Одне з основних припущень фундаментальної фізики полягає в тому, що різні властивості маси — вага, інерція та гравітація — завжди залишаються незмінними по відношенню одна до одної. Без цієї еквівалентності теорія відносності Ейнштейна суперечила б, а наші нинішні підручники фізики довелося б переписати. Хоча всі вимірювання на сьогодні підтверджують принцип еквівалентності, квантова теорія постулює, що має бути порушення.
Ця невідповідність між гравітаційною теорією Ейнштейна та сучасною квантовою теорією є причиною особливої важливості дедалі точніших перевірок принципу еквівалентності. Групі з Центру прикладних космічних технологій і мікрогравітації (ZARM) Бременського університету у співпраці з Інститутом геодезії (IfE) Ганноверського університету імені Лейбніца тепер вдалося довести зі 100 разів більшою точністю, що пасивна гравітаційна маса й активна гравітаційна маса завжди еквівалентна — незалежно від конкретного складу відповідних мас.
Дослідження проводилося в рамках Кластеру передового досвіду «QuantumFrontiers». Сьогодні команда опублікувала свої висновки як важливу статтю в Physical Review Letters .
Фізичний контекст
Інерційна маса чинить опір прискоренню. Наприклад, це призводить до того, що вас штовхає назад на ваше сидіння, коли автомобіль заводиться. Пасивна гравітаційна маса реагує на силу тяжіння і призводить до нашої ваги на Землі. Активна гравітаційна маса належати до сили тяжіння, яку чинить об’єкт, або, точніше, до розміру його гравітаційного поля.
Еквівалентність цих властивостей є фундаментальною для загальної теорії відносності. Тому як еквівалентність інертної та пасивної гравітаційної маси, так і еквівалентність пасивної та активної гравітаційної маси перевіряються з дедалі більшою точністю.
Про що було дослідження?
Якщо ми припустимо, що пасивна та активна гравітаційні маси не рівні — що їх співвідношення залежить від матеріалу, — тоді об’єкти, зроблені з різних матеріалів з різним центром мас, прискорюватимуться. Оскільки Місяць складається з алюмінієвої оболонки та залізного ядра, центри мас яких зміщені один відносно одного, Місяць повинен прискорюватися. Ця гіпотетична зміна швидкості може бути виміряна з високою точністю за допомогою «Лазерної локації Місяця».
Це передбачає наведення лазерів із Землі на рефлектори на Місяці, розміщені там місіями «Аполлон» і радянською програмою «Місяць». Відтоді реєструється час проходження лазерних променів туди й назад. Дослідницька група проаналізувала дані «Лазерної локації Місяця», зібрані протягом 50 років, з 1970 по 2022 рік, і дослідила такі ефекти різниці мас.
Оскільки ефекту не виявлено, це означає, що пасивна та активна гравітаційні маси дорівнюють приблизно 14 знакам після коми. Ця оцінка в сто разів точніша за найкраще попередні дослідження, датовані 1986 роком.
Інститут геодезії LUH — один із чотирьох центрів у всьому світі, які аналізують лазерні вимірювання відстані до Місяця — має унікальний досвід в оцінці даних, зокрема для перевірки загальної теорії відносності. У поточному дослідженні інститут проаналізував вимірювання місячної лазерної локації, включаючи аналіз помилок та інтерпретацію результатів. Джерело