Einstein uspěl v doposud nejpřísnějším testu s volným pádem  
Nezdolná Einsteinova obecná relativita získala další skalp. Tentokrát jde o experiment MICROSCOPE, který zahrnoval sérii testů slabého principu ekvivalence na oběžné dráze. Experiment vystavil obecnou relativitu zatím nejpřísnějšímu testu ve volném pádu, ale s Einsteinem to ani nehnulo.
Satelit MICROSCOPE. Kredit: CNES.
Satelit MICROSCOPE. Kredit: CNES.

Princip ekvivalence, který patří k základním kamenům Einstenovy obecné relativity, v podstatě říká, že gravitační zrychlení nelze rozlišit od zrychlení pohybem. Používá se v několika podobách. Takzvaný slabý princip ekvivalence, též známý jako Galileovský princip ekvivalence, vychází z univerzálnosti volného pádu. Je založený na tom, že všechny objekty ve stejném gravitačním poli zrychlují stejně, pokud na ně nepůsobí další vlivy. Nezáleží přitom na jejich hmotnosti, tvaru nebo složení.

 

Pierre Touboul. Kredit: ONERA.
Pierre Touboul. Kredit: ONERA.

 

Vědci princip ekvivalence milují a rádi ho vystavují testům. Už se jich odehrála celá řada a v řadě případů šlo o pozoruhodnou vědeckou show, protože bývají divácky atraktivní. Jeden z nejslavnějších testů má na svědomí letos již devadesátiletý astronaut David Scott. Během pobytu na Měsíci v rámci mise Apollo 15 provedl test volného pádu kladívka a peříčka, které pustil ze stejné výšky, a které, přesně podle Einsteina, dopadly ve stejný okamžik.

 

Doposud nejpřísnější test princip ekvivalence zažil díky experimentu MICROSCOPE, který vedl bohužel nedávno zesnulý francouzský fyzik Pierre Touboul z výzkumného centra Office National d'Etudes et de Recherches Aérospatiales (ONERA) na Université Paris Saclay. V tomto experimentu sehrál klíčovou roli 330kilogramový satelit MICROSCOPE (Micro-Satellite à traînée Compensée pour l'Observation du Principe d'Equivalence), který obíhal Zemi od dubna 2016 do října 2018.

 

Logo. Kredit: ONERA.
Logo. Kredit: ONERA.

 

Během pobytu na oběžné dráze se na palubě MICROSCOPE odehrávaly dílčí experimenty s volným pádem, z nichž vzešlo množství dat. Dvě třetiny z nich zahrnovala testy se závažími různého složení, se slitinami titanu a platiny. Třetina experimentů využila platinová závaží o stejném složení.

 

Jde o moderní podobu experimentu barona Eötvöse, jednoho z nejlepších experimentátorů přelomu 19. a 20. století. Experiment MICROSCOPE se dostal až na úroveň přesnosti 10-15, která je u tohoto typu měření nejpřísnější v historii. Zároveň prý není pravděpodobné, že by byl experiment MICROSCOPE v dohledné době překonán.

 

Je to skvělý úspěch. Experiment MICROSCOPE mohl fungovat jen na orbitě a před startem satelitu nemohl být v celé šíři vyzkoušen. Nakonec to všechno dobře dopadlo a Einstein opět může slavit. Obecná relativita je teď ještě více pevná v kramflecích, než byla předtím.

 

Video: Most precise test of general relativity's Weak Equivalence Principle


Literatura

Science Alert 15. 9. 2022.

Physical Review Letters 129: 121102.

Classical and Quantum Gravity 39: 200401.

Datum: 15.09.2022
Tisk článku



Diskuze:

Odstredivá sila

Miro Skunda,2022-09-18 20:29:23

Zaujíma ma či umiestnenie presných hodín v v odstredivke spomalí beh času napr. pri efektívnej odstredivej sile 3 g ?
Keď to bolo zaznamenané pri zmene výšky takýchto hodín.

