Фундаментальный принцип общей теории относительности только что прошел строгую проверку на спутнике
Используя специально разработанный спутник, международная группа ученых измерила ускорения пар объектов, находящихся в свободном падении на околоземной орбите. Это первая экспериментальная проверка в космосе принципа слабой эквивалентности. Команда с беспрецедентной точностью показала, что в вакууме два объекта падают с одинаковой скоростью.
Слабый принцип эквивалентности утверждает, что тела разного состава и/или массы падают одинаково в одном и том же гравитационном поле (при условии отсутствия других внешних воздействий, таких как сопротивление воздуха). Эйнштейн сформулировал это в 1907 году как основу общей теории относительности, сделав "инерционную" и "гравитационную" массы эквивалентными. Считается, что Галилей проверил этот принцип с вершины Пизанской башни в Италии, как и астронавт Дэвид Скотт, уронив молоток и перо на поверхность Луны в 1971 году.
С тех пор были проведены многочисленные проверки точности принципа эквивалентности; кульминация наземных экспериментов пришлась на начало 2000-х годов, когда было показано, что ускорения двух падающих объектов идентичны с точностью до нескольких 10-12. Слабый принцип эквивалентности также был протестирован с использованием движения Луны и Земли вокруг Солнца, чтобы повысить точность измерений. Идея тестирования принципа эквивалентности в космической лаборатории была выдвинута в 1970-х годах с целью достижения все большей точности.
Наблюдение принципа эквивалентности действительно противоречит интуиции (здравый смысл подсказывает, что более тяжелый объект падает быстрее, чем более легкий) и иллюстрирует, что гравитация — странная и загадочная сила. Чтобы лучше понять эту силу - и, соответственно, некоторые до сих пор непостижимые аспекты физики, такие как темная материя — физики пытаются проверить равенство между инерционной и гравитационной массами со все большей точностью. Нахождение предела принципа эквивалентности — который равносилен нарушению общей теории относительности — потенциально может привести к новым теориям, объединяющим квантовую и классическую физику.
Именно поэтому в 2000-х годах CNES (Национальный центр космических исследований), ONERA (Национальное бюро аэрокосмических исследований) и OCA (Обсерватория Лазурного берега) разработали спутник MICROSCOPE. Запущенный в 2016 году, спутник в течение двух лет вращался вокруг Земли на высоте 710 км, накапливая пять месяцев научных данных в свободном падении. Проведенный в космосе, эксперимент был свободен от многих систематических неопределенностей, присущих наземным измерениям, таких как шум сейсмических колебаний или вариации гравитационного поля, вызванные близлежащими горами.
В ходе эксперимента два коаксиальных цилиндра из титана и платины были помещены в свободное падение в гравитационном поле Земли; они удерживались в равновесии электростатическими силами, которые корректировали крошечные возмущения на спутнике. Любое отклонение в этих корректирующих силах — показатель, известное как правило Этвёша — указывало бы на то, что два цилиндра падают с немного разными скоростями и, следовательно, нарушается принцип эквивалентности. Измерения проводились с помощью сверхчувствительных дифференциальных электростатических акселерометров, разработанных компанией ONERA и находящихся на борту спутника.
Первые результаты, опубликованные в 2017 году, показали отсутствие расхождений между измерениями с точностью порядка 10-14. Последние результаты, полученные командой, подтвердили, что ускорения двух цилиндров не отличались более чем на одну часть из 1015 (т.е. одну миллиардную) - исключая любое нарушение принципа эквивалентности до этого масштаба. "Помимо замечательных результатов, этот эксперимент подтвердил многие концепции и выявил области для улучшения. Учитывая трудности, с которыми все еще сталкивается фундаментальная физика, этот результат может послужить стимулом для выхода за пределы этого уровня точности", — пишут исследователи.
Эксперимент, который может привести к новым физическим теориям
Этот результат важен, поскольку он накладывает самые жесткие на сегодняшний день ограничения на масштаб, при котором может произойти любое нарушение принципа эквивалентности. Это первое также выявило некоторые улучшения, которые необходимо внести для будущих экспериментов со спутниками - в том числе модернизацию оборудования, включая замену кабелей на бесконтактные устройства и уменьшение "трещин" в покрытиях спутников, которые влияли на измерения.
Физики надеются, что со временем эти высокоточные эксперименты обнаружат нарушения, которые могут привести к новым физическим теориям для объяснения темной материи или темной энергии. "Мы почти уверены, что на каком-то уровне есть нарушение, но трудно предсказать, что это за уровень", — сказал Жиль Метирис, ученый из Обсерватории Лазурного берега и соавтор исследования.
Многие теории в космологии предсказывают существование взаимодействий, которые могут влиять на принцип эквивалентности на различных масштабах Вселенной. Например, некоторые теории, построенные для объяснения темной энергии, предусматривают, что принцип эквивалентности может быть нарушен на орбите вокруг Земли. Ожидается, что следующее поколение экспериментов, таких как STE-QUEST и MICROSCOPE 2, достигнет уровня точности порядка 10-17 и еще больше расширит границы этих теорий.
Однако результаты MICROSCOPE, вероятно, останутся наиболее точными ограничениями для принципа эквивалентности в течение некоторого времени: "По крайней мере, в течение десятилетия, а может быть и двух, мы не увидим никакого улучшения от спутникового эксперимента", — сказал Мануэль Родригес, ученый из ONERA и член команды MICROSCOPE.