Эйнштейн снова побеждает: космический спутник подтверждает слабый принцип эквивалентности

Одно из самых нелогичных представлений в физике заключается в том, что все объекты падают с одинаковой скоростью, независимо от массы, также известный как принцип эквивалентности. Это было памятно продемонстрировано в 1971 году астронавтом НАСА «Аполлон-15» Дэвидом Скоттом во время лунной походки. Он одновременно бросил соколиное перо и молоток в прямом эфире, и оба предмета одновременно упали в грязь.

Существует давняя традиция экспериментальной проверки принципа слабой эквивалентности, лежащего в основе общей теории относительности Альберта Эйнштейна. В испытаниях за испытаниями на протяжении многих столетий принцип эквивалентности оставался сильным. И теперь миссия MICROSCOPE (MICROSatellite pour l’Observation de Principe d’Equivalence) провела самую точную проверку эквивалентного принципа на сегодняшний день, еще раз подтвердив Эйнштейна, согласно недавней статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters. (Дополнительные связанные статьи появились в специальном выпуске Classical and Quantum Gravity.)

Тестирование, 1,2,3

Иоанн Филопон , философ VI века, был первым, кто утверждал, что скорость, с которой падает объект, не имеет ничего общего с его весом (массой), и позже оказал большое влияние на Галилео Галилея примерно 900 лет спустя. Галилей предположительно сбрасывал пушечные ядра разной массы со знаменитой Пизанской башни в Италии, но эта история, вероятно, недостоверна.

Галилео делал катить шары по наклонным плоскостям, что гарантировало, что шары катились с гораздо меньшей скоростью, что облегчало измерение их ускорения. Шары были одинаковы по размеру, но одни были сделаны из железа, другие из дерева, что делало их массы разными. Не имея точных часов, Галилей, как сообщается, рассчитывал движение шаров по своему пульсу. И, подобно Филопону, он обнаружил, что независимо от угла наклона шары будут двигаться с одинаковым ускорением.

Позже Галилей усовершенствовал свой подход, используя маятниковый прибор, который включал измерение периода колебаний маятников разной массы, но одинаковой длины. Этому же методу отдавал предпочтение Исаак Ньютон около 1680 года, а позже, в 1832 году, Фридрих Бессель, оба из которых значительно повысили точность измерений. Ньютон также понял, что принцип распространяется на небесные тела, подсчитав, что Земля и Луна, а также Юпитер и его спутники падают на Солнце с одинаковой скоростью. Ядро Земли состоит из железа, а ядро ​​Луны в основном состоит из силикатов, и их массы совершенно разные. Тем не менее, эксперименты НАСА по лазерной локации Луны подтвердили расчеты Ньютона: они действительно падают вокруг Солнца с одинаковой скоростью.

Ближе к концу 19 века венгерский физик Лоран Этвёш объединил маятниковый подход с крутильными весами, чтобы создать крутильный маятник и использовать его для проведения еще более точной проверки принципа эквивалентности. Эта простая прямая палка оказалась достаточно точной, чтобы еще точнее проверить принцип эквивалентности. Крутильные весы также использовались в последующих экспериментах, таких как эксперимент 1964 года, в котором в качестве испытательных масс использовались куски алюминия и золота.

Эйнштейн процитировал эксперимент Этвеша, подтверждающий принцип эквивалентности, в своей статье 1916 года, излагающей основу его общей теории относительности. Но общая теория относительности, хотя и работает достаточно хорошо на макроуровне, не работает на субатомном уровне, где вступают в силу правила квантовой механики. Поэтому физики искали нарушения эквивалентности на этих квантовых масштабах. Это было бы свидетельством потенциальной новой физики, которая могла бы помочь объединить эти две теории в одну великую теорию.

Одним из методов проверки эквивалентности на квантовом уровне является использование интерферометрии материи и волны. Это связано с классическим экспериментом Майклсона-Морли, пытающимся обнаружить движение Земли через среду, называемую светоносным эфиром, который, как считали физики в то время, пронизывает пространство. В конце 19 века Томас Янг использовал такой прибор в своем знаменитом эксперименте с двумя щелями, чтобы проверить, является ли свет частицей или волной, а, как мы теперь знаем, свет является и тем, и другим. То же самое верно и для материи.

Предыдущие эксперименты с использованием интерферометрии волн материи измеряли свободное падение двух изотопов одного и того же атомного элемента, тщетно надеясь обнаружить мельчайшие различия. В 2014 году группа физиков подумала, что, возможно, между их составами нет достаточной разницы для достижения максимальной чувствительности. Поэтому в своей версии этих экспериментов они использовали изотопы разных элементов, а именно атомы рубидия и калия. Лазерные импульсы гарантировали, что атомы падают двумя отдельными путями перед рекомбинацией. Исследователи наблюдали контрольную интерференционную картину, указывающую на то, что эквивалентность все еще сохраняется в пределах 1 части на 10 миллионов.