Avaruuskokeet vahvistavat vastaavuuden periaatteen

Kuvittele kaksi haamuista atomipörröä, tuskin havaittavaa, leijailemassa Tiangong-avaruusaseman moduulin sisällä, kun alla oleva maailma pyörii. Ne putoavat yhdessä, eivät hetkeksi, vaan riittävän pitkään testatakseen yhtä fysiikan syvimmistä oletuksista.

Se ajatuskoe on nyt todellisuutta. Tutkijat toistivat variantin kokeesta, joka liitetään legendaarisesti Galileoon, mutta atomiskaalassa ja kiertoradalla. Sen sijaan, että olisi pudotettu lyijy tai rautapallo vinosta tornista, tiedemiehet vapauttivat kaksi pilveä ultrakylmiä rubidium-atomeja Tiangongissa ja seurasivat niiden putoamista painovoiman alaisina. Käänne: pilvet erosivat ydinrakenteeltaan. Toisessa oli rubidium-atomeja, joissa oli enemmän neutroneja kuin toisen pilven atomeissa. Jos gravitaatiomassa ja inertiamassa eivät olisi identtisiä, pilvien olisi pitänyt kiihtyä eri tavoin. Niin ei tapahtunut.

Kuinka kiertotesti toimi

Käytännössä tutkimusryhmä hyödynsi laserjäähdytystä muodostamaan kaksi kylmää rubidium-kokoonpanoa ja sijoitti ne vapaaseen pudotukseen aseman sisällä. Anturit seurasivat niiden suhteellista liikettä samalla kun ympäristö tarjosi lähes täydellisen mikrogravitaatiolaboratorion. Maassa ilmanvastus, seisminen kohina ja lyhyt pudotusmatka rajoittavat tarkkuutta. Matalalla kiertoradalla esine voi pysyä jatkuvassa vapaapudotuksessa pitkään, mikä parantaa herkkyyttä useiden kertaluokkien verran.

Tulos oli silmiinpistävä. Kaksi atomipilven kiihtyvyyttä vastasivat toisiaan 0,05 prosentin tarkkuudella. Tuon pienen suhteellisen eron, tai pikemminkin sen puutteen, ansiosta havainto tukee heikkoa vastaavuusperiaatetta: gravitaatiomassa on yhtä kuin inertiamassa. Nuo kaksi käsitettä kuulostavat samanlaisilta mutta ovat fysiikassa eri asioita. Gravitaatiomassa mittaa, kuinka voimakkaasti kappale kokee painovoiman. Inertiamassa määrää, miten paljon kappale vastustaa kiihtymistä, kun siihen kohdistetaan voima. Jos ne kumoavat toisensa, massa katoaa kiihtyvyyttä kuvaavista yhtälöistä ja eri massat putoavat yhdessä.

Vastaavuusperiaatteen testit eivät ole vain akateemisia. Periaate on Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian perusta, joka kuvaa painovoimaa aika-avaruuden kaareutumisena. Mikä tahansa poikkeama voisi viitata uusiin voimiin tai hiukkasiin standardimallin ulkopuolella tai avata reittejä kohti kvanttigravitaation teoriaa. Aiemmat avaruuskokeet pudottivat metallisylintereitä ja muita makroskooppisia koepainoja. Tämä uusi tutkimus työntää rajaa kvanttialueelle käyttämällä atomeja, jotka noudattavat kvanttimekaniikkaa sekä klassista painovoimaa.

Miksi atomit ovat tärkeitä

Atomit ovat pieniä ja kvanttisia. Niiden aaltoiluomainen käyttäytyminen voi paljastaa ilmiöitä, jotka massiiviset esineet piilottavat. Jos painovoima kytkeytyy eri tavoin eri kvanttitiloihin tai ytimien komponentteihin, tarkka atominterferometria saattaisi havaita sen. Tähän mennessä Tiangongin koe ei ole löytänyt poikkeamia. Havainnot kiristävät siten rajoja teorioille, jotka ennustavat koostumuksesta riippuvia gravitaatiovaikutuksia.

Työ julkaistiin Science Advances -lehdessä ja liittyy kasvavaan sarjaan avaruudessa tehtyjä tarkkuusmittauksia. Pitkät vapaapudotusajat, hiljaiset olosuhteet ja parannetut mittausmenetelmät tekevät kiertoradasta houkuttelevan paikan perustavanlaatuiselle fysiikalle. Odotettavissa on lisää atominterferometriamissioita, korkeampaa herkkyyttä ja testejä, jotka tutkivat raskaampia atomeja, antimateriaa tai kytkeytyneitä tiloja.

Toistaiseksi Galileon yksinkertainen intuitio säilyy sadankertaisessa mittakaavan muutoksessa. Kaksi erilaista rubidium-pilveä putoavat yhdessä, ikään kuin painovoima kohtelee kaikkea ainetta samalla tavalla. Tämä yhtenäisyys pitää yleisen suhteellisuusteorian voimassa, mutta samalla se kaventaa aluetta, jossa uusi fysiikka voisi piileskellä.