Misja MICROSCOPE przetestowała słabą zasadę równoważności na swobodnie spadających obiektach w satelicie.

Naukowcy wykazali, że ogólna teoria względności (OTW) Einsteina jest poprawna z niezwykłą dokładnością, mimo że istnieje od ponad wieku.

Zespół odpowiedzialny za badania chciał przetestować element ogólnej teorii względności Einsteina, zwany słabą zasadą równoważności, według której wszystkie obiekty, niezależnie od ich masy lub tego, z czego są zrobione, w momencie, gdy wszelkie zakłócenia, chociażby takie jak ciśnienie powietrza, są eliminowane, powinny spadać swobodnie w ten sam sposób w określonym polu grawitacyjnym. W tym celu naukowcy zmierzyli przyspieszenie swobodnie spadających obiektów we francuskim satelicie MICROSCOPE, który został wystrzelony w 2016 roku.

Jeden z najsłynniejszych testów słabej zasady równoważności miał miejsce podczas spaceru księżycowego Apollo 15, kiedy astronauta David Scott upuścił jednocześnie pióro i młot geologiczny. Bez oporu powietrza oba obiekty spadały na powierzchnię Księżyca w tym samym tempie. Podobnie, MICROSCOPE posiada swobodnie spadające masy testowe wykonane ze stopów platyny i tytanu. Siły elektrostatyczne utrzymują masy testowe w równej odległości względem siebie, więc jakakolwiek wygenerowana różnica w tych odległościach musiałaby być wynikiem odchyleń w przyspieszeniach obiektów.

Eksperyment MICROSCOPE przygotowany do sprawdzenia OTW Einsteina.

Wyniki zespołu, które są zwieńczeniem 20 lat badań, wykazały, że przyspieszenie w zestawach obiektów podczas swobodnego spadania różniło się o nie więcej niż 1 część na 10^15, czyli 0,000000000000001, co oznacza, że ​​nie zauważono większych naruszeń zasady równoważności.

Poza nałożeniem ograniczeń na odchylenia w słabej zasadzie równoważności, odkrycia te również niekorzystnie wpływają na wszelkie odchylenia w teorii grawitacji Einsteina z 1915 roku, ogólnej teorii względności. Naukowcy nadal szukają takich odchyleń, ponieważ ogólna teoria względności, obecnie najlepszy opis grawitacji, nie współgra z fizyką kwantową, najlepszym modelem rzeczywistości w bardzo małej skali. Brak oznak odchylenia oznacza zatem, że nadal nie ma możliwości na rozwinięcie ogólnej teorii względności, która mogłaby wypełnić lukę w fizyce kwantowej.

MICROSCOPE wystartował w kwietniu 2016 r., a personel misji opublikował wstępne wyniki rok później. Praca nad analizą danych była kontynuowana nawet po zakończeniu eksperymentu w 2018 r.

Fakt, że nowe badania nie wykazały naruszenia słabej zasady równoważności, nakłada największe jak dotąd ograniczenia na ten element ogólnej teorii względności, a wyniki są podstawą pod jeszcze bardziej dokładne testy w przyszłości.

Artystyczna wizja misji MICROSCOPE.

Dzieje się tak, ponieważ naukowcy sformułowali teorię, w jaki sposób można ulepszyć zastosowany przez nich eksperymentalny układ. Potencjalne ulepszenia dotyczą zmniejszenia niedoskonałości powłok satelitów, które mogą wpływać na pomiary przyspieszenia, a także wymianę systemów przewodowych na bezprzewodowe.

Satelita wdrażający te ulepszenia może potencjalnie wykryć naruszenia zasady równoważności tak małe, jak 1 do 10^17, 100 razy bardziej czułe niż MIKROSKOP. Zespół przewiduje jednak, że te ulepszenia nie będą jeszcze możliwe przez jakiś czas, co oznacza, że ​​na razie eksperyment MICROSCOPE pozostanie najlepszym testem zasady równoważności.

„Przez co najmniej dekadę, a może dwie, nie zobaczymy żadnej poprawy w eksperymencie z satelitą kosmiczną” – powiedział w tym samym oświadczeniu Manuel Rodrigues, członek zespołu MICROSCOPE i naukowiec z ONERA, francuskiego instytutu badawczego specjalizującego się w lotnictwie.

Badania zespołu zostały opublikowane w środę (14 września) w czasopiśmie Physical Review Letters oraz w specjalnym wydaniu Classical and Quantum Gravity.

Korekta – Matylda Kołomyjec

Autor

Urszula Ulanowska