Теория относительности Эйнштейна подтвердилась, несмотря на сомнения квантовых физиков

Одно из основных предположений фундаментальной физики состоит в том, что различные свойства массы — вес, инерция и гравитация — всегда остаются неизменными по отношению друг к другу. Без этой эквивалентности теории относительности Эйнштейна противоречили бы и наши нынешние учебники по физике пришлось бы переписывать. Хотя все измерения на сегодняшний день подтверждают принцип эквивалентности, квантовая теория постулирует, что нарушение должно иметь место.


Это несоответствие между теорией гравитации Эйнштейна и современной квантовой теорией является причиной того, что становятся необходимы все более точные проверки принципа эквивалентности. Команде из Центра прикладных космических технологий и микрогравитации (ZARM) Бременского университета в сотрудничестве с Институтом геодезии (IfE) Ганноверского университета им. Лейбница удалось продемонстрировать, что пассивная гравитационная масса и активная гравитационные массы всегда эквивалентны — независимо от конкретного состава соответствующих масс.

Исследование проводилось в рамках Cluster of Excellence «QuantumFrontiers». Сегодня команда опубликовала свои выводы в виде основной статьи в журнале Physical Review Letters.

Физический контекст

Инерционная масса сопротивляется ускорению. Например, когда машина заводится, вас отбрасывает назад на сиденье. Пассивная гравитационная масса реагирует на гравитацию и приводит к нашему весу на Земле. Активная гравитационная масса относится к силе гравитации, создаваемой объектом, или, точнее, к размеру его гравитационного поля.

Эквивалентность этих свойств является фундаментальной для общей теории относительности. Поэтому как эквивалентность инертной и пассивной гравитационной массы, так и эквивалентность пассивной и активной гравитационной массы проверяются с возрастающей точностью.

О чем было исследование?

Если предположить, что пассивная и активная гравитационные массы не равны, что их соотношение зависит от материала, то объекты из разных материалов с другим центром масс будут ускоряться сами. Поскольку Луна состоит из алюминиевой оболочки и железного ядра со смещенными относительно друг друга центрами масс, Луна должна ускоряться. Это гипотетическое изменение скорости может быть измерено с высокой точностью с помощью «лунной лазерной локации».

Это включает в себя наведение лазеров с Земли на отражатели на Луне, размещенные там миссиями «Аполлон» и советской программой «Луна». С тех пор фиксируется время прохождения лазерных лучей туда и обратно. Исследовательская группа проанализировала данные «лунной лазерной локации», собранные за 50 лет, с 1970 по 2022 год, и исследовала такие эффекты разности масс.

Поскольку никакого эффекта обнаружено не было, это означает, что пассивная и активная гравитационные массы равны примерно 14 знакам после запятой. Эта оценка в сто раз точнее, чем наиболее точное предыдущее исследование, датированное 1986 годом.

Институт геодезии LUH — 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 проанализировал измерения лунной лазерной локации, включая анализ ошибок и интерпретацию результатов, что и позволило получить наиболее достоверные на данный момент доказательства теории Эйнштейна.