История гласит, что итальянский ученый XVII века Галилео Галилей якобы сбрасывал предметы разной массы с Пизанской башни, чтобы доказать простую и дерзкую для того времени мысль: тяжелое и легкое падает одинаково. Тогда это было вызовом авторитету Аристотеля. Спустя четыре столетия этот же эксперимент поставили заново — но уже не с ядрами и пушечными шарами, а с атомами. И не на Земле, а на ее орбите, на борту китайской космической станции Тяньгун.
Ученые создали два облака сверххолодных атомов рубидия. Внутри каждого облака атомы имели разную массу — из-за того, что их ядра содержали неодинаковое число нейтронов. По идее, если Галилей прав, а вслед за ним и Эйнштейн, то оба облака должны падать с практически одинаковым ускорением, несмотря на разницу в массе. Исследователи измерили относительное ускорение этих двух облаков. Результат оказался впечатляющим: они совпали с точностью до 0,05 тысячных процента. То есть разница, если она вообще есть, лежит далеко за пределами погрешности измерений.
За этим, на первый взгляд, академическим результатом скрывается фундаментальный физический принцип. В физике существуют два способа определить массу. Гравитационная масса — это то, как сильно объект притягивается Землей или любым другим гравитационным полем. Инерциальная масса — это то, как объект сопротивляется ускорению, когда на него действует сила. В повседневной жизни мы не делаем между ними различия, но строго говоря, это две разные характеристики. И главный вопрос: всегда ли они строго равны? Эксперимент на Тяньгуне подтвердил — да, равны, причем с беспрецедентной точностью. Когда эти две массы эквивалентны, масса сокращается в уравнениях движения, и все тела падают одинаково независимо от их веса. Именно это и есть суть слабого принципа эквивалентности — краеугольного камня общей теории относительности, которую Эйнштейн сформулировал более ста лет назад.
Почему же для этого эксперимента понадобился космос? На Земле падение длится считанные секунды — даже с высокой башни. Это ограничивает точность: чем дольше тело находится в свободном падении, тем точнее можно измерить его ускорение. На орбите же свободное падение продолжается бесконечно: космическая станция и все внутри нее постоянно падают на Землю, но из-за боковой скорости никогда не достигают поверхности. Это идеальные условия для проверки принципа эквивалентности с недоступной на Земле чувствительностью. Ранее похожие эксперименты уже проводили с металлическими цилиндрами на спутниках, и они тоже подтверждали теорию Эйнштейна. Но атомы — это совсем другая история. Они живут по законам квантовой механики, и никто не мог гарантировать, что принцип эквивалентности работает на этом микроскопическом уровне так же безупречно, как на макроскопическом.
Новое исследование, проведенное на орбитальной станции, впервые проверило слабый принцип эквивалентности в квантовой области с огромной точностью. Это не просто повторение старого опыта ради любопытства. Это важнейший тест для фундаментальных теорий: если бы атомы повели себя иначе, физикам пришлось бы пересматривать стандартные модели и искать новую физику за пределами Эйнштейна. Но эксперимент показал: даже на атомном уровне гравитация работает так, как и предсказывалось. А значит, общая теория относительности снова выдержала испытание — теперь уже в квантовом мире, на высоте сотен километров над Землей, на борту космической лаборатории.
Об этом ученые сообщили в журнале Science Advances.
Изображение: commons.wikimedia.org
