Einstein się nie mylił – udowodnili naukowcy, m.in. z Wrocławia

Einstein prawidłowo przewidział zmiany kształtu orbit obiektów krążących wokół Ziemi – potwierdziły to obserwacje trajektorii ruchu satelitów nawigacyjnych, prowadzone przez naukowców z Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu oraz Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA).

Swoje wnioski badacze oparli na wynikach prowadzonych przez trzy lata ciągłych obserwacji z ponad 100 stacji rozmieszczonych na wszystkich kontynentach śledzących nieustannie ok. 80 satelitów systemów GPS, GLONASS i Galileo, o czym poinformował Instytut Geodezji i Geoinformatyki UPWr.

Już wcześniej słuszność ogólnej teorii względności Einsteina została udowodniona z wykorzystaniem zegarów atomowych, które instalowane są na satelitach. Jednak nikt nie potwierdził – przewidywanych przez teorię względności – zmian wielkości i kształtu orbit satelitów krążących wokół Ziemi – zaznaczono w informacji prasowej z UPWr.

Najnowsze badania naukowców z tej uczelni i z ESA potwierdziły możliwość bezpośredniego pomiaru nie tylko dylatacji czasu, ale również deformacji geometrii czasoprzestrzeni. Potwierdziły zatem także zmiany kształtu orbit satelitów nawigacyjnych GPS, GLONASS i Galileo, a w szczególności pary satelitów Galileo, które przez przypadek zostały umieszczone na orbitach eliptycznych.

Jak wyjaśnia kierujący zespołem prof. dr hab. Krzysztof Sośnica, geodeta kosmiczny, ogólna teoria względności została potwierdzona z bardzo wysokim poziomem wiarygodności na podstawie zmiany upływu czasu rejestrowanej przez zegary atomowe. Ale oprócz zmian w upływie czasu teoria względności przewiduje niewielkie deformacje kształtu i wielkości orbit satelitów, krążących wokół Ziemi.

Zmiany geometrii czasoprzestrzeni, a więc orbit sztucznych satelitów, są na tyle małe, że dotychczas nikt ich nie był w stanie pomierzyć. Aż do uzyskania najnowszych wyników obserwacji.

Jak przez pomyłkę dochodzono do prawdy

ESA sfinansowała projekt naukowy, którego celem było potwierdzenie ogólnej teorii względności. Wykorzystano w tym celu satelity nawigacyjne Galileo, GPS i GLONASS. Dlaczego właśnie te satelity? Są nieustannie śledzone przez stacje GNSS, rozmieszczone na wszystkich kontynentach. Do tego nadają sygnały na kilku częstotliwościach i integrują technikę laserową i mikrofalową na pokładzie. Naukowcy z IGiG opracowali modele satelitów pozwalające na wyznaczanie ultradokładnych orbit oraz przewidywanie, gdzie satelity znajdą się w przyszłości.

– Dzięki temu jesteśmy w stanie wyznaczać pozycję satelitów nawigacyjnych z dokładnością od kilku do kilkunastu milimetrów oraz przewidywać pozycję satelitów z dokładnością kilkudziesięciu centymetrów po jednej dobie. Należy przy tym pamiętać, że satelity poruszają się nieustannie z prędkością kilku kilometrów na sekundę – przypomina prof. Sośnica.

Dodaje, że pierwsza para operacyjnych satelitów Galileo została wyniesiona przez rakietę nośną Sojuz na złą orbitę: eliptyczną zamiast kołowej. Satelity orbitują od wysokości 17180 km do 26020 km, zamiast znajdować się na stałej wysokości 23225 km.

– ESA postanowiła wykorzystać te satelity do badań, które wcześniej nie były możliwe. Mianowicie do zbadania efektów wynikających z ogólnej teorii względności, które - jak już wiemy – różnią się w zależności od wysokości satelity nad powierzchnią Ziemi – tłumaczy wrocławski badacz.

Naukowcy z IGiG rozpoczęli swoje badania od wyprowadzenia teoretycznych efektów, wynikających z ogólnej teorii względności. Okazało się, że według teorii kształt i rozmiar orbit satelitów musi się zmieniać, przy czym zmiany powinny być największe dla satelitów na orbitach eliptycznych.

Następnym krokiem było potwierdzenie słuszności przewidywań teoretycznych z wykorzystaniem rzeczywistych dany satelitarnych. Do tego celu wykorzystano trzy lata ciągłych obserwacji satelitów GPS, GLONASS i Galileo, sieć ponad 100 stacji permanentnych GNSS znajdujących się na wszystkich kontynentach oraz ok. 80 aktywnych satelitów.

Naukowcy przetworzyli obserwacje satelitarne w trzech wariantach. Pierwszy wariant zakładał, że teoria Newtona opisująca ruch satelitów jest prawdziwa, oraz że nie trzeba stosować poprawek ogólnej teorii względności Einsteina.

Drugi wariant zakładał słuszność ogólnej teorii względności z uwzględnieniem poprawek na ruch satelity, które z niego wynikają. Trzeci wariant zakładał, że teoria względności jest prawdziwa, ale Einstein mylił się, co do wartości krzywizny i nieliniowości czasoprzestrzeni.

– Wariant ten pozwala na znalezienie przez satelity GPS, GLONASS i Galileo optymalnej wartości krzywizny i nieliniowości czasoprzestrzeni. Innymi słowy satelity mogą poruszać się dowolnie, a jedyne, co je ogranicza, to pomiary odległości realizowane przez stacje naziemne – wyjaśnia trzecie założenie prof. Sośnica.

– Okazało się, że nawet, gdy pozwolimy satelitom poruszać się w sposób dowolny, potwierdzają one słuszność teorii Einsteina. Zatem po raz pierwszy udało się udowodnić za sprawą obserwacji zmian wielkości i kształtu orbit sztucznych satelitów, że czasoprzestrzeń jest zakrzywiona i nieliniowa tak, jak Einstein przewidział ponad 100 lat temu, a zakrzywiona czasoprzestrzeń zmienia ruch satelitów – stwierdza szef zespołu.

Mimo tego, że Einstein nigdy nie doczekał się wystrzelenia sztucznego satelity, gdyż zmarł 2 lata przed wyniesieniem na orbitę Sputnika-1, to jako pierwszy opisał dokładnie jak się będą poruszać. Dopiero wykorzystując najnowsze osiągnięcia i dokładności oferowane przez systemy nawigacyjne w XXI wieku naukowcy są w stanie stwierdzić, że miał rację.

Więcej na ten temat w artykule w styczniowym numerze „GPS Solutions” z 2022 r.

#teoria einsteina #czasoprzestrzeń #satelity #naukowcy