Введение
Гипотеза об эквивалентности инерциальной и гравитационной масс – основной принцип в гравитации. Принцип эквивалентности – это гипотеза о том, что наблюдаемая эквивалентность гравитационной и инерциальной масс является фундаментальным свойством природы. Слабая форма, известная на протяжении веков, утверждает, что тела любого состава при свободном падении движутся по одинаковым траекториям и достигают точки приземления одновременно. Расширенная форма, предложенная Альбертом Эйнштейном, требует, чтобы специальная теория относительности выполнялась и в условиях свободного падения, а также чтобы слабая эквивалентность была справедлива повсеместно. Эта форма стала ключевым фактором в разработке теории общей относительности. Сильная форма требует, чтобы принцип эквивалентности выполнялся и для звёздных объектов. Высокоточные экспериментальные проверки принципа эквивалентности ограничивают возможные отклонения от него крайне малыми значениями.
the principle in gravitation
The equivalence principle is the hypothesis that the observed equivalence of gravitational and inertial mass is a consequence of nature. The weak form, known for centuries, relates to masses of any composition in free fall taking the same trajectories and landing at identical times. The extended form by Albert Einstein requires special relativity to also hold in free fall and requires the weak equivalence to be valid everywhere. This form was a critical input for the development of the theory of general relativity. The strong form requires Einstein's form to work for stellar objects. Highly precise experimental tests of the principle limit possible deviations from equivalence to be very small.
Определения
В настоящее время используются три основные формы принципа эквивалентности: слабая (галилеевская), эйнштейновская и сильная. Некоторые исследования также предлагают более детальную классификацию или незначительные альтернативные формулировки.
Принцип слабого эквивалента
Принцип слабой эквивалентности, также известный как универсальность свободного падения или принцип эквивалентности Галилея, может быть сформулирован множеством способов. Принцип сильной эквивалентности, являющийся обобщением принципа слабой эквивалентности, включает в себя астрономические тела с энергией гравитационного самосвязывания. В то же время, принцип слабой эквивалентности предполагает, что падающие тела удерживаются только негравитационными силами (например, камень). В любом случае: "Все незаряженные свободно падающие пробные частицы следуют одинаковым траекториям, если заданы начальное положение и скорость". Масса (измеряемая весами) и вес (измеряемый на весах) локально находятся в одинаковом соотношении для всех тел (вступительная страница к «Математическим началам натуральной философии» Ньютона, 1687). Однородность гравитационного поля устраняет измеримые приливные силы, возникающие из радиально расходящегося гравитационного поля (например, Земли) на физических телах конечных размеров.
"All uncharged, freely falling test particles follow the same trajectories, once an initial position and velocity have been prescribed". Mass (measured with a balance) and weight (measured with a scale) are locally in identical ratio for all bodies (the opening page to Newton's Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, 1687). Uniformity of the gravitational field eliminates measurable tidal forces originating from a radial divergent gravitational field (e. g., the Earth) upon finite sized physical bodies.
Испытания принципа слабого эквивалента
Испытаниями принципа слабой эквивалентности являются те, которые проверяют эквивалентность гравитационной массы и инерционной массы. Очевидный тест – бросать различные объекты и проверять, что они приземляются одновременно. Исторически это был первый подход, хотя, вероятно, не эксперимент Галилея с Пизанской башней, а ранее Саймон Стевин, который сбросил свинцовые шары разной массы с церковной башни в Делфте и слушал звук, который они издавали, ударяясь о деревянную доску. Исаак Ньютон измерил период маятников, сделанных из разных материалов, как альтернативный тест, дающий первые точные измерения. + Хронология испытаний принципа слабой эквивалентности
Simon Stevin who dropped lead balls of different masses off the Delft churchtower and listened for the sound they made on a wooden plank. Isaac Newton measured the period of pendulums made with different materials as an alternative test giving the first precision measurements. that they landed at the same time. + Chronology of weak equivalence principles testsYearInvestigatorSensitivityMethod500?John Philoponus"small"Drop tower1585Simon Stevin3Torsion balance1972Braginsky, Panov5Torsion balance2008Schlamminger, et al. e=−13Torsion balance2017MICROSCOPE10−15Earth orbit
Experiments are still being performed at the University of Washington which have placed limits on the differential acceleration of objects towards the Earth, the Sun and towards dark matter in the Galactic Center. Future satellite experiments – Satellite Test of the Equivalence Principle and Galileo Galilei – will test the weak equivalence principle in space, to much higher accuracy. With the first successful production of antimatter, in particular anti hydrogen, a new approach to test the weak equivalence principle has been proposed. Experiments to compare the gravitational behavior of matter and antimatter are currently being developed. Proposals that may lead to a quantum theory of gravity such as string theory and loop quantum gravity predict violations of the weak equivalence principle because they contain many light scalar fields with long Compton wavelengths, which should generate fifth forces and variation of the fundamental constants. Heuristic arguments suggest that the magnitude of these equivalence principle violations could be in the 10−13 to 10−18 range.
