„Apollo“ misijos: Veidrodžiai Mėnulyje

Iš kiekvienų į Mėnulį nusiųstų 300 kvadrilijonų (10¹⁵) fotonų tik maždaug 5 randa kelią atgal. Visi likusieji būna sugeriami atmosferoje, arba tiesiog nepataiko į minėtus veidrodžius. Iš šitų kelių fotonų tyrinėtojų komanda Mėnulio judėjimą gali įvertinti su mažesne nei poros milimetrų paklaida. Toks matavimo tikslumas potencialiai gali atskleisti bendrosios Einšteino reliatyvumo teorijos „skyles“. Jei tai pavyktų, eksperimentas taptų svarbiausiu „Apollo“ misijos moksliniu pasiekimu.

Mėnulio „apšaudymas“ tęsiasi jau seniai. „Aš dar net nebuvau gimęs, kai į Mėnulio paviršių buvo nugabenti pirmieji veidrodžiai“, sako 39 metų amžiaus Kalifornijos San Diego Universiteto (JAV) mokslininkas Tom‘as Murphy, vadovaujantis „Apache Point Observatory“ observatorijoje Nju Meksike vykdomam eksperimentui.

Septintojo dešimtmečio viduryje, kai NASA svarstė pasiūlymus eksperimentams Mėnulio paviršiuje atlikti, atstumo matavimas lazeriu buvo svarstomas, tačiau niekas realiai nežinojo, kam būtų galima panaudoti tokio matavimo rezultatus. Buvo siūloma stebėti laipsniškus Niutono gravitacinės konstantos pokyčius, bet tam eksperimentą būtų reikėję vykdyti 20 metų. Pasiryžti tokiam laiko tarpui niekas nenorėjo. Tada idėją pasiūlė jaunas mokslininkas Ken‘as Nordtvedt‘as.

Pasitelkęs matematiką jis įrodė, kad panaudojus vos per kelis metus lazeriu surinktą informaciją apie palydovo atstumą iki Žemės, būtų galima patikrinti kertinį bendrosios reliatyvumo teorijos teiginį – ekvivalentiškumo principą. Jis teigia, kad kiekvienas kūnas turi dviejų rūšių masę. Pirmoji vadinama gravitacine mase ir ji kuria gravitacinės traukos jėgą bei reaguoja į jos poveikį. Antroji yra inercinė kūno masė – ji parodo, kaip sunku pakeisti esamą kūno judėjimo pobūdį. Ekvivalentiškumo teorija tvirtina, kad jos abi yra lygios vienos kitai.

Ekvivalentiškumo teorija dominuoja bendrojoje reliatyvumo teorijoje, tačiau septintajame dešimtmetyje pradėjo populiarėti kitokia JAV fizikų Karl‘o Brans‘o ir Robert‘o Dicke‘o sukurta teorija. Joje minėti mokslininkai iškėlė idėją apie „penktosios gamtos jėgos“ egzistavimą, ir taip ne tik sukritikavo ekvivalentiškumo principą, bet ir numatė Mėnulio orbitos nuokrypį, kuris turėtų sudaryti 13 metrų. Nordtevdt‘as įrodė, kad analizuojant iš Mėnulio atsispindinčius šviesos signalus, būtų galima patikrinti, ar toks orbitos neatitikimas išties egzistuoja.

Dicke‘as tuo metu buvo „Apollo“ misijos mokslinio patarėjų komiteto narys. Jis išklausė astronautų skundus apie tai, kad daugelis siūlomų eksperimentų yra per daug sudėtingi, kad juos būtų galima atlikti vilkint kosminius skafandrus. Todėl jis pasiūlė tiesiog nugabenti į Žemės palydovą keletą veidrodžių, išdėstyti juos apytiksliai nukreipus į Žemę, o likusį darbą palikti astronomams.

Brans–Dicke teorija tapo ankstyva šio eksperimento auka. Išmatavimai buvo pakankamai tikslūs, kad nustatytų, jog gravitacinė ir inercinė masė yra ekvivalentiškos 1 dalies iš 10¹³tikslumu. Tai stipriai apriboja prielaidas apie galimai egzistuojančios penktosios gamtos jėgos stiprumą. Nepaisant to, nauji gravitaciją aiškinantys postulatai, tokie kaip stygų ir antigravitacijos teorijos, teigia, kad ekvivalentiškumo principas turėtų būti paneigtas. „Mes jau esame tokiame etape, kai tokių neatitikimų galima tikėtis. Kiekvienas postūmis link didesnio tikslumo yra svarbus teoriškai,“ sako Murphy.

Milimetrinis tikslumas

Šiam tikslui padaryti įvairūs patobulinimai lazerių stotyje Žemėje leido tyrinėtojų komandai padidinti tikslumą nuo kelių centimetrų iki kelių milimetrų. Deja, pagrindinė problema yra ta, kad atliekant analizę, sudėtinga susidoroti su matavimo rezultatų gausa.

Matuojant milimetro tikslumu, atsiranda papildomų reiškinių, veikiančių gaunamus rezultatus – visus juos tenka įvertinti papildomai. Tarp kitų reiškinių, tai Saulės radiacijos slėgis, kuris pastumia visą Mėnulio orbitą 4mm lyginant su apskaičiuota. Be to, duomenys turi praeiti pro matematines „šukas“ – taip siekiama aptikti bet kokius iki šiol neįvertintus pokyčius. „Svarbiausia yra tai, kad mes renkame duomenis. Tai mums tarsi pinigai banke“, sako Murphy. „Analizės imsimės tada, kai būsime patenkinti mūsų naujuoju matematiniu Mėnulio modeliu“.

Ir nors septinatajame dešimtmetyje 20 metų truksiantys gravitacinės Niutojo konstantos tyrimai skambėjo neįmanomai, Murphy kartu su savo kolegomis užfiksavo visus konstantos pokyčius, o atliktų matavimų tikslumas yra didesnis nei viena dalis iš 10¹²per metus. Tai tapo papildomu ir reikšmingu naujas fizikos ir kosmologijos teorijas ribojančiu veiksniu. „Įspūdinga vien pagalvoti, kad mes pasiekėme tokią techninę sekmę ir kad mes vis dar galime didinti technologijos tikslumą“, sako Montanos Bozeman valstybinio universiteto profesorius emeritas Nordtvedt‘as. „Anksčiau aš būčiau manęs, kad tam nepakaks ir 40 metų. Tai didžiulis išlošimas“.