Poszukiwanie zmian wartości stałej Plancka z użyciem systemu GPS

Zdaniem amerykańskich fizyków publicznie dostępne dane z satelitów globalnego systemu pozycjonowania (GPS) (ang. global positioning system) mogą pomóc w określaniu zmian wartości stałej Plancka w zależności od miejsca dokonywania pomiaru na powierzchni naszej planety. Technika opracowana przez naukowców z USA polega na analizowaniu drobnych poprawek, powszechnie stosowanych w zegarach atomowych stanowiących nieodłączny składnik satelitów GPS, których wprowadzanie jest bezpośrednio związane z efektami relatywistycznymi. Jednakże nie wszyscy fizycy są skłonni uwierzyć w poprawność tej metody.

System GPS opiera się na bardzo dokładnych pomiarach czasu, podczas którego sygnały emitowane przez układ satelitów docierają do odbiornika umieszczonego na Ziemi. Nad zapewnieniem dokładnych pomiarów czasu „czuwają” niezwykle precyzyjne zegary atomowe umieszczane na pokładzie satelitów GPS. Zegary te dokonują pomiaru częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego dla określonego przejścia atomowego, które związane jest z jego energią oraz stałą Plancka, oznaczaną w fizyce małą literą h. Stała Plancka to stała fizyczna określająca wielkość energii kwantów w układzie fizycznym; np. energia fotonu, czyli kwantu promieniowania elektromagnetycznego, jest wprost proporcjonalna do wartości stałej Plancka oraz częstotliwości drgań pola elektromagnetycznego.

System GPS a szczególna teoria względności Einsteina

Ze względu na efekty relatywistyczne opisane w ogólnej oraz szczególnej teorii względności Einsteina, wskazania zegarów atomowych, znajdujących się na pokładzie satelitów GPS, muszą być na bieżąco korygowane, aby zgadzały się ze wskazaniami zegarów umieszczonych na Ziemi oraz w innych satelitach. Po wprowadzeniu wymaganych poprawek, czas wskazywany przez wszystkie zegary powinien być identyczny, bez względu na różnice lokalnych potencjałów grawitacyjnych związanych z zegarami. Jeżeli jednak wskazania te nie będą identyczne, wówczas możliwą przyczyną takiej sytuacji może być różna wartość stałej Plancka dla różnych miejsc w przestrzeni, w związku z czym koncepcja znana pod pojęciem lokalnej niezmienności Plancka (LPI) (ang. local Planck invariance) może zostać uznana za nieprawdziwą.

James Kentosh oraz Makan Mohageg z California State University w Northridge (USA) powiedzieli, że wykorzystując publicznie dostępne dane pochodzące z satelitów GPS oszacowali maksymalną wartość stałej Plancka, przy założeniu, że teoria LPI jest faktycznie naruszona. Fizycy wybrali siedem z trzydziestu dwóch satelitów GPS, które ich zdaniem zachowywały się najbardziej stabilnie – informacje te zostały zaczerpnięte w oparciu o wynik analizy poprawek wprowadzanych do wskazań zegarów, publikowanych w pietnąstominutowych odstępach czasu, na przestrzeni trzynastu miesięcy w latach 2010-2011. Naukowcy oceniali w jaki sposób zmianie ulega wartość poprawek w funkcji radialnej odległości satelit GPS od powierzchni Ziemi, odnajdując niewielką rozbieżność.

Odstępstwa od teorii

Wykryta rozbieżność nie jest oczywiście wystarczającą przesłanką, aby stwierdzić, że teoria LPI jest rzeczywiście naruszona, ponieważ możliwym jest, że to efekt dylatacji czasu wpłynął na wskazania zegarów. Zespół fizyków z USA potwierdził, że uwzględnił taki scenariusz w swoich rozważaniach, opierając się m.in. na pracy Victora Flambauma z University of New South Wales z 2010 roku. Flambaum zajmował się porównywaniem wskazań zegara atomowego ze wskazaniami kriogeniczengo szafirowego oscylatora znajdującego sie w Obserwatorium Paryskim. Opierając się na wynikach pracy Flambauma, Kentosh oraz Mohageg postanowili sprawdzić poprawność teorii LPI. Okazało się, że wartość stałej Plancka spełnia teorię LPI z dokładnością 0,007.

Nie wszystkie osoby zgadzają się z tym wynikiem, włączając w to samego Flambauma, który znalazł aż trzy błędy w pracy opublikowanej przez Kentosha i Mohagega. Stała Plancka ma wymiar energii pomnożonej przez czas i zdaniem Flambauma poszukiwanie jakichkolwiek zmian wartości podstawowych stałych fizycznych jest pozbawione jakiegokolwiek sensu, ponieważ jednostki określające te wymiary mogą być także różne. Jego zdaniem fizycy z USA powinni raczej skupić się na bezwymiarowej wielkości, takiej jak stała struktury subtelnej. Podkreślił również, że zegary atomowe używane w opisanym badaniu były bardzo do siebie podobne i dlatego ich działanie jest uzależnione od tych samych stałych fizycznych, uniemożliwiając szukanie jakichkolwiek odstępstw od teorii LPI. Zamiast tego, według niego, rozsądnym zachowaniem powinno być użycie dwóch różniących się od siebie zegarów.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com