Fransk satellit bekræfter Einsteins ækvivalensprincip

[BjarneModerator Super Nova]

Galileo’s 400-year-old theory of free-falling objects passes space test

Einsteins specielle relativitetsteori fra 1905 forudsiger, at der er en sammenhæng mellem et legemes træge masse og legemets totale energi, nemlig den berømte formel E = m⋅c², hvor E er den totale energi og m er den træge masse. Hvis et legeme påvirkes med kraften F, vil den træge masse bestemme legemets acceleration a ud fra formlen F = m⋅a. Men hvad bestemmer den tunge masse m_t, som indgår i Newtons udtryk for tyngdekraften, F = G⋅m_t⋅M/r², fra et legeme med massen M i afstanden r? Atomkernernes bindingsenergier er forskellige for forskellige grundstoffer, og disse bindingsenergier skal indkluderes i den træge masse. Einstein postulerede i 1907, at den tunge masse kan sættes lig den træge masse, m_t=m. Dette er Einsteins svage ækvivalensprincip. Det medfører umiddelbart, at alle grundstoffer falder med den samme acceleration i et tyngdefelt. To legemer bestående af hvert sit grundstof vil derfor følge den samme bane under et frit fald i et tyngdefelt. Ækvivalensprincippet er baggrunden for, at det frie fald i et tyngdefelt kan beskrives som en geodætisk kurve i en krum firedimensional rumtid. Gravitationen er slet ikke en kraft, men i stedet et udtryk for rumtidens krumning.

Nu kan man jo postulere hvad som helst. Hvad siger eksperimenterne om ækvivalensprincippet? Galilei var den første, som forsøgte at måle accelerationen af frit-faldende legemer, men nøjagtigheden var ikke særlig stor. Den bedste bestemmelse på Jordens overflade finder, at den træge og den tunge masse afviger mindre end 1 ud af 10¹³. En fransk satellit ved navn PERISCOPE sammenligner accelerationen af en ydre cylinder bestående af en legering af titan og aluminium og en indre cylinder bestående af platin og rhodium. Forskerholdet bag PERISCOPE finder efter 1500 jordomløb, at den træge og den tunge masse for de 2 cylindre afviger med mindre end 1 del ud af 10¹⁴. Man håber, at man efter yderligere 900 jordomløb kan nå ned på 1 del ud af 10¹⁵.

Man kan læse en beskrivelse af eksperimentet (på engelsk) ved at følge linket for oven på siden.

 

[BjarneModerator Super Nova]

Den oprindelige artikel, som beskriver MICROSCOPE- missionen, er blevet frigivet på arXiv.org:

The MICROSCOPE mission: first results of a space test of the Equivalence Principle

According to the Weak Equivalence Principle, all bodies should fall at the same rate in a gravitational field. The MICROSCOPE satellite, launched in April 2016, aims to test its validity at the 10^-15 precision level, by measuring the force required to maintain two test masses (of titanium and platinum alloys) exactly in the same orbit. A non-vanishing result would correspond to a violation of the Equivalence Principle, or to the discovery of a new long-range force. Analysis of the first data gives δ(Ti,Pt)=[-1±9(stat)±9(syst)]×10^-15 (1σ statistical uncertainty) for the titanium-platinum Eötvös parameter characterizing the relative difference in their free-fall accelerations.

 

[Forfatter]

Indlæg