Ключевой принцип общей теории относительности только что прошел самое строгое испытание
Основной принцип общей теории относительности Эйнштейна только что прошел самую строгую проверку.
Используя специально сконструированный спутник, международная группа ученых измерила ускорение пар свободно падающих объектов в Орбита Земли. Результаты, основанные на данных за пять месяцев, показали, что ускорение не отличалось более чем на одну часть от 1015, что исключает любые нарушения принципа слабой эквивалентности вплоть до этой шкалы.
Принцип слабой эквивалентности относительно прост для наблюдения, согласно которому все объекты ускоряются одинаково в одном и том же гравитационном поле, когда на них не действует никакое другое влияние, независимо от их массы или состава.
Возможно, это было наиболее известно. драматический эффект продемонстрирован в 1971 году, когда астронавт Дэйв Скотт уронил молоток и перо одновременно с той же высоты, стоя на Луне. Без сопротивления воздуха, замедляющего перо, два объекта упали на поверхность Луны с одинаковой скоростью.
Новый эксперимент, названный МИКРОСКОП и возглавляемый покойным физиком Пьером Тубулем, был несколько более строгим, чем демонстрация Скотта. В нем участвовал спутник, вращавшийся вокруг Земли по орбите с 25 апреля 2016 г. до деактивации 18 октября 2018 г.
За это время команда провела несколько экспериментов с использованием масс, подвешенных в свободном падении, что в общей сложности дало данные за пять месяцев. Две трети этих данных касались пар пробных масс разного состава, сплавов титана и платины. В оставшейся трети использовалась пара эталонных гирь того же платинового состава.
Экспериментальное оборудование использовало электростатические силы, чтобы удерживать две испытуемые гири в одном и том же положении относительно друг друга. Если бы была какая-либо разница в ускорении — показателе, известном как коэффициент Этвеша, — оборудование регистрировало бы изменения электростатических сил, удерживающих массы на месте.
Ранние результаты, опубликованные в 2017 году, были многообещающими, не обнаруживая нарушений. слабого принципа 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 Этвёша значением 1,1 x 10−15.
Это самая жесткая граница принципа слабой эквивалентности на сегодняшний день, и вряд ли она будет скоро превысил. 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, которые действуют 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 аппаратура, предназначенная для работы в условиях микрогравитации околоземной орбиты, не могла быть испытана перед запуском. Теперь, когда проект MICROSCOPE успешно завершен, команда может использовать результаты для разработки еще более строгого теста.
Эти тесты помогут исследовать ограничения общей теории относительности, модели, описывающей гравитацию в физическом пространстве. -время. 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. Одним из способов может быть точное определение того, где нарушается общая теория относительности.
Теперь мы знаем, что это нарушение не происходит до одной части из 1015 для слабой эквивалентности. Конкретные улучшения, которые можно внести в следующую итерацию спутника, могут снизить его до уровня одной части из 1017. Однако для этого потребуется некоторое время.
«По крайней мере, одно десятилетие или, может быть, два, мы не видим никаких улучшений в экспериментах с космическими спутниками», – говорит инженер-физик Мануэль Родригес из Французский национальный центр аэрокосмических исследований (ONERA).
Но мы подозреваем, что этих результатов будет вполне достаточно, чтобы на данный момент с ними работать.
Невероятная работа команды была опубликована в Physical Review Letters и специальный выпуск журнала Classical and Quantum Gravity.
