Κυριακή, 17 Ιουνίου 2012

Οι τρεις μορφές της Αρχής της ισοδυναμίας

Αν χρησιμοποιήσουμε το 2ο νόμο του Νεύτωνα τότε η μάζα του σώματος στο νόμο αυτό λέγεται αδρανειακή. Αν όμως χρησιμοποιήσουμε το παγκόσμιο νόμο της βαρύτητας (ανάμεσα στη Γη και ένα σώμα) τότε η μάζα του σώματος στο νόμο της βαρύτητας, λέγεται βαρυτική.
equivalent_principe
Η πιο ευτυχισμένη σκέψη του Αϊνστάιν κατά το 190): "Για έναν παρατηρητή που κάνει ελεύθερη πτώση από ψηλά, το βαρυτικό πεδίο δεν υπάρχει. Αντιστρόφως, ένας παρατηρητής σε ένα κλειστό θάλαμο — όπως ένας ανελκυστήρας ή ένα διαστημόπλοιο — δεν μπορεί να πει αν το βάρος του οφείλεται στη βαρύτητα ή την επιτάχυνση.
Είναι όμως οι δύο μάζες (αδρανειακή και βαρυτική) ίσες; Αυτό ήταν ένα ερώτημα που βασάνισε αρχικά το Νεύτωνα και ύστερα το Γαλιλαίο με αυτή όμως την...
διατύπωση: Άραγε σώματα με διαφορετική μάζα επιταχύνονται εξίσου στο βαρυτικό πεδίο της Γης;
Τα δύο αυτά ερωτήματα είναι ισοδύναμα. Ο νόμος βαρύτητας του Νεύτωνα δείχνει ότι η επιτάχυνση ενός σώματος, που βρίσκεται σε συγκεκριμένο σημείο του βαρυτικού πεδίου της Γης, εξαρτάται μόνο από τη μάζα της Γης, δηλαδή είναι η ίδια για κάθε σώμα με οποιαδήποτε μάζα που θα βρεθεί στο σημείο αυτό.
  • Η πρώτη εκδοχή
Με βάση τα παραπάνω, διατυπώθηκε η πρώτη από τις τρεις εκδοχές της Αρχής της Ισοδυναμίας, η γνωστή κι ως Ασθενής Αρχή της Ισοδυναμίας, η οποία εμφανίζεται υπό δύο ισοδύναμες μορφές: Την Αρχή Ισοδυναμίας του Γαλιλαίου "Σώματα με διαφορετική μάζα επιταχύνονται εξίσου εντός βαρυτικού πεδίου", (γι αυτό και ονομάστηκε και ως "Αρχή της Ομοιόμορφης Ελεύθερης Πτώσης") και την Αρχή Ισοδυναμίας του Νεύτωνα "Η αδρανειακή και η βαρυτική μάζα κάθε σώματος είναι ίσες μεταξύ τους".
Η αρχή της ισοδυναμίας βαρύτητας και αδράνειας, που προβλέπει την ισότητα της βαρυτικής και της αδρανειακής μάζας, εκτός του Γαλιλαίου (1610) και Νεύτωνα (1680) είχε και έχει γίνει προσπάθεια πειραματικής επαλήθευσης και από άλλους: από τον Ιωάννη το Φιλόπονο της Αλεξανδρείας (490-570 μ.Χ.), τον Simon Stevin (1586), τον Friedrich Wilhelm Bessel (1832),  μέχρι τον Loránd Eötvös (1908) που βρήκε ισότητα με ακρίβεια 1 προς 1 δισεκατομμύριο, τους Roll, Krotkov και Dicke (1964) με ακρίβεια 1 προς 100 δισεκατομμύρια και άλλους πολλούς, φτάνοντας σήμερα στη φανταστική ακρίβεια του 1 προς 1 τρισεκατομμύριο.  
  • Η δεύτερη εκδοχή
Η ισοδυναμία αδρανειακής και βαρυτικής μάζας που στη θεωρία του Νεύτωνα ήταν μια απλή σύμπτωση, ενοχλούσε τον Αϊνστάιν. Ο Αϊνστάιν στήριξε τη θεωρία της Γενικής Σχετικότητας στην αρχή της ισοδυναμίας σύμφωνα με την οποία, δεν υπάρχει πείραμα που να μπορεί να διακρίνει ένα πεδίο βαρύτητας από μια ισοδύναμη ομαλή επιτάχυνση. Δηλαδή το ίδιο φυσικό φαινόμενο αποδίδεται είτε στην επιτάχυνση του συστήματος αναφοράς είτε στην επίδραση της βαρύτητας ανάλογα με το σύστημα αναφοράς. Έτσι ένα διαστημόπλοιο που περιστρέφεται στο διάστημα, δημιουργεί συνθήκες τεχνητής βαρύτητας.
Η προηγούμενη όμως Αρχή της Ισοδυναμίας, όπως την διατύπωσε ο Αϊνστάιν, είναι η δεύτερη εκδοχή, γνωστή και ως Ενδιάμεση (ή Μετρίως Ισχυρή) Αρχή της Ισοδυναμίας η οποία αναφέρεται από πολλούς συγγραφείς ως Αρχή Ισοδυναμίας του Αϊνστάιν, έχοντας συνδεθεί με τη θεωρία του. Βεβαίως στη θεωρία του ισχύει και η Ασθενής Αρχή της Ισοδυναμίας και ότι κάθε μη βαρυτικό φαινόμενο της Φυσικής, παρατηρούμενο από τοπικά αδρανειακό σύστημα αναφοράς, είναι ανεξάρτητο από το σημείο του σύμπαντος στο οποίο ευρίσκεται το εν λόγω σύστημα.
Ας τονιστεί ότι στην δεύτερη Αρχή της Ισοδυναμίας του Αϊνστάιν ή την Ενδιάμεση Αρχή δεν περιορίζεται μόνο στα φαινόμενα της κίνησης, όπως στην περίπτωση της Ασθενούς Αρχής, αλλά επεκτείνεται και σε άλλα, όπως εκείνα του ηλεκτρομαγνητισμού ή της σωματιδιακής φυσικής (όχι όμως, ακόμα, σε όλα!)
  • Η τρίτη εκδοχή
Υπάρχει όμως και η τρίτη εκδοχή της Αρχής της Ισοδυναμίας: η Ισχυρή Αρχή της Ισοδυναμίας. Το περιεχόμενο της είναι ίδιο με την 2η εκδοχή (Ενδιάμεση Αρχή της Ισοδυναμίας), μόνο που αναφέρεται όχι μόνο στα μη βαρυτικά φαινόμενα της φυσικής, αλλά σε όλα τα φαινόμενα της φυσικής. Γι αυτό, η 3η Αρχή αφορά και φαινόμενα όπως, για παράδειγμα, μια πειραματική διάταξη για τη μέτρηση της βαρυτικής έλξης μεταξύ δύο σωμάτων προς επαλήθευση του Νόμου της Παγκόσμιας Ελξης (Ζυγός του Cavendish) ή τη βαρυτική έλξη μεταξύ των στοιχειωδών σωματιδίων που συγκροτούν τους πυρήνες των ατόμων ενός σώματος (Ενέργεια βαρυτικής Σύνδεσης) φαινόμενο μεγάλου ενδιαφέροντος σε ό,τι αφορά τον πειραματικό έλεγχο της Αρχής της Ισοδυναμίας.
  • Επιπτώσεις της Αρχής Ισοδυναμίας του Αϊνστάιν
Η Αρχή της Ισοδυναμίας (κυρίως η δεύτερη) έχει ορισμένες επιπτώσεις που έχουν επιβεβαιωθεί πειραματικά και άλλαξαν δραστικά τις απόψεις μας για την υπόσταση της βαρύτητας ως αλληλεπίδρασης.
Ένα φαινόμενο το οποίο προβλέπεται από την 2η Αρχή της Ισοδυναμίας είναι η καμπύλωση μιας φωτεινής ακτίνας εξαιτίας της βαρύτητας. Το 1919. αστρονομικές παρατηρήσεις της θέσης των άστρων που βρίσκονται κοντά στον Ήλιο έδειξαν ότι πραγματικά υπάρχει μια καμπύλωση της τροχιάς των φωτεινών ακτίνων που έρχονται από τα άστρα αυτά λόγω της βαρυτικής έλξης του Ηλίου. Το φαινόμενο αυτό το συναντάμε στις φωτεινές ακτίνες των μακρινών κβάζαρ όταν διέρχονται κοντά από ένα γαλαξία, οπότε οι ακτίνες κάμπτονται.
Υπάρχει όμως κι ένα άλλο επακόλουθο της αρχής της ισοδυναμίας: είναι η επίδραση της βαρύτητας στο χρόνο. Για να το καταλάβουμε ας θεωρήσουμε έναν κυκλικό δίσκο που περιστρέφεται γύρω από άξονα συνδεδεμένο με τη Γη. Στην περιφέρεια του δίσκου αυτού έχει τοποθετηθεί ένα ρολόι, ενώ ένα δεύτερο στον άξονα περιστροφής.
Τότε ο παρατηρητής που βρίσκεται στη Γη βλέπει το ρολόι της περιφέρειας να πηγαίνει πιο αργά από το ρολόι του άξονα περιστροφής, που είναι ακίνητο στο σύστημα αναφοράς της Γης. Ο παρατηρητής στη Γη δικαιολογεί τη διαφορά στις ενδείξεις των δύο ρολογιών από την ταχύτητα του ρολογιού, που κινείται με τον δίσκο και, άρα, υφίσταται το φαινόμενο της διαστολής του χρόνου που προβλέπει η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας.
Η δικαιολογία όμως αυτή δεν ισχύει για τον παρατηρητή που κινείται μαζί με το δίσκο. Γι’ αυτόν κανένα ρολόι δεν κινείται. Το κινούμενο ρολόι όμως υφίσταται, λόγω της κυκλικής κίνησης, μια φυγόκεντρο δύναμη, που δεν ασκείται στο ρολόι που βρίσκεται στον άξονα περιστροφής. Έτσι ο κινούμενος με το ρολόι παρατηρητής δικαιολογεί τη διαφορά χρόνου των δύο ρολογιών στο γεγονός ότι αυτά βρίσκονται υπό την επίδραση διαφορετικών πεδίων δυνάμεων. Σύμφωνα με αυτήν, ρολόγια που βρίσκονται σε ισχυρά βαρυτικά πεδία προχωρούν βραδύτερα από ρολόγια που βρίσκονται σε ασθενέστερα πεδία. Το φαινόμενο αυτό της επίδρασης της βαρύτητας πάνω στο χρόνο, γνωστό ως βαρυτική μετατόπιση, διαπιστώθηκε και πειραματικά με τη μετατόπιση των φασματικών γραμμών προς μικρότερες συχνότητες (προς το ερυθρό) εξαιτίας του πεδίου βαρύτητας της Γης ή του Ήλιου, ανάλογα στο πεδίο που γίνεται.
  • Νέα πειράματα επαλήθευσης της Αρχής της Ισοδυναμίας
Πειράματα επαλήθευσης – παρόλη την φανταστική ακρίβεια που έχουν πετύχει οι φυσικοί – εκτελούνται ακόμα στο πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, που έχουν τοποθετήσει όρια στη διαφορική επιτάχυνση των αντικειμένων προς τη Γη, τον Ήλιο και ως προς τη σκοτεινή ύλη στο γαλαξιακό κέντρο. Κάποια μελλοντικά δορυφορικά πειράματα – STEP (Δορυφορική Δοκιμή της Αρχής Ισοδυναμίας), Galileo Galilei, και MICROSCOPE (Μικροδορυφόρος για την Παρατήρηση της Αρχής της Ισοδυναμίας) – θα εξετάσουν την Ασθενή Αρχή Ισοδυναμίας στο διάστημα, με πολύ πιο υψηλή ακρίβεια.
Η ανάγκη να συνεχιστεί η πειραματική επιβεβαίωση της θεωρία της βαρύτητας του Einstein μπορεί να φαίνεται περιττή, δεδομένου ότι είναι κατά πολύ η πιο κομψή γνωστή θεωρία της βαρύτητας, και ότι είναι συμβατή με σχεδόν όλες τις παρατηρήσεις που έχουν γίνει μέχρι σήμερα (εκτός από την περίπτωση της ανωμαλίας του Pioneer). Εντούτοις, δεν ξέρουμε καμία κβαντική θεωρία της βαρύτητας, και οι περισσότερες από τις προταθείσες θεωρίες παραβιάζουν μία από τις Αρχές Ισοδυναμίας σε κάποιο επίπεδο. Η θεωρία χορδών, η υπερβαρύτητα ακόμη και η πεμπτουσία, παραδείγματος χάριν, φαίνονται να παραβιάζουν την Αρχή της Ασθενούς Ισοδυναμίας, επειδή αυτές περιέχουν πολλά ελαφρά βαθμωτά πεδία με μακρά μήκη κύματος Compton. Αυτά τα πεδία πρέπει να παραγάγουν μια πέμπτη δύναμη (σε αντίθεση με τις τέσσερις δυνάμεις της Γενικής Σχετικότητας) και μια μεταβολή των θεμελιωδών σταθερών. Βέβαια, έχουν προταθεί από τους φυσικούς διάφοροι μηχανισμοί για να μειώσουν αυτές τις παραβιάσεις της Αρχής Ισοδυναμίας κάτω από τα αισθητά επίπεδα.
Πειράματα στο εργαστήριο για την Αρχή της Ισοδυναμίας υποστηρίζονται από την παρατήρηση του δυαδικού πάλσαρ PSR J0737-3039. Ο πυρήνας σε ένα άστρο νετρονίων μπορεί να αποτελείται από μια παράξενη ύλη, συμπύκνωση πιονίων, υπερόνιο Λάμδα, Δέλτα, ή ύλη από ελεύθερα κουάρκ.
Πηγές: Περισκόπιο της Επιστήμης, Εκπαιδευτική εγκυκλοπαίδεια, Wikipedia
(από physics4u)

0 σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου

Related Posts with Thumbnails