Принцип эквивалентности выдержал космическую проверку
Ключевой постулат общей теории относительности подтвердили на орбите: два предмета с разной массой действительно падают с одинаковым ускорением.
Физики всегда критически настроены по отношению к фундаментальным постулатам о том, как устроен мир. Они регулярно проверяют, нельзя ли выявить какие-то отклонения от прописных истин с помощью более продвинутых экспериментов. Эти отклонения позволяют уточнить или подтвердить существующие теории – как в случае опыта, который поставили на французском спутнике MICROSCOPE.
Если коротко, то физики проверяли «на прочность» принцип эквивалентности. Галилео Галилей сформулировал его около 400 лет назад (хотя упоминания о подобных экспериментах уходят ещё глубже в историю), а Альберт Эйнштейн его уточнил. Согласно принципу эквивалентности, гравитационная и инерционная масса любого объекта должны быть равны. Иными словами, если вы находитесь в комнате без окон, то вы не можете определить, находитесь ли вы на поверхности Земли или на борту космического корабля, движущегося с ускорением 1g. Конечно, такой умозрительный эксперимент работает только для достаточно маленькой комнаты, в которой можно пренебречь приливными силами других источников гравитации. Другое проявление этого принципа, на которое обратил внимание и Галилей, и физики до него, заключается в том, что вне зависимости от своей массы и плотности любое тело должно падать на землю с одинаковым ускорением (в вакууме птичье перо и железный шарик падают одинаково быстро). Так вот, эксперимент на орбите подтвердил принцип эквивалентности с точностью до 1/100 триллионной, то есть до 1/1014. Это на порядок лучше того, что получалось на поверхности Земли, когда сравнивали реакцию предметов с различным весом на вращение планеты. Однако окончательная цель эксперимента – улучшить точность более, чем на два порядка.
Собственно эксперимент выполняется с двумя небольшими (несколько сантиметров) концентрическими оболочками цилиндрической формы. Внешняя оболочка сделана из сплава титана с алюминием, а внутренняя – из более плотного сплава платины и родия. Пока спутник вращается вокруг Земли, цилиндры находятся друг в друге в состоянии свободного падения. Электронные сенсоры отслеживают их положение и, если нужно, «подталкивают» цилиндры с помощью электричества, чтобы они сохраняли определенную взаимную ориентацию. Напряжение, которое прикладывается к каждому цилиндру, чтобы сохранить его положение, сигналит о том, как ведут себя цилиндры. Если один из них будет падать быстрее, то и напряжение для удержания его на месте должно увеличиться, что свидетельствовало бы о нарушении принципа эквивалентности.
На сегодняшний день Физики из Франции, Германии, Голландии и Великобритании, которые участвуют в данном эксперименте, не нашли отклонений от принципа эквивалентности, хотя спутник успел обогнуть Землю более 1500 раз. Иными словами, ключевой постулат общей теории относительности прошел проверку космосом: два предмета с разной массой действительно падают с одинаковым ускорением. Эксперимент должен завершиться в следующем году – к тому времени MICROSCOPE сделает еще около 900 пролетов орбиты, и таким образом точность эксперимента вырастет до одной квадриллионной (1015).
Несмотря на высокую точность измерений, исследователи хотят поднять чувствительность ещё выше на случай появления чего-то нового – как это часто бывает с фундаментальной наукой, «мы ничего не можем сказать точно, пока не достигнем намеченного результата». Следующий шаг здесь – повышение точности ещё на два порядка. Для этого итальянские физики предлагают запустить новый спутник с говорящим названием «Галилео Галилей». Он должен быстро вращаться вокруг своей оси, чтобы исключить погрешности от более медленных эффектов (гравитационного воздействия Луны, например). Исследователи из Стэнфордского университета* предлагают идею другого спутника, точность измерения принципа эквивалентности в котором должна достигать 1/1018 за счёт криогенного снижения шумов в электронике – охлаждение системы до температуры жидкого азота должно «убить» тепловые эффекты почти полностью. Впрочем, сами физики признают, что хотя такие космические эксперименты весьма просты, деньги на них найти не так легко: скажем, на запуск MICROSCOPE и проведение эксперимента на нем потребовалось около 200 000 евро. С другой стороны, не будем забывать, что подобные исследования имеют и практическое значение: отработанные методы высокоточного контроля спутника и объектов на нём пригодятся при подготовке других космических миссий.
*Деятельность Stanford University («Стенфордский Университет») признана нежелательной на территории РФ.
