Знаменитый эксперимент Галилео с гравитацией подтверждается даже для отдельных атомов
Согласно легенде, Галилео сбрасывал грузы с Пизанской башни, демонстрируя, что гравитация заставляет объекты разной массы падать с одинаковым ускорением. В последние годы исследователи стали воспроизводить этот эксперимент способом, который итальянский ученый, вероятно, никогда не предполагал — сбрасывая атомы.
Галилео Галилей на Пизанской башне
Новое исследование описывает самый чувствительный на сегодняшний день тест с падением атомов и показывает, что эксперимент Галилео с гравитацией по-прежнему подтверждается — даже для отдельных атомов. Два разных типа атомов имели одинаковое ускорение с точностью примерно до одной триллионной части, или 0,0000000001 процента, сообщают физики в статье в журнале Physical Review Letters.
По сравнению с предыдущим тестом с падением атомов, новое исследование в тысячу раз чувствительнее. «Это шаг вперед», — говорит физик Гульельмо Тино из Флорентийского университета, который не принимал участия в новом исследовании. Исследователи сравнили атомы рубидия двух разных изотопов — атомов, содержащих различное количество нейтронов в ядрах. Команда запустила облака этих атомов на высоту около 8,6 метров в трубе под вакуумом. Как обнаружили исследователи, при подъеме и падении атомов оба типа ускорялись практически с одинаковой скоростью.
Подтверждая еще раз эксперимент Галилео по изучению гравитации, этот результат подтверждает принцип эквивалентности — основу теории гравитации Альберта Эйнштейна, общей теории относительности. Этот принцип гласит, что инерционная масса объекта, определяющая его ускорение при приложении силы, эквивалентна его гравитационной массе, определяющей силу гравитации. В итоге: ускорение объекта под действием гравитации не зависит от его массы или состава.
До сих пор принцип эквивалентности выдерживал все проверки. Но атомы, подчиняющиеся странным законам квантовой механики, могут выявить его слабые места. Когда вы проводите эксперимент с атомами - вы проверяете принцип эквивалентности и подвергаете его новым испытаниям.
Ученые изучали крошечные частицы с помощью атомной интерферометрии, которая использует квантовую механику для проведения чрезвычайно точных измерений. Во время полета атомов ученые переводили их в состояние, называемое квантовой суперпозицией, в котором частицы не имеют одного определенного местоположения. Вместо этого каждый атом существовал в суперпозиции двух местоположений, разделенных расстоянием до семи сантиметров. Когда два местоположения атомов снова сближались, атомы интерферировали сами с собой таким образом, что точно определялось их относительное ускорение.
Многие ученые считают, что принцип эквивалентности в конечном итоге даст сбой. У них есть разумные основания полагать, что нынешние теории — это не конец истории. Это происходит потому, что квантовая механика — раздел физики, описывающий противоречащую интуиции физику очень малых объектов — плохо согласуется с общей теорией относительности, что заставляет ученых искать теорию квантовой гравитации, которая могла бы объединить эти идеи. Многие ученые подозревают, что новая теория нарушит принцип эквивалентности на величину, слишком малую для обнаружения с помощью проведенных до сих пор тестов. Поживем - увидим...
Однако физики надеются улучшить такие тесты на атомах в будущем, например, проводя их в космосе, где объекты могут свободно падать в течение длительных периодов времени.