Obecná relativita, moderní teorie gravitace, je tady s námi již 107 let. V Evropě tehdy zrovna zuřila Velká válka a proto nemohlo být o ověřování nového přístupu ke gravitaci ani řeč. Avšak už roku 1919 provedli britští astronomové v Brazílii a na Princově ostrově první slavný test obecné relativity, který posléze mnoho vědců více či méně úspěšně opakovalo. Později experti navrhli i mnoho dalších testů, jež se od 60. let minulého století prováděly ve velkém. Obecná relativita procházela náročnými zkouškami, vždy ale slavně triumfovala. Některé z testů byly prováděny také v kosmickém prostoru vesmírnými observatořemi. Dnes se právě na jeden takový nedávný pokus podíváme podrobněji.

Základní principy obecné teorie relativity

O obecné relativitě jsme už velmi podrobně hovořili v jednom z minulých článků. Nyní si tedy jen zopakujme, že moderní teorie gravitace je založena dvou základních principech. Obecný princip relativity říká, že fyzikální zákony jsou stejné ve všech vztažných soustavách. Princip ekvivalence potom tvrdí, že nelze rozlišit zrychlení pohybem od gravitačního zrychlení.

Na rozdíl od tří dalších základních interakcí (elektromagnetické, silné jaderné a slabé jaderné) není gravitace popsána kvantově, nýbrž geometricky jakožto zakřivení prostoru a času, přesněji řečeno prostoročasu. Obecná relativita totiž sjednocuje prostor a čas do jediného čtyřrozměrného kontinua. Projevem zakřivení prostoročasu je gravitační síla. Ta je silná podle toho, jak moc hmota daného objektu zakřivuje prostoročas ve svém okolí. „Prostoročas říká hmotě, jak se má pohybovat. Hmota říká prostoročasu, jak se má zakřivovat,“ řekl slavný relativista John Archibal Wheeler.

Dlužno poznamenat, že v českém prostředí se občas používá i termín časoprostor. Jedná se o synonymum prostoročasu, používat lze oba pojmy, mají úplně stejný význam. V odborném prostředí se více užívá prostoročas, v popularizaci vědy bylo zase spíše zvykem užívat časoprostor.

Význam obecné relativity v kosmonautice

Když v roce 1915 Einstein relativitu publikoval, nemohl mít ani tušení o jejím budoucím praktickém využití. A to zvláště v oboru, který tehdy v podstatě ani neexistoval. Přesto bychom se dnes bez Einsteinových myšlenek v kosmickém prostoru neobešli. U navigačních systému jako je třeba GPS nebo Galileo se musí počítat s efekty speciální i obecné teorie relativity a podle toho provádět příslušné korekce. V opačném případě by už za pouhý jeden den narostla chyba v určení pozice na zemském povrchu do řádu kilometrů.

Pomocí vesmírných observatoří se také provádí testování řady relativistických efektů. Vzpomeňme například silné gravitační čočkování, díky němuž vznikají krásné snímky pořízené třeba Hubbleovým nebo Webbovým teleskopem. Shapirův jev vědci úspěšně měřili pomocí sondy Cassini-Huygens. Strhávání prostoročasu ověřovaly geodetické družice LAGEOS a LARES nebo americká Gravity Probe B. Její předchůdkyně Gravity Probe A zase měřila gravitační rudý posuv a princip ekvivalence.

Ten mimochodem při slavném pokusu demonstroval i americký astronaut David Randolph Scott, když při lunární výpravě Apollo 15 na povrch Měsíce upustil kladívko a pírko, které při absenci atmosféry dopadly ve stejný okamžik. A právě princip ekvivalence nás bude ve zbytku článku zajímat nejvíce, neboť právě ten se stal předmětem nedávného experimentu.

Několik verzí principu ekvivalence

Než se ovšem pustíme do samotného popisu provedeného pokusu, musíme si ještě vyjasnit jednu důležitou věc. Jak jsem výše uváděl, princip ekvivalence říká, že nelze odlišit gravitační zrychlení od zrychlení způsobeného pohybem. To je pravda, pravda a nic než pravda, ale nikoliv celá pravda.

