Гравитационный эксперимент Галилея воссоздается в космосе

Самый известный эксперимент Галилея совершил поездку в космос. Результат? Эйнштейн снова был прав. Эксперимент подтверждает принцип теории тяжести Эйнштейна с большей точностью, чем когда-либо прежде.

Согласно научным знаниям, Галилей сбросил два шара с Пизанской башни, чтобы показать, что они падают с одинаковой скоростью независимо от их состава. Хотя маловероятно, что Галилей действительно провел этот эксперимент, ученые провели аналогичный, но гораздо более чувствительный эксперимент на спутнике, вращающемся вокруг Земли.

Два полых цилиндра внутри спутника упали с одинаковой скоростью, сообщают исследователи с докладом о эксперименте MICROSCOPE 4 декабря в Physical Review Letters. Ускорения цилиндров совпадают в пределах двух триллионов процентов.

Результат подтверждает основу общей теории относительности Эйнштейна, известной как принцип эквивалентности. Этот принцип гласит, что инерционная масса объекта, которая устанавливает силу, необходимую для ее ускорения, равна его гравитационной массе, которая определяет, как объект реагирует на гравитационное поле.

В результате предметы падают с одинаковой скоростью — по крайней мере, в вакууме, где сопротивление воздуха устраняется — даже если они имеют разные массы или изготовлены из разных материалов.

Результат «фантастический», говорит физик Стефан Шламмингер из OTH Regensburg в Германии, который не участвовал в исследовании. «Просто здорово иметь более точное измерение принципа эквивалентности, потому что это один из самых фундаментальных принципов тяжести».

На спутнике, который все еще собирает дополнительные данные, полый цилиндр, изготовленный из платинового сплава, центрируется внутри полого цилиндра из титанового сплава.

Согласно стандартной физике, гравитация должна приводить к тому, что цилиндры будут падать с одинаковой скоростью, несмотря на их различные массы и материалы. Однако нарушение принципа эквивалентности может сделать одно падение несколько быстрее, чем другое.

По мере того, как эти два объекта падают по своей орбите вокруг Земли, спутник использует электрические силы, чтобы удерживать пару. Если принцип эквивалентности не соблюдался, корректировки, необходимые для поддержания цилиндра в линии, будут варьироваться с регулярной частотой, привязанной к скорости, с которой спутник вращается и вращается.

«Если мы увидим какую-либо разницу в ускорении, это будет сигнатурой нарушения» принципа эквивалентности, говорит исследователь MICROSCOPE Мануэль Родригес из французской аэрокосмической лаборатории ONERA в Палесо. Но никакого намека на такой сигнал не было найдено.

В 10 раз точность предыдущих тестов, результат «очень впечатляет», говорит физик Йенс Гундлах из Вашингтонского университета в Сиэтле. Но, отмечает он, «результаты все еще не столь точны, как то, что я думаю, что они могут выбраться из спутникового измерения».

Выполнение эксперимента в космосе устраняет некоторые подводные камни современных методов оценки эквивалентности наземных оснований, таких как поток подземных вод, изменяющий массу окружающего ландшафта. Но изменения температуры в спутнике ограничили, насколько ученые смогли подтвердить принцип эквивалентности, поскольку эти изменения могут привести к расширению или сокращению частей устройства.

Конечная цель MICROSCOPE — превзойти другие измерения в 100 раз, сравнивая ускорения цилиндров, чтобы увидеть, соответствуют ли они в пределах десятой доли триллиона процентов. С дополнительными данными, которые еще предстоит проанализировать, ученые все еще могут достичь этой отметки.

Подтверждение принципа эквивалентности не означает, что все хорошо в теории гравитации. Ученые до сих пор не знают, как сочетать общую теорию относительности с квантовой механикой.

«Две теории, похоже, очень разные, и люди хотели бы объединить эти две теории, — говорит Родригес. Но некоторые попытки сделать это предсказывают нарушения принципа эквивалентности на уровне, который еще не обнаружен. Вот почему ученые считают, что принцип эквивалентности стоит проверять на все более высокую точность, даже если это означает отправку экспериментов в космос.