GOD
En av de mest kontraintuitive forestillingene i fysikk er at alle objekter faller med samme hastighet, uavhengig av masse, også kjent som ekvivalensprinsippet. Dette ble minneverdig illustrert i 1971 av NASA Apollo 15-astronaut David Scott under en månevandring. Han falt en falkfjær og en hammer samtidig via en direktesendt TV-feed, og de to gjenstandene treffer skitten samtidig.
Det er en lang tradisjon av eksperimentelt å teste det svake ekvivalensprinsippet, som danner grunnlaget for Albert Einsteins generelle relativitetsteori. I test etter test gjennom mange århundrer har ekvivalensprinsippet holdt seg sterkt. Og nå MIKROSKOP (MICROSatellite pour l’Observation de Principe d’Equivalence) oppdraget har oppnådd den mest presise testen av det tilsvarende prinsippet til dags dato, bekrefter Einstein nok en gang, til fersk papir publisert i tidsskriftet Physical Review Letters. (Ytterligere relaterte artikler dukket opp i en spesialutgave av Classical and Quantum Gravity.)
Testing, 1,2,3
John Philoponus, filosofen fra 600-tallet, var den første som hevdet at hastigheten et objekt vil falle med ikke har noe å gjøre med vekten (massen) og ble senere en stor innflytelse på Galileo Galilei rundt 900 år senere. Galileo skal ha sluppet kanonkuler av varierende masse utenfor Italias berømte skjeve tårn i Pisa, men historien er sannsynligvis apokryf.
Galileo gjorde rulle baller nedover skråplan, noe som sørget for at kulene rullet i mye lavere hastigheter, noe som gjør akselerasjonen lettere å måle. Kulene var like i størrelse, men noen var laget av jern, andre av tre, noe som gjorde massene forskjellige. I mangel av en nøyaktig klokke, skal Galileo ha timet ballenes reise med pulsen. Og i likhet med Philoponus fant han ut at uansett hvilken stigning, kulene ville bevege seg med samme akselerasjonshastighet.
Galileo foredlet senere sin tilnærming ved å bruke et pendelapparat, som innebar måling av svingningsperioden til pendler med forskjellig masse, men identisk lengde. Dette var også metoden foretrukket av Isaac Newton rundt 1680, og senere, i 1832, av Friedrich Bessel, som begge forbedret nøyaktigheten av målingene betydelig. Newton innså også at prinsippet utvidet seg til himmellegemer, og beregnet at jorden og månen, så vel som Jupiter og dens satellitter, faller mot solen i samme hastighet. Jorden har en kjerne av jern, mens månens kjerne for det meste er laget av silikater, og massene deres er ganske forskjellige. Likevel NASA eksperimenter med laser måneavstand har bekreftet Newtons beregninger: de faller faktisk rundt solen i samme hastighet.
Mot slutten av 1800-tallet, den ungarske fysikeren Loránd Eötvös kombinerte pendeltilnærmingen med en torsjonsbalanse for å lage en torsjonspendel og brukte den til å utføre en enda mer nøyaktig test av ekvivalensprinsippet. Den enkle rette pinnen viste seg nøyaktig nok til å teste ekvivalensprinsippet enda mer presist. Torsjonsbalanser har også blitt brukt i etterfølgende eksperimenter, som det i 1964 som brukte biter av aluminium og gull som testmasser.
CNES
Einstein siterte Eötvös-eksperimentet som bekreftet ekvivalensprinsippet i sin artikkel fra 1916 som la grunnlaget for hans generelle relativitetsteori. Men generell relativitetsteori, mens den fungerer ganske bra på makroskala, bryter sammen på subatomær skala, der reglene for kvantemekanikk slår inn. Så fysikere har lett etter brudd på ekvivalens på disse kvanteskalaene. Det ville være bevis på potensiell ny fysikk som kan bidra til å forene de to til én storslått teori.
En metode for å teste ekvivalens på kvanteskala er å bruke materiebølge-interferometri. Det er relatert til det klassiske Michaelson-Morley-eksperimentet som forsøkte å oppdage jordens bevegelse gjennom et medium kalt den lysende eteren, som fysikere på den tiden trodde gjennomsyret verdensrommet. På slutten av 1800-tallet, Thomas Young brukt et slikt instrument for hans berømte dobbeltspalteeksperiment for å teste om lys var en partikkel eller en bølge – og som vi nå vet, er lys begge deler. De det samme gjelder for saken.
Tidligere eksperimenter med materiebølge-interferometri målte det fritt fallet til to isotoper av det samme atomelementet, i håp om å oppdage små forskjeller. I 2014 mente et team av fysikere at det kanskje ikke var tilstrekkelig forskjell mellom komposisjonene deres for å oppnå den største følsomheten. Så de brukte isotoper av forskjellige elementer i deres versjon av disse eksperimentene, nemlig rubidium- og kaliumatomer. Laserpulser sørget for at atomene falt langs to separate baner før de ble rekombinert. Forskerne observerte det avslørende interferensmønsteret, noe som indikerer at ekvivalensen fortsatt holdt seg innenfor 1 del av 10 millioner.