Forskere brukte en satellitt som kretser rundt jorden til å utføre en ultra-nøyaktig test av et kjernepremiss for Einsteins generelle relativitetsteori, som er den moderne gravitasjonsteorien. Spørsmålet er om to forskjellige typer masse – gravitasjon og treghet – er identiske. Forskerne fant at to objekter ombord på satellitten falt mot jorden i samme hastighet, med en nøyaktighet på én del i en kvadrillion. Denne vellykkede testen av Einsteins teori har betydelige implikasjoner for nåværende kosmiske mysterier – for eksempel spørsmålet om mørk materie og mørk energi eksisterer.
Lure de gamle
Tyngdekraften er kraften som holder universet sammen, drar i fjerne galakser og leder dem i en evig kosmisk dans. Tyngdekraften styres delvis av avstanden mellom to objekter, men også av massene av objekter. Et objekt med mer masse opplever mer gravitasjon. Det tekniske navnet på denne typen masse er “gravitasjonsmasse.”
Masse har en annen egenskap, som man kan kalle treghet. Dette er et objekts tendens til å motstå endringer i bevegelse. Mer massive ting er med andre ord vanskeligere å flytte: Det er lettere å skyve en sykkel enn en bil. Det tekniske navnet på denne typen masse er “treghetsmasse.”
Det er ingen grunn først å anta at gravitasjonsmasse og treghetsmasse er den samme. Den ene styrer tyngdekraften, mens den andre styrer bevegelsen. Hvis de var forskjellige, ville tunge og lette gjenstander falle i ulik hastighet, og filosofer i det gamle Hellas observerte faktisk at en hammer og en fjær faller forskjellig. Tunge gjenstander ser absolutt ut til å falle raskere enn lette. Vi vet nå at luftmotstanden er synderen, men det var neppe åpenbart tidligere.
Situasjonen ble avklart 17th århundre, da Galileo utførte en serie eksperimenter ved å bruke ramper og kuler med forskjellige masser for å vise at gjenstander med forskjellige masser faller med samme hastighet. (Hans ofte siterte eksperiment med å slippe baller fra Tower of Pisa er sannsynligvis apokryfisk.) Og i 1971, astronaut David Scott gjentatt overbevisende Galileos eksperiment på den luftløse månen, da han slapp en hammer og en fjær, og de falt identisk. De gamle grekerne hadde blitt lurt.
Mørk formodning
Påstanden om at treghets- og gravitasjonsmasse er den samme er kjent som ekvivalensprinsippet, og Einstein har trukket ekvivalens inn i sin gravitasjonsteori. Generell relativitet forutsier vellykket hvordan objekter faller under de fleste omstendigheter, og det vitenskapelige samfunnet aksepterer det som den beste teorien om tyngdekraft.
Abonner for kontraintuitive, overraskende og virkningsfulle historier levert til innboksen din hver torsdag
Men “de fleste” omstendigheter betyr ikke “alle”, og astronomiske observasjoner har avslørt noen forvirrende mysterier. For det første roterer galakser raskere enn stjernene deres, og gassene i dem kan forklare eller enn Einsteins gravitasjonsteori kan forklare. Den mest aksepterte forklaringen på denne uoverensstemmelsen er eksistensen av et stoff som kalles mørk materie – materie som ikke avgir lys. En annen kosmisk gåte er observasjonen av at universets utvidelse akselererer. For å forklare denne merkeligheten har forskere postulert at universet er fullt av en frastøtende form for tyngdekraft som kalles mørk energi.
Dette er imidlertid spørsmål om informert formodning. Det kan være at vi ikke helt forstår tyngdekraften eller bevegelseslovene. Før vi kan ha noen tillit til at mørk materie og mørk energi er ekte, må vi validere Einsteins teori om generell relativitetsteori med svært høy presisjon. For å gjøre det, må vi vise at ekvivalensprinsippet er sant.
Mens Isaac Newton testet ekvivalensprinsippet tilbake på 1600-tallet, er moderne innsats mye mer nøyaktig. På 1900-tallet sprettet astronomer lasere fra speil som ble etterlatt på månen av Apollo-astronauter for å vise at treghets- og gravitasjonsmasse er den samme med en nøyaktighet på én del av 10 billioner. Den prestasjonen var imponerende. Men det siste eksperimentet gikk enda lenger.
Generell relativitet består en annen test
En gruppe forskere kalte Mikroskop samarbeid lanserte en satellitt ut i verdensrommet i 2016. Sylindre av titan og platina var om bord, og forskernes hensikt var å teste ekvivalensprinsippet. Ved å sette apparatet sitt i verdensrommet isolerte de utstyret fra vibrasjoner og små gravitasjonsforskjeller skapt av nærliggende fjell, underjordiske olje- og mineralforekomster og lignende. Forskerne overvåket plasseringen av sylindrene ved hjelp av elektriske felt. Tanken er at hvis de to objektene kretser forskjellig, må de bruke to forskjellige elektriske felt for å holde dem på plass.
Det de fant var at de nødvendige elektriske feltene var de samme, slik at de kunne bestemme at eventuelle forskjeller i treghets- og gravitasjonsmasse kom ut til mindre enn én del i en kvadrillion. I hovedsak gjorde de en presis validering av ekvivalensprinsippet.
Selv om dette er et forventet utfall fra et synspunkt om generell relativitet, har det svært betydelige konsekvenser for studiet av mørk materie og mørk energi. Mens disse ideene er populære, tror noen forskere at rotasjonsegenskapene til galakser bedre kan forklares av nye teorier om tyngdekraften. Mange av disse alternative teoriene innebærer at ekvivalensprinsippet ikke er helt perfekt.
MicroSCOPE-målingen så ingen brudd på ekvivalensprinsippet. Resultatene utelukker noen alternative teorier om gravitasjon, men ikke alle. Forskere forbereder et andre eksperiment, kalt MicroSCOPE2, som skal være omtrent 100 ganger mer presist enn forgjengeren. Hvis den ser avvik fra prinsippet om ekvivalens, vil det gi forskere avgjørende veiledning mot å utvikle nye og forbedrede teorier om tyngdekraften.