Jego teoria względności została potwierdzona pomimo niepewności fizyki kwantowej

Dane uzyskiwane przez ponad 50 lat podczas podróży w obie strony na Księżyc z laserów emitowanych z Ziemi z niespotykaną dokładnością potwierdziły zasadę równoważności ogólnej teorii względności. Teoria kwantowa nie przewidziała żadnego efektu naruszenia.

Jednym z najbardziej podstawowych założeń fizyki fundamentalnej jest to, że różne właściwości masy — ciężar, bezwładność i grawitacja — zawsze pozostają takie same. Bez tej równoważności teoria względności Einsteina byłaby sprzeczna, a nasze obecne podręczniki fizyki musiałyby zostać napisane od nowa.

Chociaż wszystkie wykonane do tej pory pomiary potwierdzają Zasada równoważnościTeoria kwantowa zakłada, że ​​musi nastąpić naruszenie. Ta rozbieżność między teorią grawitacji Einsteina a współczesną teorią kwantową jest powodem, dla którego tak ważne są coraz dokładniejsze dowody na istnienie zasady równoważności.

Zespołowi z Centrum Stosowanej Technologii Kosmicznej i Mikrograwitacji (ZARM) na Uniwersytecie w Bremie, we współpracy z Instytutem Geodezji (IfE) Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze, udało się udowodnić ze 100 razy większą dokładnością, że pasywna masa grawitacyjna i aktywna masa grawitacyjna są zawsze równe, niezależnie od konkretnej konfiguracji zaangażowanych mas. początek.

Badanie zostało przeprowadzone w ramach grupy doskonałości „QuantumFrontiers”. Zespół opublikował swoje odkrycia w czasopiśmie naukowym „Physical Review Letters”.

kontekst fizyczny

Masa bezwładności przeciwstawia się przyspieszeniu. Na przykład powoduje, że odpychasz się na siedzeniu, gdy samochód drży. Ujemna masa grawitacyjna oddziałuje z grawitacją i powoduje wzrost naszego ciężaru na Ziemi. Aktywna masa grawitacyjna odnosi się do siły grawitacji wywieranej przez obiekt, a dokładniej do wielkości jego pola grawitacyjnego.

Równoważność tych właściwości jest kluczowa dla ogólnej teorii względności. W ten sposób zarówno równoważność masy bezwładnościowej i równoważność biernej masy grawitacyjnej, jak i równoważność biernej masy grawitacyjnej i aktywna masa grawitacyjna są testowane z coraz większą precyzją.

Na czym polegało badanie?

Jeśli założymy, że pasywna masa grawitacyjna i aktywna masa grawitacyjna nie są sobie równe, to znaczy, że ich stosunek zależy od materiału, to obiekty wykonane z różnych materiałów o innym środku masy będą same się przyspieszać.

Ponieważ Księżyc składa się z aluminiowej skorupy i żelaznego rdzenia, ze środkami masy przesuniętymi względem siebie, Księżyc musi przyspieszać. Ta hipotetyczna zmiana prędkości może być zmierzona z dużą precyzją za pomocą systemu znanego jako Lunar Laser Range (LLR).

System ten składał się z laserów skierowanych z Ziemi na reflektory Księżyca umieszczone tam przez misje Apollo i radziecki program Luna. Od tego czasu rejestrowano czasy podróży w obie strony dla laserów.

Zespół autorów nowego artykułu przeanalizował dane LLR zebrane w ciągu 50 lat, od 1970 do 2022 roku, i przyjrzał się skutkom różnicy masy. Ponieważ nie ma efektu, oznacza to, że pasywne i aktywne masy grawitacyjne są równe około 14 miejsc po przecinku. To oszacowanie jest 100 razy dokładniejsze niż najlepsze poprzednie badanie, sięgające 1986 roku.

Co oznacza ten wynik?

Wynik ten wskazuje, że zasada równoważności pozostaje aktualna z niespotykaną dokładnością, po raz kolejny potwierdzając ogólną teorię względności Einsteina.

Jednak stwarza to również problem w pogodzeniu tej teorii z fizyką kwantową, która przewiduje, że zasada równoważności musi się załamać w bardzo małych skalach lub przy bardzo wysokich energiach.

To pęknięcie może wyjaśniać niektóre zjawiska, które nie zostały jeszcze poznane, takie jak ciemna materia lub ciemna energia, które stanowią większość wszechświata.

Powiązane wiadomości

Dlatego fizycy nadal poszukują możliwych naruszeń zasady równoważności, zarówno w kosmosie, jak iw laboratorium, które mogłyby doprowadzić do nowej teorii łączącej fizykę grawitacyjną i kwantową. Do tego czasu Einstein nadal ma rację.

odniesienie

Aktywne i pasywne testowanie równań masy grawitacyjnej za pomocą lunety laserowej. Vishwa Vijay Singh i in. fizyka Wielebny Litt. 131, 021401; 13 lipca 2023 r. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.021401