Прошло более 100 лет со времен Эйнштейна и более 300 лет со времен Ньютона. Нам еще предстоит пройти долгий путь.
От измерения того, как объекты падают на Землю, до наблюдения за движением Луны и планет, один и тот же закон гравитации управляет всей Вселенной. От Галилея до Ньютона и Эйнштейна в нашем понимании самой универсальной силы все еще есть серьезные пробелы. Это единственная сила, не имеющая квантового описания. Фундаментальная постоянная, управляющая гравитацией, G настолько малоизвестна, что многих это смущает. А искривление самой ткани пространства-времени оставалось неизмеримым в течение столетия после того, как Эйнштейн выдвинул общую теорию относительности. Но многое из этого может резко измениться, как понял наш сторонник Patreon Ник Делрой, спросив:
Пожалуйста, объясните нам, насколько это круто, и что, по вашему мнению, ждет измерение силы тяжести в будущем. Инструмент явно локализован, но мое воображение не перестаёт придумывать этому приложения.
Большая новость, которой он, конечно, взволнован, это новая экспериментальная техника, которая впервые измерила кривизну пространства-времени из-за гравитации.
Подумайте, как вы могли бы организовать эксперимент по измерению силы гравитации в любом месте в космосе. Ваш первый порыв может быть простым и понятным: возьмите неподвижный объект, отпустите его, чтобы он начал свободно падать, и посмотрите, как он ускорится.
Измеряя изменение положения с течением времени, вы можете реконструировать, каким должно быть ускорение в этом месте. Если вы знаете правила, управляющие гравитационной силой - i.е., у вас есть правильный закон физики, такой как теории Ньютона или Эйнштейна - вы можете использовать эту информацию, чтобы получить еще больше информации. В каждой точке вы можете определить силу гравитации или степень искривления пространства-времени. Кроме того, если вы знаете дополнительную информацию (например, соответствующее распределение материи), вы даже можете вывести G, гравитационную постоянную Вселенной.
Этот простой подход был первым, использованным для исследования природы гравитации. Основываясь на работе других, Галилей определил гравитационное ускорение на поверхности Земли. За десятилетия до того, как Ньютон сформулировал свой закон всемирного тяготения, итальянские ученые Франческо Гримальди и Джованни Риччоли сделали первые расчеты гравитационной постоянной G.
Но подобные эксперименты, какими бы ценными они ни были, ограничены. Они могут дать вам информацию о гравитации только в одном измерении: к центру Земли. Ускорение основано либо на сумме всех чистых сил (Ньютон), действующих на объект, либо на чистой кривизне пространства-времени (Эйнштейн) в одном конкретном месте во Вселенной. Поскольку вы наблюдаете объект в свободном падении, вы получаете только упрощенную картину.
К счастью, есть способ получить и многомерную картину: провести эксперимент, чувствительный к изменениям в гравитационном поле/потенциале, когда объект меняет свое положение. Впервые это было осуществлено экспериментально в 1950-х годах в эксперименте Паунда-Ребки.
Эксперимент вызвал ядерное излучение на малой высоте, и обратите внимание, что соответствующее ядерное поглощение не произошло на большей высоте, предположительно из-за гравитационного красного смещения, как предсказывал Эйнштейн. Тем не менее, если вы дадите низкому излучателю положительный импульс к его скорости, прикрепив его к диффузору динамика, эта дополнительная энергия будет компенсировать потерю энергии, которая поднимается вверх в гравитационном поле. В результате прилетающий фотон имеет нужную энергию, и происходит поглощение. Это была одна из классических проверок общей теории относительности, подтвердившая Эйнштейну, где предсказания его теории расходились с предсказаниями Ньютона.
Сегодня мы можем добиться большего, чем эксперимент Паунда-Ребки, используя технологию атомных часов. Эти часы являются лучшими хронометристами во Вселенной, превзойдя лучшие естественные часы - пульсары - десятилетия назад. Нобелевский лауреат Дэвид Вайнленд, способный отслеживать разницу во времени примерно по 18 существенным характеристикам часов, возглавил группу, которая продемонстрировала, что поднятие атомных часов всего на фут (около 33 см в эксперименте) над другими приводит к измеримому сдвигу частоты в часах. часы зарегистрированы как секунды.
Если бы мы перенесли эти часы в любое место на Земле и отрегулировали высоту по своему усмотрению, мы смогли бы понять, как гравитационное поле изменяется в зависимости от высоты. Мы можем измерить не только гравитационное ускорение, но и изменения ускорения по мере удаления от поверхности Земли.
Но даже эти достижения не могут определить истинное искривление пространства. Этот следующий шаг будет достигнут только в 2015 году: ровно через 100 лет после того, как Эйнштейн впервые выдвинул свою общую теорию относительности. Кроме того, за это время возникла еще одна проблема, заключающаяся в том, что различные методы измерения гравитационной постоянной G дают разные ответы.
