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?

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.

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.

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.

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