Ogólna teoria względności Einsteina jest jedną z najbardziej skomplikowanych teorii fizycznych, chociaż jej podstawy są dość proste do wyjaśnienia. Można by ją skrócić do stwierdzenia, że siła grawitacji wynika z lokalnej geometrii czasoprzestrzeni. Einstein zawarł w swojej teorii kluczowe treści dotyczące koncepcji czasu i przestrzeni, a także spostrzeżenia dotyczące równości masy grawitacji i masy bezwładnej. Właśnie o tych ostatnich mówi tzw. zasada równoważności, według której “wszystkie prawa ruchu dla ciał w spadku swobodnym są takie same jak w układzie inercjalnym”. Co to właściwie oznacza?
Teoria względności poprawna, choć niektórzy wątpili
Jedno z podstawowych założeń fizyki mówi, że różne właściwości masy, w tym ciężar, bezwładności i grawitacja, pozostają niezmienne względem siebie. Bazuje na tym również ogólna teoria względności Einsteina, dzięki czemu tak dobrze opisuje znany nam Wszechświat. Ale według teorii kwantowej możliwe jest naruszenie tej zasady, co sprawia, że część fizyków kwantowych uważa teorię Einsteina za niedoskonałą i “niewystarczającą”.
Czytaj też: Mamy przełom! Wynaleziono sposób na produkcję paliwa do reaktorów fuzyjnych
Uczeni z Uniwersytetu w Bremie i Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze udowodnili ze 100-krotnie większą dokładnością, że pasywna masa grawitacyjna i aktywna masa grawitacyjna są zawsze równoważne – niezależnie od konkretnego składu odpowiednich mas. Badania zostały opisane w czasopiśmie naukowym Physical Review Letters.
Masa bezwładna wynika z drugiej zasady dynamiki Newtona i określa jak bardzo ciało przyspiesza w wyniku działania na nie znanej siły. Z kolei masa grawitacyjna wynika z siły grawitacji. Można zatem oddzielić bierną masę grawitacyjną jako miarę oddziaływania z zewnętrznym polem grawitacyjnym (wytwarzanym przez inne masy) oraz czynną masę grawitacyjną jako miarę wytwarzanego pola grawitacyjnego (oddziałującego na inne masy). Trzecia zasada dynamiki Newtona mówi, że bierna i czynna masa grawitacyjna są sobie równe, a doświadczalnie potwierdzono równość masy bezwładnej i masy grawitacyjnej – co jest jednym z fundamentów ogólnej teorii względności.
Jeżeli bierna i czynna masa grawitacyjna nie byłyby równe, to obiekty wykonane z różnych materiałów o różnym środku masy przyspieszałyby się. Dobrym przykładem jest Księżyc, którego skorupa i jądro są zbudowane z innych materiałów, a więc ich środki masy są przesunięte. Nasz naturalny satelita powinien przyspieszyć, co da się zmierzyć za pomocą tzw. transkiężycowej transmisji laserowej (Lunar Laser Ranging, LLR).
Czytaj też: Fizyka kwantowa – siedem faktów, które warto znać
Eksperyment ten polega na skierowaniu laserów z Ziemi na reflektory umieszczone na Księżycu przez misje Apollo i radziecki program Luna. Naukowcy rejestrują czasy podróży wiązek laserowych w obie strony, a dane zebrane przez ponad 50 lat (między 1970 r. a 2022 r.) nie wykazano żadnych efektów, które mogłyby świadczyć o przyspieszaniu naszego naturalnego satelity. To oznacza, że bierna i czynna masa grawitacyjna Księżyca są równe z dokładnością do ok. 14 miejsc po przecinku. Współczesne szacunki są 100 razy precyzyjniejsze niż te z 1986 r.
Warto podkreślić, że Instytut Geodezji Uniwersytetu w Hanowerze jest jednym z czterech ośrodków na świecie analizujących dane laserowe LLR. To z kolei potwierdza poprawność ogólnej teorii względności Einsteina.
