Einšteinas vėl laimi: kosminis palydovas patvirtina silpną lygiavertiškumo principą


Egzistuoja sena tradicija eksperimentiškai išbandyti silpnojo ekvivalentiškumo principą – Alberto Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos pagrindą.
Padidinti / Egzistuoja sena tradicija eksperimentiškai išbandyti silpnojo ekvivalentiškumo principą – Alberto Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos pagrindą.

GERAI

Viena iš labiausiai priešingų intuityvių sąvokų fizikoje yra ta, kad visi objektai krinta tuo pačiu greičiu, nepriklausomai nuo masės, t. lygiavertiškumo principas. Tai įsimintinai iliustravo 1971 m. NASA Apollo 15 astronautas Davidas Scottas per mėnulio pasivaikščiojimą. Jis nukrito Sakalo plunksna ir plaktukas vienu metu per tiesioginį televizijos kanalą, o du objektai vienu metu trenkėsi į purvą.

Yra sena tradicija eksperimentiškai išbandyti silpnojo ekvivalentiškumo principą, kuris yra Alberto Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos pagrindas. Atliekant bandymą po bandymo daugelį amžių, lygiavertiškumo principas išliko tvirtas. O dabar MIKROSKOPAS (MICROSatellite pour l’Observation de Principe d’Equivalence) misija pasiekė iki šiol tiksliausią lygiaverčio principo testą, dar kartą patvirtindamas Einšteiną, į naujausias popierius paskelbtas žurnale Physical Review Letters. (Papildomi susiję straipsniai pasirodė specialiame klasikinės ir kvantinės gravitacijos numeryje.)

Testavimas, 1,2,3

Jonas Filoponas, VI amžiaus filosofas, pirmasis tvirtino, kad greitis, kuriuo objektas kris, neturi nieko bendra su jo svoriu (mase), ir vėliau, maždaug po 900 metų, padarė didelę įtaką Galileo Galilei. Manoma, kad Galilėjus numetė įvairios masės patrankų sviedinius nuo garsiojo Italijos Pizos bokšto, tačiau istorija tikriausiai yra apokrifinė.

Galilėjus padarė ridenti rutulius žemyn nuožulniomis plokštumomis, o tai užtikrino, kad rutuliai riedėtų daug mažesniu greičiu, todėl jų pagreitį buvo lengviau išmatuoti. Kamuoliukai buvo panašaus dydžio, tačiau vieni buvo pagaminti iš geležies, kiti iš medžio, todėl jų masė skyrėsi. Pranešama, kad neturėdamas tikslaus laikrodžio, „Galileo“ kamuoliukų judėjimo laiką nustatė pulsu. Ir, kaip ir Filoponas, jis pastebėjo, kad nesvarbu, koks būtų nuolydis, rutuliai judės tuo pačiu pagreičio greičiu.

Vėliau Galilėjus patobulino savo požiūrį naudodamas švytuoklės aparatą, kuris apėmė skirtingos masės, bet vienodo ilgio švytuoklių svyravimo periodo matavimą. Šį metodą taip pat pamėgo Izaokas Niutonas apie 1680 m., o vėliau, 1832 m., Friedrichas Beselis, kurie abu labai pagerino matavimų tikslumą. Niutonas taip pat suprato, kad principas taikomas ir dangaus kūnams, apskaičiavus, kad Žemė ir Mėnulis, taip pat Jupiteris ir jo palydovai krenta link Saulės tokiu pačiu greičiu. Žemė turi geležies šerdį, o Mėnulio šerdį daugiausia sudaro silikatai, o jų masės yra gana skirtingos. Vis dėlto NASA Mėnulio nuotolio matavimo lazeriu eksperimentai patvirtino Niutono skaičiavimus: jie iš tiesų krinta aplink Saulę tokiu pačiu greičiu.

XIX amžiaus pabaigoje vengrų fizikas Lorándas Eötvösas sujungė švytuoklės metodą su sukimo balansu, kad sukurtų sukimo švytuoklę ir panaudojo jį dar tikslesniam lygiavertiškumo principo testui atlikti. Ta paprasta tiesi lazda pasirodė pakankamai tiksli, kad būtų galima dar tiksliau patikrinti lygiavertiškumo principą. Torsioniniai svarstyklės taip pat buvo naudojamos vėlesniuose eksperimentuose, pavyzdžiui, 1964 m., kai kaip bandomoji masė buvo naudojami aliuminio ir aukso gabaliukai.

Palydovinės misijos MICROSCOPE iliustracija.
Padidinti / Palydovinės misijos MICROSCOPE iliustracija.

CNES

Einšteinas citavo Eötvöso eksperimentą, patvirtinantį lygiavertiškumo principą savo 1916 m. straipsnyje, kuriame išdėstė jo bendrosios reliatyvumo teorijos pagrindus. Tačiau bendroji reliatyvumo teorija, nors ji gana gerai veikia makroskalėje, sugenda subatominėje skalėje, kur įsigali kvantinės mechanikos taisyklės. Taigi fizikai ieškojo lygiavertiškumo pažeidimų tose kvantinėse skalėse. Tai būtų potencialios naujos fizikos, kuri galėtų padėti sujungti jas į vieną didelę teoriją, įrodymas.

Vienas iš būdų patikrinti lygiavertiškumą kvantine skale yra materijos bangos interferometrijos naudojimas. Tai susiję su klasikiniu Michaelson-Morley eksperimentu, kuriuo bandoma aptikti Žemės judėjimą per terpę, vadinamą šviečiančiu eteriu, kurį fizikai tuo metu manė persmelkusią erdvę. XIX amžiaus pabaigoje Thomas Youngas naudojo tokį instrumentą už jo garsųjį dvigubo plyšio eksperimentą, skirtą patikrinti, ar šviesa yra dalelė, ar banga, ir, kaip dabar žinome, šviesa yra ir viena, ir kita. The tas pats pasakytina ir apie materiją.

Ankstesni eksperimentai, naudojant materijos bangų interferometriją, matavo dviejų to paties atominio elemento izotopų laisvą kritimą, veltui tikintis aptikti nedidelius skirtumus. 2014 m. fizikų komanda manė, kad galbūt nėra pakankamo skirtumo tarp jų kompozicijų, kad būtų pasiektas didžiausias jautrumas. Taigi jie naudojami izotopai tų eksperimentų versijoje yra skirtingų elementų, būtent rubidžio ir kalio atomų. Lazerio impulsai užtikrino, kad atomai nukrito dviem skirtingais keliais prieš rekombinuodami. Tyrėjai stebėjo signalinių trukdžių modelį, rodantį, kad lygiavertiškumas vis dar yra 1 dalis iš 10 mln.