Представлено найточнішу перевірку ключового компонента загальної теорії відносності
Нові дослідження на основі тривалого аналізу даних експерименту представили найточнішу перевірку слабкого принципу еквівалентності, ключового компонента ЗТВ Ейнштейна.
Про це розповідають в в Американському фізичному товаристві, передають OstanniPodii.com.
Дослідження були опубліковані у Physical Review Letters та спеціальному випуску журналу Classical and Quantum Gravity від 14 вересня.
У роботі описуються остаточні результати місії MICROSCOPE, яка перевірила принцип експериментально, шляхом вимірювання прискорень об'єктів у вільному падінні на супутнику, що обертається навколо Землі. Команда виявила, що прискорення пар об'єктів відрізнялися не більше, ніж приблизно на одну частину з 10^15 (десять у п’ятнадцятій степені), що виключає будь-які порушення слабкого принципу еквівалентності або відхилення від поточного розуміння загальної теорії відносності на цьому рівні.
“Ми маємо нові та набагато кращі обмеження для будь-якої майбутньої теорії, тому що ці теорії не повинні порушувати принцип еквівалентності на цьому рівні”, - говорить Жиль Метріс, науковець з Обсерваторії Лазурного берега та член команди MICROSCOPE.
Слабкий принцип еквівалентності
Загальна теорія відносності, опублікована Альбертом Ейнштейном у 1915 році, описує, як працює гравітація та як вона пов'язана з часом і простором. Але оскільки вона не враховує спостереження квантових явищ, дослідники шукають відхилення від теорії при зростанні рівнів точності та в різноманітних ситуаціях. Такі порушення могли б підказати нові взаємодії або сили, які могли б об'єднати теорію відносності з квантовою фізикою. Перевірка слабкого принципу еквівалентності (СПЕ) є одним зі способів пошуку потенційних розширень загальної теорії відносності.
Згідно з СПЕ, об'єкти в гравітаційному полі падають однаково, коли на них не діють інші сили, навіть якщо вони мають різну масу або склад. Щоб перевірити цей принцип, команда MICROSCOPE розробила свій експеримент для вимірювання співвідношення Еетвоса, яке пов'язує прискорення двох об'єктів у вільному падінні з надзвичайно високою точністю. Якщо прискорення одного об'єкта відрізняється від прискорення іншого більш ніж на одну частину з 10^15, експеримент виміряє це та виявить це порушення СПЕ.
Вимірювання та тривалий аналіз даних
Для вимірювання співвідношення Еетвоса дослідники відстежували прискорення тестових мас з платинового та титанового сплавів на орбіті Землі в супутнику MICROSCOPE. Експериментальний прилад використовував електростатичні сили для утримання пар тестових мас в однаковому положенні одна відносно одної та шукав різницю потенціалів цих сил, яка б вказувала на різницю в прискореннях об'єктів.
Основним викликом експерименту був пошук способів випробування приладу на землі, щоб переконатися, що він працюватиме так, як задумано, у космосі.
“Складність полягає в тому, що інструмент, який ми запускаємо, не може працювати на землі”, - каже Мануель Родрігес, науковець французької аерокосмічної лабораторії ONERA та член команди MICROSCOPE. “Тож це свого роду сліпий тест”.
Після того, як інструмент був готовий, команда запустила його у 2016 році. Вони опублікували попередні результати у 2017 році, але продовжили аналізувати дані, враховуючи збої та систематичні невизначеності, після того, як місія закінчилася у 2018 році. Зрештою, вони не знайшли жодного порушення СПЕ, встановивши найсуворіші обмеження цього принципу.
Попереду можливі точніші випробування ПСЕ
Робота команди прокладає шлях до ще більш точних випробувань СПЕ за допомогою супутникових експериментів. Їх аналіз включає способи вдосконалення експериментальної установки, такі як зменшення тріщин в покритті супутників, які впливали на вимірювання прискорення, а також заміна проводів в установці на безконтактні пристрої. Супутниковий експеримент, який реалізує ці модернізації, повинен бути в змозі виміряти потенційні порушення ПСЕ на рівні однієї частини на 10^17, кажуть дослідники. Але результати MICROSCOPE, ймовірно, деякий час залишатимуться найбільш точними обмеженнями на СПЕ.
“Принаймні протягом одного десятиліття, а може і двох, ми не побачимо ніякого поліпшення з експериментом з космічними супутниками”, - зазначив Родрігес.