Базовый принцип теории относительности выдержал новую строгую проверку

Если пренебречь сопротивлением воздуха, то предметы падают на Землю с одинаковой скоростью. Впервые это доказал еще Галилей, а Эйнтшейн вывел из таких опытов принцип эквивалентности инерции и массы, который лег в основу Общей теории относительности. Как и другие выкладки Эйнштейна, принцип эквивалентности то и дело подвергается экспериментальным проверкам, но каждый раз с успехом выдерживает их. Так произошло и теперь: грузы, находившиеся в свободном падении на околоземной орбите более двух лет, двигались совершенно одинаково. Результаты опытов на борту спутника MICROSCOPE опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Напомним, что Общая теория относительности (ОТО) описывает тяготение как проявление геометрии пространства-времени. В основе этой теории лежит эквивалентность сил гравитации и инерции. Для иллюстрации принципа сам Эйнштейн предлагал представить лифт, который находится далеко от каких-либо притягивающих тел, но движется с ускорением, либо же стоит, но во внешнем гравитационном поле. В обоих случаях все предметы в лифте будут обладать весом, давить на опору или растягивать подвес. Отличить, что именно на них влияет, – ускорение или тяготение, – невозможно.

Впервые проверке слабый принцип эквивалентности подверг, еще сам того не понимая, Галилео Галилей. По легенде, он сбрасывал сделанные из разных материалов сферы с Пизанской башни, чтобы доказать, что скорость падения не зависит от их массы. Историки науки полагают, что в действительности эксперименты Галилея выглядели совершенно иначе, и башня ему даже не понадобилась. Однако ученые продолжают подобные опыты до сих пор, измеряя падение с такой точностью, о которой не задумывались ни Галилей, ни Эйнштейн.

Пара тестовых камер эксперимента T-SAGE / ©Sébastien Girard, CNES

Очередной проверкой принципа эквивалентности стали тесты, проведенные на борту французского космического аппарата MICROSCOPE. 300-килограммовый спутник был запущен в 2016 г. специально для проведения таких опытов и закончил работу через два года. Ключевым для миссии стал эксперимент T-SAGE (Twin-Space Accelerometer for Gravity Experiment), в ходе которого с огромной точностью измерялись позиции двух «гирек», цилиндрических грузов, двигавшихся со спутником вокруг Земли. С точки зрения ОТО, такое движение эквивалентно свободному падению, и если бы за пару лет грузы сместились хоть на йоту по-разному, сверхточные акселерометры заметили бы это отличие.

Для эксперимента использовались грузы – полые 300-граммовые платиново-родиевые цилиндры, вложенные в 400-граммовые полые цилиндры из титанового сплава. Кроме того, аналогичные измерения проводились еще одним идентичным акселерометром для пары цилиндров одинакового состава, платиново-родиевых. Грузы удерживались в герметичной защитной камере за счет электростатических сил и многие месяцы свободно падали, двигаясь вместе со спутником MICROSCOPE по околоземной орбите высотой более 700 км.

Результат этой работы оказался тем же, что и некогда у Галилея: никакой разницы в движении между грузами не накопилось. Правда, точность этих измерений не идет ни в какое сравнение с опытами итальянского классика. По оценкам физиков, она в сотни раз выше всего, чего можно было бы добиться на Земле даже с помощью современных инструментов. Впрочем, даже она может оказаться не окончательной: возможно, принцип эквивалентности нарушается, но на масштабе, незаметном даже для MICROSCOPE. Поэтому на 2030-е уже запланирована новая орбитальная миссия MICROSCOPE-2, которая еще на два порядка повысит точность измерений в том же классическом опыте с падающими телами.