РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Проверка Галилея: Пушинка против ядра

Один из самых известных экспериментов в истории физики – опыт Галилея, сбросившего с Пизанской башни ядра разного веса и показавшего, что земли они достигают одновременно, вне зависимости от массы. Но так ли уж прав был знаменитый ученый?
Популярная механика
Популярная механика редакция

В 1971 г. Находившийся на Луне астронавт Дейв Скотт (Dave Scott) вытянул руки на уровне плеч, держа в одной молоток, а в другой — перо. Затаив дыхание, мир наблюдал за происходящим на телеэкранах. Это было странное зрелище: перо не просто упало, оно рухнуло вниз (запись можно скачать в виде ролика в формате MOV). В отсутствие атмосферы оба предмета коснулись поверхности Луны строго одновременно: «А все-таки, мистер Галилей был прав», — подытожил астронавт. Ускорение, которое придает гравитация, не зависит от массы или материала, из которого изготовлен предмет. В эйнштейновской теории гравитации это называется принципом эквивалентности: взаимозаменяемость гравитационного поля или ускорения, т. е. неинерциальности системы отсчета.

Впрочем, погрешность эксперимента Галилея составила около 1%, оставляя вполне достаточно сомнений для скептиков. Максимальная точность, достижимая с помощью современных инструментов — например, измерение скорости обращения Луны с помощью лазерного зондирования, достигает триллионных долей. Но и это не успокаивает сомнений: что, если открытый Галилеем принцип «не работает» на еще более микроскопическом уровне? «Остается еще крохотная вероятность, которую стоит исследовать, — утверждает астроном Клиффорд Уилл (Clifford Will). — Обнаружение микроскопических отклонений во влиянии гравитации на различные по химическому составу объекты будет иметь серьезнейшие последствия». В самом деле, это было бы первым серьезным экспериментальным доказательством в пользу струнной теории.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

В рамках струнной теории элементарные частицы, из которых построена материя, представляются как вибрации бесконечно тонких, одномерных струн. Она объясняет многие загадки фундаментальной физики, но и сама остается довольно противоречивой. Существуют несколько соперничающих друг с другом вариантов теории. А главное — размеры суперструн таковы, что наблюдать их еще долгие годы вряд ли будет возможным. Некоторые варианты струнной теории теоретически показывают существование крайне слабых сил, влияющих на гравитационные взаимодействия объекта в зависимости от его состава. Так что обнаружение отклонений от открытого Галилеем принципа хотя и не подтвердит теорию окончательно и бесповоротно, но даст ей серьезную поддержку.

Однако наблюдение таких отклонений (если они существуют) — весьма непростая задача. Гравитация и сама по себе довольно слабая сила, примерно в 1036 раз слабее электромагнитного взаимодействия. А отклонения, по расчетам теоретиков-«суперструнников», слабее еще на 1013 порядков. Вдобавок, они должны зависеть от материала — подобно тому, как электромагнитные свойства проявляются железом, но не пластмассой. К примеру, согласно некоторым версиям теории суперструн, новые силы проявляются во взаимодействии с электромагнитной энергией вещества. К примеру, положительно заряженный протон и электрически нейтральный нейтрон с точки зрения общепринятой теории гравитации рассматриваются как эквивалентные, поскольку имеют практически равные массы. Но по ряду предположений, гравитационные свойства, которые они проявляют, будут слегка различны.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

До сих пор не существует ни единого экспериментального доказательства этих предположений, и вот недавно сразу несколько групп ученых предложили провести космические миссии, способные провести измерения с ранее недоступной точностью. «Фактически, все, что требуется, — это измерить крохотные различия в ускорениях тел из разных веществ, — говорит Клиффорд Уилл. — На Земле время падения ограничено, но объект на околоземной орбите падает буквально постоянно, и мельчайшие различия со временем усиливаются настолько, что могут стать заметными».

Миссия STEP (Satellite Test of the Equivalence Principle) разрабатывается в Стэнфордском университете. Точность его достигает одной миллионной от триллиона (10−18), в 100 000 раз чувствительней современных аналогов. Для измерений используется не два, а сразу четыре объекта из бериллия и ниобия — это позволяет снизить влияние различных ошибок и неточностей. Все объекты помещаются в наполненный жидким гелием сосуд Дьюара, который защитит их от температурных колебаний, а резервуар окружен щитом из сверхпроводника, ограждающего его от внешних электромагнитных полей. Двигатели малой тяги должны скомпенсировать эффект от торможения спутника остатками атмосферы. В таких условиях все тестируемые образцы должны сохранить при свободном падении взаимное расположение. Но если новый компонент гравитационных сил и вправду существует, они немного сместятся друг относительно друга.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Еще одна миссия MICROSCOPE (Micro-Satellite à traînée Compensée pour l′Observation du Principe d′Equivalence) разрабатывается французскими астрономами и планируется к запуску в 2010 г. MICROSCOPE использует два тестовых объекта, и расчетная точность его должна составить 1 миллионную от миллиарда (10−15).

Третий эксперимент готовят итальянцы. Спутник Galileo Galilei действует приблизительно так же, как и остальные, но он будет еще и вращаться вокруг собственной оси с периодичностью 2 оборота в секунду. Таким образом ученые распределяют мелкие возмущения от внешних сил приблизительно равномерно во всех направлениях, стараясь, чтобы их влияния взаимно уничтожились. В итоге достигается разрешение в 100 миллионных от миллиарда (10−17).

Трудно сказать заранее, сможет ли один из готовящихся аппаратов обнаружить отклонения от гравитационных взаимодействий, которые описываются традиционными теориями. Даже и сама струнная теория не дает окончательного понимания того, насколько сильны должны быть отклонения: возможно, они настолько микроскопически, что и новые спутники окажутся бессильны. Клиффорд Уилл не верит, что они существуют в действительности, ведь это значило бы целую революцию в наших представлениях о Вселенной.

Читайте также: «О чем не подумал Эйнштейн?», и подробнее о теории суперструн: «Струнный концерт для Вселенной».

По публикации NASA

Загрузка статьи...