Odpovědět


Re: Odstredivá sila

Jirka Naxera,2022-09-19 23:36:54

Ano, zpomalí. Ale ne kvůli zrychlení (zrychlení ani gravitační pole v OTR samo o sobě nezpomaluje, to co zpomaluje je jen gravitační potenciál), ale kvůli relativistickému kruhovému pohybu.

Však to je (v relativistických jednotkách) je celkem snadné, plochý prostor v polárních jednotkách
dtau^2 (vlastní čas) = ds^2 = dt^2 - dr^2 - (r*d fi)^2
po troše algebry a dosazení dr=0, r*d fi/dt = v
dtau / dt = sqrt(1 - v^2), což odpovídá zpomalení času jaké známe ze specielní relativity pro přímočarý pohyb. (pravda, tam se to obvykle bere v SI jednotkách takže výsledek bude známé dtau / dt = sqrt(1 - v^2/c^2), ale nechtěl jsem se ztrapnit tím že se zamotám do těch céček ;-) )

Co nedokážu odhadnout je, co technicky takové zrychlení s těmi hodinami provede, ale to už není relativistický efekt ;-)

Odpovědět

Ztráta času?

Pavel Štverka,2022-09-17 18:42:20

Víc by mne zajímalo ověření gravitačního zákona. Tedy jestli na obě tělesa, která se přitahují, působí stejná síla (opačného směru) v případě, že jedno z těles je o několik řádu těžší a na velké vzdálenosti (např slunce vs. neptun a pod.).

Odpovědět

Ach zase ten Einstein...

Radoslav Porizek,2022-09-15 22:15:15

Princip ekvilancie je postulat, nie dosledok Vseobecnej teorie relativity.
Je to predpoklad, ktoreho platnost bola znama aj pred Einsteinom, tazko preto jeho platnost interpretovat ako "Einstein uspel".

Ano, koncepcia zakriveneho casopriestoru vysvetluje, preco by inercialna hmotnost mala byt rovna gravitacnej, takze v zmysle Occamovej britvy je to lepsia teoria. Ale Vseobecna teoria realtivity sa da naformulovat aj bez zakriveneho casopriestoru.

Pred 20-timi rokmi bola presnost urcnena s presnostou na 10 platnych cislic (co uz vtedy bola jedna s najpresnejsie zmeranych veci vobec), presnot na 15 platnych cislic naozaj uz vyraza dych.

Predpokladam, ze onym "volnym padom" sa mysli obezna draha, a teda ze nechali po dlhy cas obiehat rozne huste telesa a sledovali, ci ich trajektorie nebudu lisit. Ked uz sa v clanku uviedlo, ze zliatiny titanu a platiny, mohlo sa uz aj vysvetlit preco tieto materialy, pripadne preco musel byt velky az 330 kg.

Odpovědět


Re: Ach zase ten Einstein...

Štefan Ürge,2022-09-16 15:05:40

Kde sa v článku tvrdí, že princíp ekvivalencie je dôsledok VTR? Ja som tam také tvrdenie nenašiel. Áno je to predpoklad z ktorého Enstein vychádzal a keby neplatil tak VTR padá, neplatí tiež. Preto sa overuje s takou vervou, a keďže postulát odolal odolala aj VTR.

Odpovědět


Re: Re: Ach zase ten Einstein...

Radoslav Porizek,2022-09-16 15:44:33

VTR tvrdi, ze ak platia postulaty, vypyvaju z toho urcite zavery. V urcitom zmysle by platila aj potom, akurat by postulaty ako aj zavery VTR boli v rozpore z realitou.

Kedze su zavery VTR su v zhode s realitou, budu aj postulaty - nedramatizoval by som to ako zavazny test VTR. To si skor len niekto potreboval okorenit svoj clanok menom "Einstein".

Ale ta presnost na 14 platnych cislic je naozaj velmi slusna...

Odpovědět


Re: Re: Re: Ach zase ten Einstein...

Pavel Kaňkovský,2022-09-17 20:59:44

1. Pokud jako kritérium platnosti vědecké teorie bude postačovat, aby to, co z ní vyplývá, bylo platné (= v souladu s realitou) pouze za předpokladu, že jsou platné její postuláty, tak jakoukoli teorii redukujete na otázku, zda je v souladu s realitou logická dedukce. To je nepochybně zajímavá a důležitá otázka, ale problematika přírodních věd je IMHO trochu širší.

