Jedna z podstawowych zasad ogólnej teorii względności właśnie przeszła rygorystyczny test przeprowadzony na satelicie

Za pomocą specjalnie zaprojektowanego satelity międzynarodowy zespół naukowców zmierzył przyspieszenie par swobodnie spadających obiektów na orbicie Ziemi. Jest to pierwszy w kosmosie eksperymentalny test dla zasady słabej równoważności. Zespół wykazał z niespotykaną dotąd dokładnością, że dwa obiekty wpadają w próżnię z tą samą prędkością.

Zasada słabej równoważności (PEF) stwierdza, że ​​obiekty o różnym składzie i/lub masie spadają symetrycznie w to samo pole grawitacyjne (zakładając, że nie ma innych wpływów zewnętrznych, takich jak opór powietrza). Został on sformułowany przez Einsteina w 1907 roku jako podstawa ogólnej teorii względności, „inercyjnego” i „grawitacyjnego” równania mas. Galileusz przetestowałby tę zasadę ze szczytu wieży w Pizie we Włoszech, tak jak astronauta David Scott zrzuciłby młot i pióro na Księżyc w 1971 roku.

Od tego czasu przeprowadzono kilka testów dokładności PEF; Eksperymenty naziemne osiągnęły szczyt na początku 2000 roku, pokazując, że przyspieszenia dwóch swobodnie spadających obiektów były identyczne w ciągu kilku 10^-12 blisko. PEF został również przetestowany przez ruch Księżyca i Ziemi wokół Słońca, aby zwiększyć dokładność pomiarów. Pomysł testowania PEF pojawił się w laboratorium kosmicznym w latach 70., mając na celu osiągnięcie jeszcze większej dokładności.

Badanie granic ogólnej teorii względności

Obserwacja PEF jest naprawdę sprzeczna z intuicją (zdrowy rozsądek podpowiada, że ​​cięższy obiekt spadnie szybciej niż lżejszy) i ilustruje, jak dziwna i tajemnicza jest siła grawitacji. Aby lepiej zrozumieć tę siłę – a tym samym niektóre wciąż niezrozumiałe aspekty fizyczne, takie jak ciemna materia – fizycy próbują testować równość mas bezwładności i mas grawitacyjnych z coraz większą precyzją. Znalezienie limitu PEF – który sprowadza się do podkreślenia naruszenia ogólnej teorii względności – może prowadzić do nowych teorii, które jednoczą fizykę kwantową i klasyczną.

Właśnie dlatego Narodowe Centrum Studiów Kosmicznych (CNES), ONERA (Krajowe Biuro Studiów i Badań Kosmicznych) i OCA (Obserwatorium Lazurowego Wybrzeża) opracowały satelitę MIKROSKOP w 2000 roku. Satelita został wystrzelony w 2016 roku, krążył wokół Ziemi przez dwa lata, na wysokości 710 kilometrów i zgromadził pięć miesięcy danych naukowych podczas swobodnego spadania. Eksperyment został przeprowadzony w kosmosie, uwalniając się od wielu niepewności metodologicznych związanych z pomiarami naziemnymi, takich jak szum drgań sejsmicznych czy zmiany pola grawitacyjnego spowodowane przez pobliskie góry.

Eksperyment polegał na umieszczeniu dwóch współosiowych cylindrów z tytanu i platyny w swobodnym spadku w polu grawitacyjnym Ziemi; Utrzymywany był w równowadze siłami elektrostatycznymi, które korygowały drobne zakłócenia na satelicie. Jakiekolwiek odchylenie w tych siłach korekcyjnych – miara znana jako stosunek Eötvösa – wskazywałaby, że dwa cylindry spadały z nieco różnymi prędkościami, a zatem PEF został naruszony. Pomiary wykonano za pomocą ultraczułych różnicowych akcelerometrów elektrostatycznych zbudowanych przez ONERA i znajdujących się na pokładzie satelity.

pierwsze wynikiopublikowany w 2017 roku nie wykrył rozbieżności pomiędzy pomiarami z dokładnością do 10^-14. Najnowsze wyniki uzyskane przez zespół potwierdziły, że przyspieszenie obu cylindrów nie różniło się o więcej niż część na 10 .^15. (tj. jeden na miliard) – co wyklucza jakiekolwiek naruszenie śladu środowiskowego produktu do tej skali. ” Oprócz imponujących wyników eksperyment ten potwierdził walidację kilku koncepcji i zidentyfikował obszary wymagające poprawy. Biorąc pod uwagę wyzwania, przed którymi wciąż stoi podstawowa fizyka, wynik ten może stanowić zachętę do wyjścia poza ten poziom precyzji. „,” pisać badacze.

Eksperyment, który może doprowadzić do powstania nowych teorii fizycznych

To odkrycie jest ważne, ponieważ nakłada najpoważniejsze jak dotąd ograniczenie na skalę, w jakiej może wystąpić jakiekolwiek naruszenie śladu środowiskowego produktu. To pierwsze badanie wskazało również pewne ulepszenia dla przyszłych eksperymentów satelitarnych — w tym modernizację sprzętu, w tym wymianę kabli na urządzenia bezstykowe i redukcję „pęknięć” w powłoce satelity, które wpłynęły na pomiary.

Fizycy mają nadzieję, że te precyzyjne eksperymenty w końcu ujawnią naruszenia, które mogą prowadzić do nowych teorii fizycznych wyjaśniających ciemną materię lub ciemną energię. ” Jesteśmy pewni, że na pewnym poziomie doszło do naruszenia, ale trudno przewidzieć, jaki to poziom. „,” Jill Metris powiedziałanaukowiec z Obserwatorium na Lazurowym Wybrzeżu i współautor badania.

Wiele teorii kosmologicznych przewiduje interakcje, które mogą wpływać na PEF na różnych poziomach wszechświata. Na przykład, niektóre teorie, które zostały ustalone w celu wyjaśnienia ciemnej energii, zakładają, że PEF można przeniknąć podczas orbitowania wokół Ziemi. Następna generacja eksperymentów, takich jak STE-QUEST i MICROSCOPE 2, musi osiągnąć poziom dokładności 10^-17 Przesuwając granice tych teorii trochę dalej.

Jednak jest prawdopodobne, że wyniki MIKROSKOPU pozostaną najdokładniejszymi ograniczeniami PEF przez jakiś czas: Przez dekadę, a może co najmniej dwie dekady nie widzimy żadnej poprawy w doświadczeniach satelitarnych „,” Manuel Rodriguez powiedział:naukowiec z ONERA i członek zespołu MICROSCOPE.

źródło : P. Touboul i wsp., Fizyczne listy kontrolne