Различные типы атомов падают с одинаковым ускорением из-за силы тяжести, подтверждая концепцию, называемую принципом эквивалентности, - пишет sciencenews.org со ссылкой на Physical Review Letters.
Согласно легенде, Галилей сбросил грузы с Пизанской башни, показывая, что гравитация заставляет предметы разной массы падать с одинаковым ускорением. В последние годы исследователи начали воспроизводить этот тест способом, который итальянский ученый, вероятно, никогда не предполагал, - сбрасывая атомы.
Новое исследование описывает самый чувствительный на данный момент тест на падение атома и показывает, что гравитационный эксперимент Галилея все еще верен - даже для отдельных атомов. Два разных типа атомов имели одинаковое ускорение в пределах одной части на триллион, или 0,0000000001 процента.
По сравнению с предыдущим испытанием падения атомов, новое исследование в тысячу раз более чувствительное. «Это шаг вперед», - говорит физик Гульельмо Тино из Университета Флоренции, который не участвовал в новом исследовании.
Исследователи сравнили атомы рубидия двух разных изотопов - атомы, которые содержат разное количество нейтронов в своих ядрах. Команда запустила облака этих атомов высотой около 8,6 метра в трубу под вакуумом. Исследователи обнаружили, что по мере того, как атомы поднимались и опускались, обе разновидности ускорялись практически с одинаковой скоростью.
В очередной раз подтверждая гравитационный эксперимент Галилея, результат подтверждает принцип эквивалентности - основу общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Этот принцип гласит, что инерционная масса объекта, которая определяет, насколько он ускоряется при приложении силы, эквивалентна его гравитационной массе, которая определяет, насколько сильную гравитационную силу он ощущает. Итог: ускорение объекта под действием силы тяжести не зависит от его массы или состава.
Пока что принцип эквивалентности выдержал все испытания. Но атомы, подчиняющиеся странным законам квантовой механики, могут выявить свои слабые места. «Когда вы проводите тест с атомами... вы проверяете принцип эквивалентности и по-новому подчеркиваете его», - говорит физик Марк Касевич из Стэнфордского университета.
Касевич и его коллеги изучали крошечные частицы с помощью атомной интерферометрии, которая использует преимущества квантовой механики для проведения чрезвычайно точных измерений. Во время полета атомов ученые переводят атомы в состояние, называемое квантовой суперпозицией, в котором частицы не имеют определенного местоположения. Вместо этого каждый атом существовал в суперпозиции двух мест, разделенных расстоянием до семи сантиметров. Когда два местоположения атомов были снова сведены вместе, атомы вмешались друг в друга, что точно показало их относительное ускорение.
Многие ученые считают, что принцип эквивалентности рано или поздно нарушится. «У нас есть разумные ожидания, что наши текущие теории… не конец истории», - говорит физик Магдалена Зих из Университета Квинсленда в Брисбене (Австралия), которая не принимала участия в исследовании. Это связано с тем, что квантовая механика - раздел физики, описывающий противоречащую интуиции физику очень малого - не очень хорошо согласуется с общей теорией относительности, что заставляет ученых искать теорию квантовой гравитации, которая могла бы объединить эти идеи. Многие ученые подозревают, что новая теория нарушит принцип эквивалентности слишком незначительно, чтобы это можно было обнаружить с помощью тестов, проведенных до сих пор.
Но физики надеются улучшить такие атомные тесты в будущем, например, проводя их в космосе, где объекты могут свободно падать в течение длительных периодов времени. Испытание принципа эквивалентности в космосе уже проводилось с металлическими цилиндрами, но еще не с атомами.
Так что все еще остается шанс доказать неправоту Галилея.
[Фото: sciencenews.org]