Rozlišujeme totiž několik typů principu ekvivalence. Galileův princip ekvivalence říká prostě to, že gravitační zrychlení těles nezávisí na jejich hmotnosti. Pokud tedy předměty padají volným pádem mimo atmosféru, například na povrchu Měsíce, dopadnou ve stejný okamžik. Je-li přítomna atmosféra, pak interakce se vzduchem ovlivňuje různé předměty různým způsobem. Nicméně ve vakuu padají všechny předměty stejně rychle, bez ohledu na jejich tvar nebo hmotnost.

Einsteinův princip ekvivalence je potom uvedené tvrzení o nerozlišitelnosti zrychlení gravitačního a pohybového. Gravitační a setrvačné jevy nelze žádným způsobem a žádným pokusem odlišit. Tuto verzi principu ekvivalence odborníci také testují, avšak obvykle nikoliv pomocí kosmických sond.

Známe ale ještě dvě další verze principu ekvivalence. Silný princip tvrdí, že i energii odpovídající elektromagnetickému poli lze připsat setrvačnou hmotnost a vykazuje tedy gravitační účinky. Pokud tento princip opravdu platí, pak je gravitace čistě geometrická síla, žádná jiná fyzikální pole se zde nevyskytují. Velmi silný princip ekvivalence potom dokonce uvádí, že i energie gravitačního pole samotného má setrvačné a gravitační projevy.

Družice MICROSCOPE

Pro testování principu ekvivalence lze jen těžko najít vhodnější zařízení než právě MICROSCOPE. Už sám název Micro-Satellite à traînée Compensée pour l’Observation du Principe d’Equivalence napovídá, že přesně pro tento účel byla družice navržena a vyrobena. Lépe řečeno, její úkol spočíval v ověření Galileova principu ekvivalence, tedy toho, zda různé předměty skutečně padají v gravitačním poli stejně rychle. Tento postulát je, i přes jeho stáří, pro obecnou relativitu velmi důležitý.

Za projektem MICROSCOPE stojí francouzská kosmická agentura CNES. Šlo o malou, 330 kilogramovou, družici. Do kosmického prostoru ji vynesla raketa Sojuz ST-A společně s hlavním nákladem, družicí Sentinel-1B určenou ke snímkování Země, a několika menšími družicemi. Start proběhl 25. dubna 2016 z kosmodromu Kourou ve Francouzské Guyaně. Nosič naštěstí fungoval bezvadně, a tak se podařilo dostat MICROSCOPE na cílovou, téměř kruhovou, dráhu o výšce zhruba 713 km a sklonu 98 stupňů vůči rovníku.

Původní plán počítal s dvouletou dobou činnosti družice, nakonec se její práce o něco protáhla až na téměř dva a půl roku. V říjnu 2018 došlo k vyčerpání zásob dusíku sloužícího jako palivo a vzhledem k tomu, že se již podařilo splnit všechny vědecké cíle mise, nic nebránilo tomu, aby družice mohla svou práci ukončit. Řídící tým družici deaktivoval 18. října 2018.

Aby bylo možné provádět přesná fyzikální měření, nesl MICROSCOPE na palubě experiment Twin-Space Accelerometer for Gravity Experiment (T-SAGE) skládající se ze dvou stejných akcelerometrů (přístroj určený k měření zrychlení) a k nim náležících soustředných válcových závaží. Jeden z akcelerometrů sloužil jako testovací a obsahoval dvě pokusná závaží, první ze slitiny platiny a rhodia, druhé ze slitiny hliníku, titanu a vanadu. Druhý akcelerometr posloužil jako referenční zařízení a byl vybaven dvěma závažími složenými ze slitiny platiny a rhodia.

Závaží byla udržována v určené oblasti pomocí elektrostatického odpuzování tím způsobem, aby zůstávala v klidu vůči mateřské družici. Pro správné fungování experimentu se akcelerometry musely udržovat ve vhodném prostředí zejména co se týče příznivé teploty. Z toho důvodu inženýři vybrali heliosynchronní oběžnou dráhu, na níž je družice stále vystavena slunečnímu záření.

Vyvrátili jsme Einsteina?   

První data z nového experimentu zveřejnil vědecký tým již v prosinci 2017. Měření působila velmi slibně, nepodařilo se zjistit žádné porušení Galileova principu ekvivalence s přesností 10^-15. Ale vzhledem k tomu, že družice MICROSCOPE v té době ještě fungovala, mohl vědecký tým pod vedením loni zesnulého Pierre Toubola své výsledky ještě podpořit vyšší statistikou a také je o něco zpřesnit, až na hodnotu 1,1 x 10^-15. Tím se předchozí nejpřesnější měření týmu Stefana Baeßlera z roku 1999, provedené pomocí torzních vah, podařilo zlepšit desetinásobně.

Vědecké zařízení sondy MICROSCOPE přitom nemohli fyzikové před startem v plné šíři vyzkoušet, aparaturu totiž inženýři stavěli pro použití na oběžné dráze, a na zemi nemohla správně fungovat. Přesto vše proběhlo podle plánu a experiment dodal precizní data. Einsteinova teorie gravitace s přehledem prošla dalším z mnoha testů a prozatím nic její pozici neohrožuje. A pokud jde o testování Galileova principu ekvivalence, zřejmě tomu tak ještě poměrně dlouhou dobu zůstane.

Objevují se sice návrhy družic schopných posunout přesnost až na úroveň 10^-17 nebo 10^-18, ty jsou však prozatím v plenkách a do jejich realizace, pokud k ní vůbec dojde, uplyne ještě mnoho času. Příštích dvacet let se proto pravděpodobně žádného zlepšení v této oblasti výzkumu a testování obecné relativity nedočkáme.

Výhled do budoucna

Einstein znovu uspěl, příznivci alternativních teorií dostali další ránu. Jakýkoliv konkurenční model gravitace dostal silná omezení. Přesto se zdá, že obecná relativita patrně základní teorií gravitace nebude. Na mikroskopické úrovni přestává obecná relativita správně fungovat a nastupuje kvantová mechanika. Také gravitaci by mělo jít kvantovat, jak, to ale dosud nikdo neví.

Některé populární návrhy teorie kvantové gravitace, jako jsou teorie strun i smyčková kvantová gravitace předpovídají narušení Galileova principu ekvivalence. Není zatím známo na jaké úrovni, odhady se však pohybují v mezích 10^-13 až 10^-18. Do tohoto intervalu již současné experimenty částečně zasahují a budoucí jej snad pokryjí úplně.

Chvíle, kdy budeme vědět více o platnosti či neplatnosti alespoň některých verzí dvou moderních teorií kvantové gravitace se možná přibližuje. Pokud by budoucí experimenty, jako je třeba navrhovaná družice STEP, pozorovaly narušení Galileova principu ekvivalence, znamenalo by to velké povzbuzení pro vědce snažící se o kvantování gravitace. Neobjevení narušení by naopak způsobilo nutnost přehodnocení dosavadního přístupu ke kvantování gravitace i ke gravitační síle jako takové.

Závěr

Pozitivní i často zatracovaný negativní výsledek budoucích experimentů přinese dost možná zásadní přelom našeho chápání fundamentální fyziky. Ať už další měření Galileova principu ekvivalence skončí jakkoliv, čeká nás pravděpodobně velmi zajímavé a plodné období.

Použité a doporučené zdroje

• CNES: https://cnes.fr/en
• ESA: https://www.esa.int/
• ONERA: https://www.onera.fr/en

Zdroje obrázků

• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2016/04/microscope/15957837-1-eng-GB/Microscope_pillars.jpg
• https://cdn.sci.esa.int/documents/34614/35502/1567215794512-ESA_LISA-Pathfinder_spacetime_curvature_above_orig.jpg/
• https://static01.nyt.com/images/2008/04/14/us/14wheeler.600.1.jpg
• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2013/12/galileo_foc/13432725-1-eng-GB/Galileo_FOC_pillars.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b2/Cassini_Saturn_Orbit_Insertion.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e5/Pisa_experiment.png
• https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/image/as15_hfd_1.jpg
• https://dailyscience.be/wordpress/wp-content/uploads/2016/04/Le-satellite-Microscope-%c2%a9CNESGRIMAULT-Emmanuel.jpg
• https://spaceflight101.com/spacecraft/wp-content/uploads/sites/18/2016/04/satellite_ouvert.png
• https://spaceflight101.com/spacecraft/wp-content/uploads/sites/18/2016/04/bpc_microscope-tsage-p47341.jpg
• https://www.onera.fr/sites/default/files/actualites/breves/pierre-touboul-350×446.jpg
• https://i.pinimg.com/originals/7c/c3/4f/7cc34f8ded2fb6cb6b3b3fab55eaf315.jpg
• https://d2r55xnwy6nx47.cloudfront.net/uploads/2016/01/LoopsStrings.jpg