Эйнштейн прав: эксперимент со спутником подтверждает, что гравитация одинаково влияет на объекты разной массы. Этот принцип эквивалентности лежит в основе общей теории относительности Эйнштейна и поэтому считается краеугольным камнем классической физики. Спутник MICROSCOPE впервые доказывает свою достоверность с точностью до десятимиллиардных долей, что делает его более точным и далеко идущим, чем когда-либо прежде.
Галилео Галилей подозревал это около 400 лет назад, Исаак Ньютон впервые сформулировал его, а Альберт Эйнштейн сделал его краеугольным камнем своей общей теории относительности: принцип эквивалентности. В соответствии с этим гравитация действует на все объекты одинаково - независимо от их массы или состава. Если бы не сопротивление воздуха, свинцовый шар упал бы на землю так же быстро, как перышко. Поэтому также говорят об «универсальности свободного падения».
Барьер между квантовой и классической физикой
Но есть проблема: в квантовой физике происходят процессы, не совместимые с этим принципом классической физики. «Принцип эквивалентности отличает гравитацию от всех других сил природы, описанных в Стандартной модели физики элементарных частиц», - объясняет Анна Нобили из Пизанского университета. «Это как раз основная проблема, которая до сих пор мешала двум теориям объединиться в единое физическое мировоззрение».
Однако эта дилемма может быть решена, если принцип эквивалентности не является универсальным.«Если бы вы доказали нарушение этого принципа, это имело бы тот же смысл, что и открытие совершенно новой силы в природе», - говорит Нобили. Поэтому в многочисленных экспериментах исследователи уже пытались найти минимальные отклонения в свободном падении объектов разной массы - пока, впрочем, тщетно.
Испытательные грузы в свободном падении
Нобили и ее коллеги провели самое точное на сегодняшний день сравнение с французским микроспутником MICROSCOPE. Он вращается вокруг Земли по солнечно-синхронной низкой околоземной орбите с апреля 2016 года и несет на себе две цилиндрические пробные массы. Один сделан из более легкого сплава титана и алюминия, другой из более тяжелого сплава платины и родия. Чрезвычайно чувствительные датчики ускорения регистрируют каждое движение этих двух цилиндров.
Если применяется принцип эквивалентности, то все силы ускорения должны оказывать одинаковое воздействие на обе испытуемые массы. Однако если бы один цилиндр реагировал сильнее, чем другой, это указывало бы на нарушение принципа эквивалентности. Спутник уже совершил более 1900 витков, и исследователи получили первые данные.
Эйнштейн прав - пока
Результат: даже с помощью этого самого точного на сегодняшний день измерения исследователи не смогли продемонстрировать каких-либо отклонений в поведении масс. Измерения подтверждают с точностью до десяти квадриллионных (10 в степени -14), что универсальность свободного падения не нарушена. Это значение в десять раз точнее, чем все предыдущие измерения.
Таким образом, принцип эквивалентности Эйнштейна также прошел этот самый строгий тест с честью.«Этот результат имеет большое значение для физики и, безусловно, приведет к пересмотру альтернативных теорий», - комментирует Пьер Тубуль, научный руководитель миссии французского космического агентства CNES.
Но этот результат не исключает, что где-то есть расхождения. Поэтому поиски физиками нарушения принципа эквивалентности продолжаются. В ходе дальнейших витков миссия MICROSCOPE должна достичь десятичной точности в -15 степени - это будет в сто раз лучше, чем все наземные измерения. Однако уже есть планы на дальнейшие спутники, которые будут искать расхождения немного другим методом.