Принцип общей теории относительности прошел самое строгое испытание

Ключевой принцип общей теории относительности Эйнштейна только что прошел самую строгую проверку. С помощью специально разработанного спутника международная группа ученых измерила ускорения пар свободно падающих объектов на орбите Земли.

Результаты, основанные на данных за пять месяцев, показали, что ускорения не отличались более чем на одну часть в 10¹⁵, что исключало любые нарушения принципа слабой эквивалентности вплоть до этой шкалы.

Принцип слабой эквивалентности относительно прост для наблюдения, согласно ему все объекты одинаково ускоряются в одном и том же гравитационном поле, когда на них не действует никакое другое влияние, независимо от их массы или состава.

Пожалуй, самый драматический эффект был продемонстрирован в 1971 году, когда астронавт Дейв Скотт одновременно уронил молоток и перо с одной высоты, стоя на Луне. Без сопротивления воздуха, замедляющего перо, два объекта упали на поверхность Луны с одинаковой скоростью.

Новый эксперимент, названный MICROSCOPE, был несколько более строгим, чем демонстрация Дейва Скотта. В нем участвовал спутник, вращавшийся вокруг Земли по орбите с 25 апреля 2016 года до деактивации 18 октября 2018 года.

За это время команда ученых провела несколько экспериментов с подвешенными в свободном падении массами, предоставив в общей сложности данные за пять месяцев. Две трети этих данных касались пар пробных масс разного состава, сплавов титана и платины. Оставшаяся треть включала в себя эталонную пару гирь того же платинового состава.

Экспериментальное оборудование использовало электростатические силы, чтобы удерживать две испытательные массы в одном и том же положении относительно друг друга. Если бы была какая-либо разница в ускорении — показатель, известный как коэффициент Этвеша, — оборудование регистрировало бы изменения электростатических сил, удерживающих массы на месте.

Ранние результаты, опубликованные в 2017 году, были многообещающими: они не обнаружили нарушения принципа слабой эквивалентности вплоть до параметра Этвеша, равного −1±9 x 10 ⁻¹⁵ . Однако спутник все еще работал и производил данные, а это означало, что работа не была завершена. Полный набор данных закрепляет эти ранние результаты, ограничивая параметр Этвеша значением 1,1 x 10 ^-15 .

На сегодняшний день это самая жесткая граница принципа слабой эквивалентности, и вряд ли она будет превышена в ближайшее время.

Это означает, что ученые могут продолжать полагаться на общую теорию относительности с большей уверенностью, чем когда-либо, и накладывать новые ограничения на пересечение общей теории относительности и квантовой механики — двух режимов, действующих по разным правилам.

«У нас есть новые и гораздо лучшие ограничения для любой будущей теории, потому что эти теории не должны нарушать принцип эквивалентности на этом уровне», — объясняет астроном Жиль Метрис из обсерватории Лазурного Берега во Франции.

Это впечатляющий результат, учитывая, что оборудование, предназначенное для работы в условиях микрогравитации околоземной орбиты, не удалось проверить перед запуском. Теперь, когда проект MICROSCOPE успешно завершен, команда может использовать результаты для разработки еще более строгого теста.

Такие тесты помогут исследовать ограничения общей теории относительности, которая описывает гравитацию в физическом пространстве-времени. Однако в атомном и субатомном масштабе общая теория относительности не работает, и на смену ей приходит квантовая механика.

Ученые уже давно пытаются устранить различия между ними. Выяснение того, где именно общая теория относительности не работает, может быть одним из способов сделать это.

Теперь ученые знают, что различие не происходит до одной части на 10 ¹⁵ для слабой эквивалентности. Конкретные улучшения, которые могут быть внесены в следующую итерацию спутника, могут снизить его до уровня одной части в 10 ¹⁷. Однако для этого потребуется некоторое время.

«По крайней мере, одно десятилетие или, может быть, два, мы не увидим никаких улучшений в экспериментах с космическими спутниками», — говорит инженер-физик Мануэль Родригес из Французского национального центра аэрокосмических исследований (ONERA).

Исследование было опубликована в Physical Review Letters и в специальном выпуске Classical and Quantum Gravity.