Эксперименты на борту французского спутника Microscope показали, что отношение гравитационной и инертной массы тела не может отличаться от единицы больше, чем на 10−14. Это ограничение почти в 10 раз точнее, чем результаты предыдущих измерений. Статья с результатами анализа данных опубликована в Physical Review Letters, кратко о работе сообщает Physics.
Еще в XVII веке Галилео Галилей экспериментально доказал, что ускорение тела в гравитационном поле не зависит от его массы, и с тех пор гравитационная и инертная масса произвольного тела полагаются равными и не зависящими от его состава. Этот же принцип, известный как принцип (слабой) эквивалентности, Эйнштейн положил в основу Общей теории относительности. Однако в действительности непонятно, почему этот принцип верен. Поэтому физики разработали несколько теорий (например, теорию с «полями-хамелеонами», chameleon fields), в которых он нарушается, и ищут эти нарушения экспериментально.
В данной работе ученые искали нарушения принципа эквивалентности, наблюдая за «свободным падением» тел, движущихся по орбитам вокруг Земли. Измерения они выполнили с помощью экспериментов на борту спутника Microscope (Micro-Satellite à traînée Compensée pour l’Observation du Principe d’Equivalence). Этот аппарат, созданный Национальным центром космических исследований Франции (CNES), был запущен в апреле 2016 года с европейского космодрома Куру российской ракетой «Союз» и выведен на орбиту высотой около 710 километров. На этой высоте ускорение свободного падения равно примерно 7,9 метра на секунду в квадрате.
На борту спутника находится две экспериментальные установки, в каждой из которых с помощью электростатических сил удерживается по два цилиндра. В одной установке (SUREF) оба цилиндра состоят из платино-родиевого сплава (отношение металлов 9:1) и имеют массу около 0,4 и 1,4 килограммов. В другой установке (SUEP) отличается как состав цилиндров (платино-родиевый и титано-ванадиево-алюминиевый сплавы), так и их массы (около 0,4 и 0,3 килограмм). Массы цилиндров были измерены на Земле заранее с относительной погрешностью около 10−6. Если отношение гравитационной и инертной масс для разных цилиндров отличается, их орбиты будут постепенно расходиться, и удерживающие силы придется корректировать. Измеряя величину этих корректировок в течение долгого времени, можно получить ограничения на разницу масс. В каждом опыте ученые усредняли значения корректировок за время от 62 до 120 оборотов вокруг Земли.
В результате физики получили, что отношение гравитационной и инертной масс может отличаться от единицы не больше, чем на 10−14. Это ограничение почти в десять раз сильнее, чем результаты предыдущих измерений. К концу 2018 года ученые планируют собрать еще больше экспериментальных данных и уточнить границу еще в десять раз.
В последнее время физики активно ищут отклонения от Общей теории относительности, однако до сих пор ничего необычного найдено не было. Так, определенная по временной задержке гамма-всплесков предельная энергия, при которой станут существенными эффекты квантовой гравитации, оценивается в 1016 — 1019 гигаэлектронвольт. Не нашли физики и нарушений Лоренц-ковариантности, предсказанные расширением Стандартной модели.
Дмитрий Трунин