Для определения G использовались три различных экспериментальных метода: крутильные весы, крутильные маятники и эксперименты по атомной интерферометрии. За последние 15 лет измеренные значения гравитационной постоянной колебались от 6,6757 × 10-11 Н/кг2⋅м2 до 6,6719 × 10-11 Н/кг2⋅м2. Эта разница в 0,05% для фундаментальной константы делает ее одной из самых плохо определенных констант во всей природе.
Но вот тут-то и появляется новое исследование, впервые опубликованное в 2015 году, но многократно уточнявшееся за последние четыре года. Группа физиков, работающих в Европе, смогла одновременно сопрягать три атомных интерферометра. Вместо того, чтобы использовать всего две точки на разных высотах, они смогли получить взаимные различия между тремя разными высотами в одном месте на поверхности, что позволяет получить не просто одну разницу или даже градиент гравитационного поля, а но изменение градиента в зависимости от расстояния.
Когда вы исследуете, как гравитационное поле изменяется в зависимости от расстояния, вы можете понять форму изменения кривизны пространства-времени. Когда вы измеряете гравитационное ускорение в одном месте, вы чувствительны ко всему вокруг вас, в том числе к тому, что находится под землей и как оно движется. Измерение градиента поля более информативно, чем просто одно значение; измерение того, как изменяется этот градиент, дает вам еще больше информации.
Вот что делает эту новую технику такой мощной. Мы не просто собираемся в одном месте и выясняем, что такое гравитационная сила. Мы также не идем в какое-то место и не выясняем, что такое сила и как эта сила меняется с высотой. Вместо этого мы определяем гравитационную силу, как она меняется с высотой и как изменение силы меняется с высотой.
«Подумаешь, - скажете вы, - мы уже знаем законы физики. Мы знаем, что предсказывают эти законы. Почему меня должно волновать, что мы измеряем что-то, что подтверждает с немного большей точностью то, что, как мы всегда знали, должно быть правдой?»
Ну, есть несколько причин. Во-первых, выполнение нескольких измерений градиента поля одновременно позволяет вам измерять G между несколькими точками, что устраняет источник ошибки: ошибку, возникающую при перемещении устройства. Выполняя одновременно три измерения вместо двух, вы получите три разности (между 1 и 2, 2 и 3 и 1 и 3), а не только 1 (между 1 и 2).
Но другая причина, возможно, даже более важная, заключается в том, чтобы лучше понять гравитационное притяжение объектов, которые мы измеряем. Идея о том, что мы знаем законы гравитации, верна, но мы знаем, какой должна быть гравитационная сила, только если знаем величину и распределение всех масс, имеющих отношение к нашему измерению. Земля, например, вообще не является однородной структурой. Везде, куда бы мы ни пошли, мы испытываем флуктуации силы гравитации, зависящие от таких факторов, как:
- плотность корки под ногами,
- местоположение границы земной коры и мантии,
- степень изостатической компенсации, имеющей место на этой границе,
- наличие или отсутствие залежей нефти или других месторождений с переменной плотностью под землей,
и так далее. Если мы сможем применить этот метод трехатомной интерферометрии где угодно на Земле, мы сможем лучше понять внутреннюю часть нашей планеты, просто проводя измерения на поверхности.
В будущем возможно будет расширить этот метод для измерения кривизны пространства-времени не только на Земле, но и на любых мирах, на которые мы можем поместить посадочный модуль. Это включает в себя другие планеты, луны, астероиды и многое другое. Если мы хотим заняться добычей полезных ископаемых на астероидах, это может стать идеальным инструментом для разведки. Мы могли бы значительно улучшить наши геодезические эксперименты и улучшить наши возможности наблюдения за планетой. Мы могли бы лучше отслеживать внутренние изменения в магматических очагах, например. Если бы мы применили эту технологию к будущим космическим кораблям, это могло бы даже помочь скорректировать ньютоновский шум в обсерваториях гравитационных волн следующего поколения, таких как LISA или более поздних.
Вселенная состоит не просто из точечных масс, а из сложных, замысловатых объектов. Если мы когда-нибудь надеемся выявить самые чувствительные сигналы и узнать детали, которые ускользают от нас сегодня, нам нужно стать более точными, чем когда-либо. Благодаря трехатомной интерферометрии мы впервые можем напрямую измерить кривизну пространства.
Понимание внутренностей Земли лучше, чем когда-либо, - это первое, что мы получим, но это только начало. Научные открытия - это не конец игры; это отправная точка для новых приложений и новых технологий. Вернитесь через несколько лет; вы можете быть удивлены тем, что становится возможным на основе того, что мы узнаем сегодня впервые.
Отправляйте свои вопросы «Задайте Итану» по адресу startswithabang at gmail dot com!