Физики впервые проверили принцип эквивалентности в нечетной гравитации

Китайские физики впервые измерили нарушения принципа эквивалентности, которые возникают в теории гравитации с отрицательной пространственной четностью. Для этого ученые отслеживали колебания крутильного маятника, на который были установлены кристаллы правостороннего и левостороннего кварца. Как и ожидалось, исследователи не обнаружили нарушения принципа: соответствующий безразмерный параметр Этвёша не превышал 6×10−13. Статья опубликована в Physical Review Letters.

Когда Эйнштейн строил Общую теорию относительности, он сформулировал принцип эквивалентности, который постулирует равенство инертной и гравитационной массы. Чтобы объяснить, почему этот принцип так важен, физик рассмотрел мысленный эксперимент с лифтом. С одной стороны, если лифт бесконечно удален от гравитирующих объектов и двигается ускоренно, на тела внутри лифта действует сила инерции F = −ma, и они приобретают вес (то есть давят на опору). С другой стороны, если лифт находится в гравитационном поле, тела также обладают весом F = mg, где g — напряженность поля (ускорение свободного падения). Наблюдатель, который находится внутри лифта и отрезан от внешнего мира, не сможет отличить эти две ситуации. Следовательно, гравитационное поле локально эквивалентно неинерциальной системе отсчета.

В то же время, в Квантовой теории поля принцип эквивалентности вытекает из лоренц-инвариантности уравнений движения для безмассовых частиц со спином 2 (гравитонов). Как и любую другую симметрию, лоренц-инвариантность можно нарушить с помощью новых частиц или взаимодействий. Например, в теории струн ее нарушают дилатоны, в суперсимметричных теориях — бозоны, в ряде альтернативных теорий — силы, величина которых зависит от химического состава тела. Некоторые ученые даже считают, что лоренц-инвариантность нарушают частицы темной материи. Если лоренц-инвариантности нет, то принцип эквивалентности тоже не работает, — следовательно, инертная и гравитационная масса отличаются. Поэтому важно выяснить, насколько точно выполняется этот принцип.

Как правило, отклонения от принципа эквивалентности описывают с помощью безразмерного параметра Этвёша. Чтобы найти этот параметр, нужно измерить отношение инертной и гравитационной массы двух пробных тел, а затем разделить их разность на полусумму. Если принцип эквивалентности выполняется, параметр Этвёша получится нулевым. В настоящее время параметр Этвёша в поле Земли измерен с точностью до 10−14 и никаких нарушений найдено не было. Тем не менее, все эти измерения проводились в предположении, что гравитация имеет положительную пространственную четность, то есть что гравитационное поля не меняется при изменении знака пространственных координат (в классической механике это утверждение очевидно, однако в квантовом мире оно выполняется далеко не всегда). Некоторые физики считают, что это предположение не верно. В этом случае принцип эквивалентности тоже нарушается. К сожалению, до сих пор такие нарушения никто не искал.

Группа ученых под руководством Цзюнь Ло (Jun Luo) впервые измерила параметр Этвёша, который описывает подобные отклонения от принципа эквивалентности. В качестве тестовых масс физики выбрали кристаллы правостороннего и левостороннего кварца, которые имеют противоположную хиральность (при изменении знака координат кристаллы переходят друг в друга) — следовательно, могут «почувствовать» нарушения четности. Из этих кристаллов исследователи вырезали кубики со стороной 1,5 сантиметра и прикрепили их к плечам крутильного маятника, подвешенного на вольфрамовую нить толщиной 25 микрометров. Суммарная масса кубиков составляла чуть меньше 65 грамм, оптические оси кристаллов лежали в плоскости колебаний. После того, как ученые собрали маятник, они покрыли его тонким слоем алюминия и поместили в вакуумную полость, давление в которой не превышало одной миллиардной атмосферы. Чтобы компенсировать неоднородности гравитационного поля, вокруг маятника разместили компенсационные массы. Чтобы избавиться от влияния электромагнитных полей, его окружили четырьмя слоями защиты. Наконец, чтобы снизить роль температурных колебаний, установку поместили внутрь алюминиевого цилиндра. Колебания маятника ученые отслеживали с помощью лазерного луча.

После этого ученые вращали построенный маятник с постоянной частотой и измеряли зависимость крутящего момента от энергии возбуждений (power spectral density). Затем физики сдвинули фазу модулирующего сигнала на половину периода и повторили измерения. В первом случае исследователи собирали данные в течение 31 дня, во втором случае — в течение 50 дней. Наконец, физики скорректировали систематические ошибки и обнаружили, что точность измерения крутящего момента ограничена величиной порядка 10−17 ньютон-метров. Авторы предполагают, что эта погрешность связана с несовершенством магнитной защиты и вольфрамовой нити, на которой подвешен маятник.

Как бы то ни было, она оставляет пространство для эффекта, нарушающего принцип эквивалентности: если ускорение свободного падения, действующее на кристаллы, зависит от их ориентации, то на крутящий момент накладывается слабый сигнал, который изменяет свое направлении при сдвиге фазы модулирующего сигнала. Вычитая картины, полученные при противоположных фазах, ученые получили, что величина такого сигнала не превышает 0,5×10−17 ньютон-метров. Если пересчитать ее в параметр Этвёша, то получится величина η ≈ (−1±6)×10−13. Таким образом, погрешность измерений превышает величину эффекта, то есть ученые не смогли увидеть нарушение принципа эквивалентности.

В декабре прошлого года французские физики с помощью спутника Microscope показали, что параметр Этвёша в поле Земли не превышает ηE < 10−14. Для этого ученые отслеживали гипотетическое отклонение орбиты цилиндров из платино-родиевого или титан-ванадиевого сплава и усредняли его в течение 120 оборотов вокруг Земли. А в июне этого года исследователи из Германии и Великобритании рассчитали параметр Этвёша в гравитационном поле нашей галактики, отталкиваясь от периода вращения двойного пульсара PSR J1713 + 0747. В результате ученые получили значение ηDM < 0,004, сопоставимое с земными экспериментами.

Читайте также

Оставить комментарий

Вы можете использовать HTML тэги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.