» » » » » » » Teste gravitaționale pentru principiile de echivalență din relativitatea generală

Teste gravitaționale pentru principiile de echivalență din relativitatea generală

Spacetime lattice analogy
Source https://en.wikipedia.org/wiki/File:Spacetime_lattice_analogy.svg

Principiul slab de echivalență

Testele principiului slabei echivalențe sunt cele care verifică echivalența dintre masa gravitațională și masa inerțială. Un test evident lasă să cadă obiecte diferite, în mod ideal într-un mediu cu vid, de exemplu, în interiorul turnului Fallturm Bremen.

Cercetător An Metoda Resultat
John Philoponus Secol 6 A spus că, prin observație, două bile de greutăți foarte diferite vor cădea la aproape aceeași viteză nu există diferențe detectabile
Simon Stevin ~1586 Bilele de plumb de diferite mase au fost lăsate să cadă de pe turnul bisericii din Delft nu există diferențe detectabile
Galileo Galilei ~1610 Bilele cu greutate variabilă au fost rostogolite pe planurile înclinate pentru a încetini viteza, astfel încât să fie măsurabile nu există diferențe detectabile
Isaac Newton ~1680 Măsoară perioada pendulelor cu mase diferite, dar lungimi identice diferența este mai mică de 1 parte din 103
Friedrich Wilhelm Bessel 1832 Măsoară perioada pendulelor cu mase diferite, dar lungimi identice nici o diferență măsurabilă
Loránd Eötvös 1908 Măsoară torsiunea pe un fir, suspendând o grindă de echilibru, între două mase aproape identice sub accelerația gravitației și rotația Pământului diferența este de 10±2 părți în 109 (H2O/Cu)
Roll, Krotkov and Dicke 1964 Experimentul balanței de torsiune, cu masele de testare din aluminiu și aur |η(Al,Au)| = (1,3±1.0)×10−11
David Scott 1971 A lăsat să cadă o pană de șoim și un ciocan în același timp pe Lună nu există o diferență detectabilă (nu este un experiment riguros, dar este foarte dramatic fiind primul experiment lunar )
Braginsky and Panov 1971 Balanța de torsiune, mase de încercări de aluminiu și platină, măsurând accelerația către Soare diferența este mai mică de 1 parte în 1012
Eöt-Wash group 1987– Balanța de torsiune, măsurând accelerația diferitelor mase spre Pământ, Soare și centrul galactic, folosind mai multe tipuri diferite de mase η(Pământ,Be-Ti) = (0,3±1,8)×10−13

 

An Investigator Sensibilitate Metoda
500? Philoponus „small” Cădere din turn
1585 Stevin 5×10−2 Cădere din turn
1590? Galileo 2×10−2 Pendul, cădere din turn
1686 Newton 10−3 Pendul
1832 Bessel 2×10−5 Pendul
1908 (1922) Eötvös 2×10−9 Balanță de torsiune
1910 Southerns 5×10−6 Pendul
1918 Zeeman 3×10−8 Balanță de torsiune
1923 Potter 3×10−6 Pendul
1935 Renner 2×10−9 Balanță de torsiune
1964 Dicke, Roll, Krotkov 3×10−11 Balanță de torsiune
1972 Braginsky, Panov 10−12 Balanță de torsiune
1976 Shapiro, et al. 10−12 Laser, Luna
1981 Keiser, Faller 4×10−11 Suport fluid
1987 Niebauer, et al. 10−10 Cădere din turn
1989 Stubbs, et al. 10−11 Balanță de torsiune
1990 Adelberger, Eric G.; et al. 10−12 Balanță de torsiune
1999 Baessler, et al. 5×10−14 Balanță de torsiune
anulat? MiniSTEP 10−17 Orbita Pământului
2016 MICROSCOPE 10−16 Orbita Pământului
2015? Reasenberg/SR-POEM 2×10−17 Cădere liberă în vid

Experimente sunt încă efectuate la Universitatea din Washington, care au limitat accelerarea diferențiată a obiectelor spre Pământ, spre Soare și spre materia întunecată din centrul galactic. Experimentele viitoare prin satelit – STEP (Testul prin satelit al principiului echivalenței), Galileo Galilei și MICROSCOPE (MICROSatellite à Trainee Compensée pour l’Observation du Principe d’équivalence) – vor testa principiul slabei echivalențe în spațiu, cu mult mai mare precizie.

Cu prima producție reușită de antimaterie, în special anti-hidrogen, a fost propusă o nouă abordare pentru a testa principiul echivalenței slabe. Experimentele pentru a compara comportamentul gravitațional al materiei și antimateriei sunt în curs de dezvoltare.