2. Je pravda, že postuláty samy jsou svým vlastním logickým důsledkem, čili platí-li úplně všechno, co z nějaké teorie vyplývá, tak musí platit i její postuláty. Ovšem jakýkoli experiment může otestovat jen malou podmnožinu důsledků (Popper těm empiricky testovatelným říká, tuším, základní tvrzení, a všímá si, že mohou být nanejvýš existenčně kvantifikované), a i když experiment zjistí, že jsou platné, tak z toho nelze zpětně dokazovat, že platí postuláty (které by měly být univerzálně kvantifikované) a tedy celá teorie.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Ach zase ten Einstein...

Jirka Naxera,2022-09-17 23:49:56

Tak ale otázka zní jinak - co když onen postulát neplatí, popř. co když neplatí univerzálně?
Lépe řečeno, je tu jedna takový zlý, ano, ošklivý věc, dokonce temný. :-) Jak všude kam vidíme, tam GR platí na mnoho desetiných míst, tak máme místo, kde to falíruje tak o řád. Inu snadné řešení, tak si tam nějakou tu hmotu přidáme, a protože není vidět, tak jí řekneme temná. Ale pak nám to zase falíruje jinde, sice nám ta přidaná mračna temné hmoty srovná rotační křivky, ale co czert nechtěl, ono to tak jako začíná vypadat, že to docela hezky sedí přesně podle hmoty baryonické podle takové hezké empirické relace, což je něco dost divného, aby byla taková korelace mezi hmotou baryonickou a temnou. A co hůř, s přibývajícím pozorováním místo aby korelace zmizela, tak ona se naopak zpřesňuje, a začíná sedět i u extrémnějších galaxií. A co čert nechtěl už vůbec, ono to celkem sedí s jednou velmi neoblíbenou empirickou teorií, a co je ještě horší, ono to s ní sedí i co se týče formování prvních galaxií.
Dlužno podotknout, že je dost nemilé, kdy v celém Vesmíru, počínaje submilimetrovýmí soustavami a konče celým Vesmírem tu bezpečně panuje GR, zatímco jen a jen na galaktické škále by měl mít slovo nerelativistický MOND. Takže tu máme několik relativistických formulací MONDu, které přechází na ostatních škálách do GR, a aby byla legrace kompletní, tak většina z nich dává předpovědi, které se ukázaly v rozporu s pozorováním.

A pak je tady takové druhé zlý, nehezký věc. Mějme těžkou kuličku (nevím, třeba BE kondenzát, to je jedno). Udělejme kvantové kouzlo, aby byla současně tady a tam. A po nějaké době se na ní podívejme, takže pak už bude na jediném místě. A zvídavá otázka: Jaké gr. pole to generovalo, když byla ještě v superpozici? A když došlo k dekoherenci, jestlipak to vygenerovalo poměrně silnou gravitační vlnu? Tady jsme na tom ještě hůř, žádná konzistentní teorie QG tu není a vypadá to že dlouho nebude. Jo, trochu tady pomůže Cimrmanovský úkrok stranou, kdy prohlásíme, že gravitace je tak slabá, že to není a nikdy nebude měřitelné, ale to je jen zametení problému pod koberec.

Dohromady shrnuto - ono je toho tady mnohem více, než jen logická konstrukce teorie, a je velmi dobře, že se podobná měření provádějí. Jen je škoda, že ta potvora příroda prostě nenaznačí a nenaznačí ;-)

Reference:
https://en.wikipedia.org/wiki/Tully%E2%80%93Fisher_relation
https://tritonstation.com/2018/04/04/the-dwarf-galaxy-ngc1052-df2/
https://en.wikipedia.org/wiki/MOND#Relativistic
https://tritonstation.com/2022/07/21/jwst-twitter-bender/
https://backreaction.blogspot.com/2017/01/the-bullet-cluster-as-evidence-against.html

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Ach zase ten Einstein...

