Повторное наблюдение свободного падения тел на орбите предоставило очередное подтверждение принципа эквивалентности инерции и массы, причем с беспрецедентной точностью.
Если не учитывать сопротивление воздуха, то все предметы падают на Землю с одинаковой скоростью. Еще Галилей впервые доказал это, а Эйнштейн на основе подобных экспериментов сформулировал принцип эквивалентности инерции и массы, который послужил основой Общей теории относительности. Как и другие работы Эйнштейна, принцип эквивалентности постоянно подвергается экспериментальным проверкам, но каждый раз с успехом выдерживает их. Так произошло и теперь: грузы, находившиеся в свободном падении на околоземной орбите более двух лет, двигались совершенно одинаково. Результаты опытов на борту спутника MICROSCOPE опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Общая теория относительности (ОТО) рассматривает гравитацию как результат искривления пространства-времени. Фундаментом этой теории является эквивалентность сил гравитации и инерции. Для иллюстрации принципа сам Эйнштейн предлагал представить лифт, который находится далеко от каких-либо притягивающих тел, но движется с ускорением, либо же стоит, но во внешнем гравитационном поле. В обоих случаях все предметы в лифте будут обладать весом, давить на опору или растягивать подвес. Отличить, что именно на них влияет, – ускорение или тяготение, – невозможно.
Галилео Галилей впервые проверил слабый принцип эквивалентности, не осознавая этого. Согласно легенде, он сбрасывал сделанные из разных материалов сферы с Пизанской башни, чтобы доказать, что скорость падения не зависит от их массы. Историки науки полагают, что в действительности эксперименты Галилея выглядели совершенно иначе, и башня ему даже не понадобилась. Однако ученые продолжают подобные опыты до сих пор, измеряя падение с такой точностью, о которой не задумывались ни Галилей, ни Эйнштейн.
Тесты, проведенные на борту французского космического аппарата MICROSCOPE, стали очередным подтверждением принципа эквивалентности. Этот 300-килограммовый спутник был выведен на орбиту в 2016 году и предназначен для проведения подобных экспериментов, завершив свою работу спустя два года. Центральным элементом миссии стал эксперимент T-SAGE (Twin-Space Accelerometer for Gravity Experiment), в рамках которого осуществлялись измерения положений двух «гирек» – цилиндрических грузов, перемещавшихся вместе со спутником вокруг Земли, с высочайшей точностью. Согласно общей теории относительности, подобное движение равносильно свободному падению, и любое отклонение в смещении грузов за период наблюдений в несколько лет было бы зафиксировано сверхчувствительными акселерометрами.
В ходе эксперимента применялись грузы, представляющие собой полые цилиндры массой 300 грамм, изготовленные из платинородия и помещенные внутрь цилиндров из титанового сплава массой 400 грамм. Аналогичные измерения были выполнены с использованием еще одного идентичного акселерометра и пары грузов из платинородия. Грузы фиксировались в герметичной защитной камере посредством электростатических сил и на протяжении многих месяцев свободно падали, перемещаясь вместе со спутником MICROSCOPE по околоземной орбите на высоте более 700 км.
Результаты проведенной работы оказались схожими с результатами, полученными Галилеем: не было зафиксировано различий в движении грузов. Однако, стоит отметить, что точность этих измерений значительно уступает опытам итальянского ученого. По мнению физиков, она превышает на сотни раз все, что можно достичь на Земле, даже используя современные приборы. Тем не менее, даже эта точность может быть не окончательной: принцип эквивалентности может нарушаться, хотя и на уровне, не обнаруживаемом даже для MICROSCOPE. Поэтому на 2030-е уже запланирована новая орбитальная миссия MICROSCOPE-2, которая еще на два порядка повысит точность измерений в том же классическом опыте с падающими телами.