Propunerile care pot conduce la o teorie cuantică a gravitației cum ar fi teoria corzilor și gravitația cuantică în bucle prevăd încălcări ale principiului slabei echivalențe deoarece ele conțin multe câmpuri scalare ușoare cu lungimi de undă mari Compton, care ar trebui să genereze forțe a cincea și variația constantelor fundamentale. Argumentele euristice sugerează că magnitudinea acestor încălcări ale principiului echivalenței ar putea fi în intervalul 10-13 până la 10-18. În prezent, testele vizate ale principiului slabei echivalențe se apropie de un grad de sensibilitate astfel încât nedesoperirea unei încălcări ar fi la fel de profundă ca și descoperirea unei încălcări. Lipsa descoperirii încălcării principiului echivalenței în acest domeniu ar sugera că gravitația este atât de fundamental diferită de alte forțe, încât necesită o reevaluare majoră a tentativelor actuale de a unifica gravitația cu celelalte forțe ale naturii. O detecție pozitivă, pe de altă parte, ar oferi un ghid important spre unificare.

Principiul echivalenței lui Einstein

În plus față de testele principiului slabei echivalențe, principiul echivalenței Einstein poate fi testat prin căutarea variației constantelor fără dimensiuni și a rapoartelor de masă. Limitele actuale ale variației constantelor fundamentale au fost determinate, în principal, prin studierea ocurenței naturale la reactorul natural de fisiune nucleară Oklo, unde reacțiile nucleare similare celor observate astăzi s-au dovedit a fi avut loc în sub pământ cu aproximativ două miliarde de ani în urmă. Aceste reacții sunt extrem de sensibile la valorile constantelor fundamentale.

Constanta An Metoda Limita pe schimbare fracțională
factorul giromagnetic proton 1976 astrofizică 10−1
constanta interacțiunii slabe 1976 Oklo 10−2
constanta structurii fine 1976 Oklo 10−7
raportul de masă electron-proton 2002 quasari 10−4

Au existat o serie de încercări controversate de constrângere a variației constantei de interacțiune tare. Au existat câteva sugestii conform cărora „constantele” variază în funcție de scalele cosmologice. Cea mai cunoscută este detecția raportată a variației (la nivelul 10-5) a constantei de structură fină din măsurătorile quasarilor îndepărtați. Alți cercetători contestă aceste rezultate. Alte teste ale principiului de echivalență Einstein sunt experimentele de schimbare a vitezei de rotație gravitațională, cum ar fi experimentul Pound-Rebka care testează independența de poziție a experimentelor.

Principiul puternic de echivalență

Principiul puternic de echivalență poate fi testat prin căutarea unei variații a constantei gravitaționale G a lui Newton pe durata vieții universului sau, în mod echivalent, a variației masei particulelor fundamentale. Un număr de constrângeri independente, de la orbitele din sistemul solar și studiul nucleosintezei big bang, au arătat că G nu poate fi variat cu mai mult de 10%.

Astfel, principiul puternic de echivalență poate fi testat prin căutarea forțelor a cincea (abateri de la legea forței gravitaționale prognozate de relativitatea generală). Aceste experimente caută în mod obișnuit eșecurile legii invers-pătratice (în special forțele Yukawa sau eșecurile teoremei lui Birkhoff) ale gravitației în laborator. Cele mai exacte teste pe distanțe scurte au fost efectuate de grupul Eöt-Wash. Un viitor experiment prin satelit, SEE (Satellite Energy Exchange), va căuta forțele a cincea în spațiu și ar trebui să poată constrânge în continuare încălcarea principiului puternic de echivalență. Alte limite, în căutarea forțelor pe distanțe mult mai mari, au fost introduse prin căutarea efectului Nordtvedt, o „polarizare” a orbitelor sistemului solar care ar fi cauzate de accelerația gravitațională de autogenerare cu o rată diferită de materia normală. Acest efect a fost testat sensibil de experimentul Lunar Laser Ranging. Alte teste includ studierea deflecției radiației de la surse radio depărtate de soare, care poate fi măsurată cu precizie prin interferometrie de bază foarte lungă. Un alt test sensibil vine din măsurarea schimbării de frecvență a semnalelor către și de la nava spațială Cassini. Împreună, aceste măsurători au stabilit limite strânse în teoria Brans-Dicke și în alte teorii alternative de gravitație.

În 2014, astronomii au descoperit un sistem triplu stelar, incluzând un pulsar de ordinul milisecundelor, PSR J0337 + 1715, și două pitice albe care îl orbitează. Sistemul a oferit o șansă de a testa principiul puternic de echivalență într-un câmp gravitațional puternic cu o precizie ridicată.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *