Теория относительности Эйнштейна получила новое подтверждение благодаря Луне

Ученые подтвердили с невиданной точностью, что все свойства массы равнозначны. Это значительно укрепляет принцип эквивалентности Эйнштейна, являющийся основой теории относительности.

Одно из самых базовых предположений фундаментальной физики заключается в том, что разные свойства массы – вес, инерция и гравитация – всегда остаются одинаковыми по отношению друг к другу. Без этого эквивалента теория относительности Эйнштейна была бы опровергнута, и наши современные учебники по физике пришлось бы переписать. Хотя все измерения до сих пор подтверждают принцип эквивалентности, квантовая теория предполагает, что должно быть нарушение. Это несоответствие между гравитационной теорией Эйнштейна и современной квантовой теорией является причиной, по которой особенно важны все более точные тесты принципа эквивалентности.

Команда из Центра прикладных космических технологий и микрогравитации (ZARM) при Университете Бремена в сотрудничестве с Институтом геодезии (IfE) при Лейбниц-университете Ганновера добилась успеха в доказательстве с 100-кратно большей точностью, что пассивная гравитационная масса и активная гравитационная масса всегда эквивалентны – независимо от конкретного состава соответствующих масс. Исследование проводилось в рамках Кластера высшей школы «QuantumFrontiers». 13 июля команда опубликовала свои результаты в виде статьи-основы в научном журнале Physical Review Letters.

Физический контекст

Инерционная масса сопротивляется ускорению. Например, она заставляет вас откидываться назад в сиденье, когда автомобиль трогается. Пассивная гравитационная масса реагирует на гравитацию и приводит к нашему весу на Земле. Активная гравитационная масса относится к силе гравитации, которую испытывает объект, или, более точно, к размеру его гравитационного поля. Эквивалентность этих свойств является фундаментальной для общей теории относительности. Поэтому проверяются как эквивалентность инерционной и пассивной гравитационной массы, так и эквивалентность пассивной и активной гравитационной массы с возрастающей точностью.

О чем было исследование?

Если мы предположим, что пассивная и активная гравитационная масса не равны – что их соотношение зависит от материала – то объекты из разных материалов с разным центром масс должны ускоряться. Поскольку Луна состоит из алюминиевой оболочки и железного ядра, с центрами масс, смещенными друг относительно друга, Луна должна ускоряться. Такое гипотетическое изменение скорости можно было бы измерить с высокой точностью с помощью «лунного лазерного дальномера». Для проведения эксперимента используются направленные лазеры с Земли на отражатели на Луне, размещенные там миссиями «Аполлон» и советской программой «Луна». С тех пор фиксируются время обратного пути лазерных лучей. Исследовательская группа проанализировала данные «лунного лазерного дальномера», собранные за период в 50 лет, с 1970 по 2022 год, и исследовала такие эффекты разницы масс. Поскольку никакого эффекта не было обнаружено, это означает, что пассивная и активная гравитационные массы равны примерно до 14 знаков после запятой. Эта оценка в сто раз точнее, чем лучшее предыдущее исследование, датируемое 1986 годом.

Институт геодезии Лейбниц-университета Ганновера – один из четырех центров в мире, анализирующих лазерные измерения расстояния до Луны – обладает уникальным опытом в оценке данных, особенно для проверки общей теории относительности. В текущем исследовании институт анализировал измерения лунного лазерного дальномера, включая анализ ошибок и интерпретацию результатов.