierzy się masę obiektów kwantowych, takich jak atom wodoru, wyniki będą takie same w większości przypadków, ale niewielka część tych pomiarów może dać inny odczyt, naruszając zależność E = mc . Jest to zaskakujące dla fizyków, ale zjawisko może to być wyjaśnione, jeśli przyjąć, że masa grawitacyjna nie jest taka sama jak masa bezwładnościowa, co stanowi obecnie paradygmat fizyki.

„Większość fizyków nie zgadza się z tym, ponieważ wierzą, że masa grawitacyjna dokładnie równa się masie bezwładnej” powiedział Lebed. „Ale chodzi mi o to, że masa grawitacyjna może nie być równa masie bezwładnej z powodu pewnych efektów kwantowych w ogólnej teorii względności Einsteina, czyli teorii grawitacji. Zgodnie z moją najlepszą wiedzą, nikt nigdy nie zasugerował tego wcześniej.”

Lebed przedstawił swoje obliczenia i ich konsekwencje na Spotkaniu Marcela Grossmanna latem zeszłego roku w Sztokholmie , gdzie społeczność naukowcó powitała go wyrażając w równym stopniu sceptycyzm i ciekawość. Spotkanie odbywa się co trzy lata i uczestniczy około 1000 naukowców z całego świata, konferencja koncentruje się na ogólnej teorii względności, astrofizyce i relatywistycznej teorii pola. Wyniki Lebeda zostaną opublikowane w materiałach konferencyjnych w lutym.

W międzyczasie Lebed zaprosił swoich kolegów, aby ocenili jego obliczeń i zaproponował eksperyment, aby sprawdzić swoje wnioski.

„Najważniejszym problemem w fizyce jest teoria wielkiej unifikacji- teoria, która ​​może opisać wszystkie siły obserwowane w przyrodzie”, powiedział Lebiedź. „Głównym problemem w stworzeniu takiej teorii jest połączenie relatywistycznej mechaniki kwantowej i grawitacji. To właśnie staram się zrobić”, dodał profesor.

Kluczem do zrozumienia rozumowania Lebeda jest grawitacja. Przynajmniej na papierze, pokazał, że E = mc2 zawsze działa dla masy bezwładnej masę, nie zawsze jednak robi to dla masy grawitacyjnej. „Co to zapewne oznacza, że ​​masa grawitacyjna nie jest taka sama, jak inercyjna,” powiedział.

Według Einsteina grawitacja jest wynikiem krzywizny w samej przestrzeni. Pomyśl o elastycznej tkaninie, na której położono kilka obiektów, powiedzmy: piłki do ping ponga, baseballu i ciężką żelazna kulę. Piłki do ping ponga czynią żadnych widocznych zagłębień w tkaninie, piłka baseballowa będzie tworzyła  bardzo małe wgłębienie i żelazna kula niemalże zatonie w tkaninie. Gwiazdy i planety robią to samo. Im większa masa obiektu, tym większe wgłębienie tworzy w tkaninie przestrzeni.

W tym modelu koncepcyjnym grawitacji, to łatwo zobaczyć, jak mały przedmiot, podczas wędrówki w przestrzeni, wpada we wgłębienie wokół planety i zostaje uwięziony w jej polu grawitacyjnym.

Według fizyka z Uniwersytetu w Arizonie to własnie krzywizna czasoprzestrzeni sprawia, że ​​masa grawitacyjna różni się od masy bezwładnościowej.

Lebed zaproponował test jego hipotezy poprzez pomiar ciężaru najprostszego obiektu kwantowego czyli atomu wodoru, który składa się tylko z protonu i pojedynczego elektronu na orbicie jądra. Ponieważ profesor oczekuje, że efekt będzie bardzo mały, potrzebne będzie dużo atomów wodoru.

Oto pomysł:

Od czasu do czasu elektron krążący wokół jądra atomu przeskakuje na wyższy poziom energetyczny, co z grubsza może być traktowane jako jako przeskok na wyższą orbitę. Po upływie krótkiego czasie elektron spada z powrotem na poprzednią orbitę – do poprzedniego poziomu energii. Według równania E = mc2, masa atomu wodoru może ulec zmianie wraz ze zmianą poziomu energetycznego.

Jak na razie dobrze. Ale co by się stało, gdybyśmy przenieśli atom daleko od Ziemi, gdzie przestrzeń nie jest już zakrzywiona, ale płaska?

Zgadliście: Elektron nie czułby krzywizny grawitacji, nie byłoby więc żadnej siły, która by go zmusiła do przeskoku.Elektron nie mógłby przejść do wyższych poziomów energetycznych i w płaskiej przestrzeni jego ruch byłoby ograniczony do swojego pierwotnego poziomu energetycznego. Nie ma przeskakiwania w płaskiej przestrzeni!

Ale gdy znowu przeniesiemy atom w pobliże Ziemi, to ze względu na krzywiznę przestrzeni, będzie istniało prawdopodobieństwo, że elektron przeskoczy z pierwszego poziomu do drugiego. Teraz masa atomu będzie inna!

„Ludzie zrobili obliczenia poziomów energetycznych tu na Ziemi, ale to nic nie daje, ponieważ krzywizna pozostaje taka sama, więc nie ma zaburzeń” powiedział Lebed. „Zamiast bezpośredniego pomiaru mas, chcemy wykrywać przeskoki obserwując emitowane przy tej okazji fotony światła – w istocie,” wyjaśnił.

Lebed zaproponował następujący eksperyment, aby sprawdzić swoją hipotezę: wysłać w kosmos małą sondę ze zbiornikiem wodoru i czułym fotodetektorem. W przestrzeni kosmicznej, związek między masą i energią jest taki sam dla atomu, ale tylko dlatego, że płaska przestrzeń nie pozwala elektronom zmienić poziomu energetycznego. Kiedy jesteśmy blisko Ziemi, krzywizna przestrzeni zakłóca atom, i istnieje prawdopodobieństwo przeskoku elektron a tym samym – emisji  fotonu, który zostanie zarejestrowany przez detektor. Związek pomiędzy masą i energia przestaje więc być prawdziwy pod wpływem grawitacji.

Lebed zasugerował, że wystarczyłoby wysłać sondę na odległość dwóch lub trzech promieni Ziemi, żeby zaobserwować zjawisko.

Według Lebeda, jego praca jest pierwszą propozycją, aby przetestować eksperymentalnie połączenie mechaniki kwantowej i teorii grawitacji Einsteina.

 

  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Dodaj komentarz