Einstein wint opnieuw: ruimtesatelliet bevestigt zwak equivalentieprincipe

Een van de meest contra-intuïtieve concepten in de natuurkunde is dat alle objecten met dezelfde snelheid vallen, ongeacht de massa, oftewel Gelijkwaardigheidsbeginsel. Dit werd het meest memorabel geïllustreerd in 1971 door NASA Apollo 15-astronaut David Scott tijdens een wandeling op de maan. hij is Projectie Een haviksveer en een hamer tegelijkertijd via live-tv, de twee lichamen raken tegelijkertijd het vuil.

daar oude traditie Experimenteel testen van het zwakke equivalentieprincipe, dat de basis vormt van de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein. In test na test gedurende vele eeuwen is het equivalentieprincipe sterk gebleven. En nu microscoop (MICROSatellite pour l’Observation de Principe d’Equivalence) De expeditie bereikte de meest nauwkeurige test van het equivalente principe tot nu toe, Einstein beweert opnieuw, per laatste papier Gepubliceerd in Physical Review Letters. (Aanvullende, gerelateerde artikelen zijn verschenen in een speciale uitgave van Classical and Quantitative Allure.)

Test, 1, 2, 3

John Philoponus, de filosoof uit de zesde eeuw, was de eerste die beweerde dat de snelheid waarmee een voorwerp valt niets te maken heeft met zijn gewicht (zijn massa) en werd later zo’n 900 jaar later een grote invloed op Galileo Galilei. Er wordt aangenomen dat Galileo artilleriegranaten van verschillende groepen afwierp voor de beroemde scheve toren van Pisa in Italië, maar het verhaal is waarschijnlijk verzonnen.

Galileo zij deed De ballen rollen onder hellende vlakken, waardoor de ballen met veel lagere snelheden rollen, waardoor hun versnelling gemakkelijker te meten is. De ballen waren vergelijkbaar in grootte, maar sommige waren gemaakt van ijzer, andere van hout, wat hun massa anders maakt. Bij gebrek aan een nauwkeurige klok zou Galileo de reis van de ballen hebben getimed met zijn eigen hartslag. En net als Philoponus ontdekte hij dat de ballen, ongeacht de helling, met dezelfde versnelling zouden bewegen.

Later verfijnde Galileo zijn benadering met een slingerapparaat, waarbij de oscillatieperiode van slingers van verschillende massa maar van identieke lengte werd gemeten. Dit was ook de methode waar Isaac Newton rond 1680 de voorkeur aan gaf, en later in 1832 door Friedrich Bessel, die beide de nauwkeurigheid van metingen aanzienlijk verbeterden. Newton erkende ook dat het principe zich uitstrekt tot de hemellichamen, en berekende dat de aarde en de maan, evenals Jupiter en zijn manen, met dezelfde snelheid naar de zon vallen. De aarde heeft een ijzeren kern, terwijl de kern van de maan grotendeels uit silicaten bestaat, en hun massa is totaal anders. Na NASA Experimenten met laser-maanbereik Newtons berekeningen bevestigden: hij valt inderdaad met hetzelfde tempo om de zon.

Tegen het einde van de negentiende eeuw ontdekte de Hongaarse natuurkundige Lorand Etvös Combineer de slingerbenadering met torsie-evenwicht om de torsie van de slinger te creëren En ik gebruikte het om het equivalentieprincipe nauwkeuriger te testen. Die eenvoudige rechte stok bleek nauwkeurig genoeg om het equivalentieprincipe nauwkeuriger te testen. Torsieschalen werden ook gebruikt in latere experimenten, zoals die in 1964 die stukjes aluminium en goud als testblokken gebruikten.

Einstein citeerde het Eötvös-experiment om het equivalentieprincipe te verifiëren in zijn artikel uit 1916 dat de basis legde voor zijn algemene relativiteitstheorie. Maar de algemene relativiteitstheorie werkt goed op macroniveau, maar valt uiteen op de subatomaire schaal, waar de regels van de kwantummechanica beginnen. Dus natuurkundigen hebben gezocht naar schendingen van pariteit op die kwantumschalen. Dit zou een bewijs zijn van potentiële nieuwe fysica die zou kunnen helpen de twee te verenigen in één grote theorie.

Een manier om equivalentie op de kwantumschaal te testen, is door materiaalgolfinterferometrie te gebruiken. Het gaat over het klassieke Michaelson-Morley-experiment dat probeert de beweging van de aarde te detecteren via een medium dat de lichtgevende ether wordt genoemd en waarvan natuurkundigen destijds dachten dat ze de ruimte doordrongen. In de late negentiende eeuw, Thomas Young Gebruik zo’n tool voor zijn beroemde dubbelspletenexperiment om te testen of licht een deeltje of een golf is – en zoals we nu weten, is licht beide. De Hetzelfde geldt voor het materiaal.

Eerdere experimenten met materie-golf-interferometrie maten de vrije val van twee isotopen van hetzelfde atomaire element, in de hoop om zonder succes subtiele verschillen te detecteren. In 2014 dacht een team van natuurkundigen dat er misschien niet genoeg verschil was tussen hun formuleringen om maximale gevoeligheid te bereiken. dus zij Gebruikte isotopen Van de verschillende elementen in hun versie van die experimenten zijn rubidium- en kaliumatomen. De laserpulsen zorgden ervoor dat de atomen voor recombinatie op aparte paden vielen. De onderzoekers observeerden het veelbetekenende interferentiepatroon, wat aangeeft dat de valentie nog steeds binnen 1 deel op 10 miljoen werd gehouden.