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

Swoje wnioski badacze oparli na wynikach prowadzonych przez 3 lata ciągłych obserwacji z ponad 100 stacji rozmieszczonych na wszystkich kontynentach śledzących nieustannie ok. 80 satelitów systemów GPS, GLONASS i Galileo, o czym poinformował PAP 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.

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? Satelity nawigacyjne 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 ultra-dokładnych 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.