Pavel K2,2022-09-18 20:58:03

Já myslím, že příroda celkem naznačuje. Konkrétně třeba kvantová provázanost jasně křičí, že kvantové jevy, včetně superpozice, jsou něco jako třeba teplota - můžeme to spočítat, můžeme to změřit, ale vlastně to neexistuje (protože teplota je míra chaotického pohybu). Takže za jakousi "kvantovou bariérou" BE kondenzát už dávno moc dobře ví, kde bude, až se na něj podíváme :-)
A temná hmota a energie se projevují jen tam, kde neumíme přesně měřit a rozlišovat, protože je to moc daleko. Myslím, že nějaké další generace pozorovacích přístrojů toto "temno" prostě vymažou, nebo najdou v podobě nějakého MACHO histogramu hrudek, hrud a černých miniděr baryonů.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Ach zase ten Einstein...

Jirka Naxera,2022-09-18 22:14:21

Tak ono je to složitější. Existuje nějaký pan Verlinde, který žije s tím, že časoprostor jsou emergentní jevy kvanotvé provýzanosti. Dlouho byl za takového vesnického blázna, a jeho teorie má spoustu problémů. Na stranu druhou, pokud přimhouříte trochu oči a začnete s tou teorií pracovat https://arxiv.org/abs/1703.01415 , tak z ní vypadnou docela zajímavé výsledky, třeba dostanete (bez parametrů navíc) jak temnou energii, tak něco jako temnou hmotu/MOND.
Znamená to ale, že to je teorie, která popisuje náš svět, a zbývá dopracovat detaily? Zase tak snadno to nepůjde. Na poli kvantové gravitace (kterou nemáme) se objevuje spousta překvapení, třeba to, že se snižováním délky se postupně snižuje spekrální dimenze časoprostoru na 2. Ve více teoriiích kvantové gravitace (jestli se nepletu, platí pro LQG, dynamickou triangulaci a ještě asi pro dvě.) Opět, znamená to něco důležitého? Možná. Ale možná to má jeden společný jmenovatel, a tím není konspirace Přírody, ale https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_walk

ad kvantová bariéra a BE "ví" - no ale tady máme zase Bellovy nerovnosti.Čímž neříkám, že tady žádnej kostlivec ve skříni https://en.wikipedia.org/wiki/Measurement_problem není, ale v případě gravitace je to horší - zatímco třeba u slabé interakce by to fungovalo, u gravitace by stejně vypadlo nějaké to nekonečno, takže (třeba) superdeterminismus nám stejně nepomůže.

ad MACHO, minidíry - ale tam máte stejnej problém jako u temné hmoty (ostatně MACHO, minidírky apod. jsou jednou z možných reprezentací temné hmoty) - jak vysvětlíte to, že Tully-Fisher sedí? Což je ekvivalentní otázce, jak to, že je tak přesná korelace mezi množstvím minidírek a baryonické hmoty, které se na ní v době formování struktur nachytala?

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Ach zase ten Einstein...

Pavel Kaňkovský,2022-09-20 22:42:47

To je jednoduché. Když postulát neplatí univerzálně, tak neplatí ani teorie. Pokud by nějaký postulát P platil jen za nějakých podmínek C, tak lze teorii formálně "opravit" tím, že se původní postulát P nahradí implikací C=>P a ten předpoklad se pak zpropaguje i do všeho, co z toho lze vydedukovat. I když je asi často praktičtější na to pohlížet spíš jakousi formou fuzzy logiky v tom smyslu, že pro nějakou míru porušení podmínek mohu stanovit nějaký odhad výsledné chyby.
Problémy s temnou hmotou apod. jsou IMHO problémy s tím, že občas není úplně snadné rozhodnout, zda je při zjevné neshodě experimentu a teorie chyba na straně teorie (která je tím vyvrácena), nebo na straně experimentu (který není tím, čím se zdál být; zejména to může snadno nastat, není-li to řízený experiment v laboratoři, ale pozorování něčeho na velkou vzdálenost).

Odpovědět


Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku








Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace