Jak Księżyc pomaga nam potwierdzić teorię względności Einsteina

Często możliwe jest wykorzystanie danych zebranych w jednym celu do zbadania czegoś innego. Na przykład A Niedawny artykuł Wykorzystał obserwacje orbity Księżyca trwające pół wieku, aby przeprowadzić dokładne i precyzyjne testy natury grawitacji, a także niektórych podstawowych założeń, które przyczyniły się do powstania ogólnej teorii względności Einsteina.

Jeden blok, trzy posty

Masę można traktować jako ilość „materii”, z której zbudowany jest przedmiot. Powoduje to siłę grawitacji pomiędzy dwoma obiektami, co utrudnia poruszanie się obiektami. Zasadniczo spełnia trzy różne funkcje. Po pierwsze, masa generuje pole grawitacyjne, które będzie silnie oddziaływać na inne obiekty, dlatego możemy nazwać tę „aktywną masę grawitacyjną”. Po drugie, masa może odczuwać działanie grawitacyjne otaczających ją obiektów i możemy nazwać tę „ujemną masę grawitacyjną”. Po trzecie, masa opiera się zmianom ruchu – dlatego pchanie dużej skały jest trudne – dlatego możemy nazwać ją „masą bezwładnościową”.

Na wstępnych zajęciach z fizyki, a nawet w bardziej zaawansowanej teorii Einsteina, uważa się, że te trzy „rodzaje” masy to to samo. Nie ma jednak żadnego zasadniczego powodu, dla którego miałoby się to zdarzyć. Każdy może być inny. Ponieważ idea ich podobieństwa jest podstawowym założeniem teorii grawitacji Einsteina, konieczne jest sprawdzenie tego przypuszczenia.

To właśnie zrobili naukowcy. 21 lipca 1969 roku astronauci Apollo 11 umieścili reflektor laserowy na powierzchni Księżyca, a podczas kolejnych misji księżycowych umieszczali dodatkowe reflektory. Od tego czasu badacze byli w stanie monitorować odległość między Ziemią a Księżycem. Jest to niezwykle precyzyjny pomiar, z dokładnością do milimetra, który można porównać do pomiaru odległości pomiędzy Nowym Jorkiem a Los Angeles z dokładnością odpowiadającą szerokości ludzkiego włosa. Jednym z wyników było to, że naukowcy ustalili, że Księżyc oddala się od Ziemi z prędkością 1,5 cala (3,8 cm) rocznie.

Aktywna masa grawitacyjna a pasywna masa grawitacyjna

W najnowszej pracy zbadano, czy masa czynna i masa bierna są takie same. W tym celu badacze wykorzystali przewagę geologiczną Księżyca. Misje Apollo ustaliły, że maria (duże ciemne plamy na powierzchni Księżyca) są bogate w żelazo, podczas gdy wyżyny księżycowe są bogate w aluminium. Ponieważ Maria powstała z lawy pochodzącej z wnętrza Księżyca, badacze założyli, że płaszcz Księżyca jest bogaty w żelazo. Wyżyny, będące zewnętrzną częścią Księżyca, powinny odzwierciedlać skład chemiczny bogatej w glin skorupy księżycowej.

W przypadku, gdy aktywne i pasywne masy grawitacyjne są takie same, siła grawitacji żelaza na aluminium powinna być taka sama jak aluminium na żelazie. Jeśli jednak masa czynnej i biernej grawitacji jest różna, musi istnieć siła wypadkowa. Ta wypadkowa siła będzie podobna do ruchu pływowego na Ziemi i przyspieszy lub spowolni orbitę Księżyca.

Wykorzystując ponad pół wieku pomiarów pozycji Księżyca (od kwietnia 1970 r. do kwietnia 2022 r.) astronomowie byli w stanie ustalić, że orbita Księżyca zwalnia zaledwie o 25,8 sekundy łukowej na stulecie. W tym tempie Księżyc potrzebowałby ponad 14 000 lat, aby cofnąć się o jeden stopień w stosunku do miejsca, w którym znajdowałby się, gdyby nadal poruszał się z prędkością, z jaką porusza się obecnie.

Na podstawie tego precyzyjnego pomiaru naukowcy doszli do wniosku, że aktywna i pasywna forma masy są zasadniczo identyczne. Gdyby były inne, różnica byłaby mniejsza niż jedna część na 26 bilionów.

Potwierdzenie Einsteina

Pomiar ten jest kluczowy dla potwierdzenia słuszności jednego z założeń teorii grawitacji Einsteina. Gdyby nie to, postawiłoby to pod znakiem zapytania wiele aspektów współczesnej astronomii, w tym ciemną materię i ciemną energię. Jednak ten ostatni pomiar potwierdza słuszność naszych obecnych ram teoretycznych. Po raz kolejny okazuje się, że Einstein miał rację.