Год Исследователь Чувствительность Метод
500? John Philoponus "малая" Сбрасывающая башня
1585 Simon Stevin 3 Торсионные весы
1972 Braginsky, Panov 5 Торсионные весы
2008 Schlamminger, et al. e=−13 Торсионные весы
2017 MICROSCOPE 10−15 Орбита Земли
Simon Stevin who dropped lead balls of different masses off the Delft churchtower and listened for the sound they made on a wooden plank. Isaac Newton measured the period of pendulums made with different materials as an alternative test giving the first precision measurements. that they landed at the same time. + Chronology of weak equivalence principles testsYearInvestigatorSensitivityMethod500?John Philoponus"small"Drop tower1585Simon Stevin3Torsion balance1972Braginsky, Panov5Torsion balance2008Schlamminger, et al. e=−13Torsion balance2017MICROSCOPE10−15Earth orbit
Experiments are still being performed at the University of Washington which have placed limits on the differential acceleration of objects towards the Earth, the Sun and towards dark matter in the Galactic Center. Future satellite experiments – Satellite Test of the Equivalence Principle and Galileo Galilei – will test the weak equivalence principle in space, to much higher accuracy. With the first successful production of antimatter, in particular anti hydrogen, a new approach to test the weak equivalence principle has been proposed. Experiments to compare the gravitational behavior of matter and antimatter are currently being developed. Proposals that may lead to a quantum theory of gravity such as string theory and loop quantum gravity predict violations of the weak equivalence principle because they contain many light scalar fields with long Compton wavelengths, which should generate fifth forces and variation of the fundamental constants. Heuristic arguments suggest that the magnitude of these equivalence principle violations could be in the 10−13 to 10−18 range.
В Университете Вашингтона все еще проводятся эксперименты, которые установили ограничения на дифференциальное ускорение объектов в направлении Земли, Солнца и темной материи в галактическом центре. Будущие спутниковые эксперименты – Satellite Test of the Equivalence Principle и Galileo Galilei – будут проверять принцип слабой эквивалентности в космосе с гораздо большей точностью. После первого успешного производства антивещества, в частности антиводорода, был предложен новый подход к проверке принципа слабой эквивалентности. В настоящее время разрабатываются эксперименты по сравнению гравитационного поведения материи и антиматерии. Теории, которые могут привести к квантовой теории гравитации, такие как теория струн и петлевая квантовая гравитация, предсказывают нарушения принципа слабой эквивалентности, поскольку они содержат множество легких скалярных полей с большими длинами волн Комптона, которые должны генерировать пятые силы и изменение фундаментальных констант. Эвристические аргументы предполагают, что величина этих нарушений принципа эквивалентности может находиться в диапазоне от 10−13 до 10−18.
Simon Stevin who dropped lead balls of different masses off the Delft churchtower and listened for the sound they made on a wooden plank. Isaac Newton measured the period of pendulums made with different materials as an alternative test giving the first precision measurements. that they landed at the same time. + Chronology of weak equivalence principles testsYearInvestigatorSensitivityMethod500?John Philoponus"small"Drop tower1585Simon Stevin3Torsion balance1972Braginsky, Panov5Torsion balance2008Schlamminger, et al. e=−13Torsion balance2017MICROSCOPE10−15Earth orbit
Experiments are still being performed at the University of Washington which have placed limits on the differential acceleration of objects towards the Earth, the Sun and towards dark matter in the Galactic Center. Future satellite experiments – Satellite Test of the Equivalence Principle and Galileo Galilei – will test the weak equivalence principle in space, to much higher accuracy. With the first successful production of antimatter, in particular anti hydrogen, a new approach to test the weak equivalence principle has been proposed. Experiments to compare the gravitational behavior of matter and antimatter are currently being developed. Proposals that may lead to a quantum theory of gravity such as string theory and loop quantum gravity predict violations of the weak equivalence principle because they contain many light scalar fields with long Compton wavelengths, which should generate fifth forces and variation of the fundamental constants. Heuristic arguments suggest that the magnitude of these equivalence principle violations could be in the 10−13 to 10−18 range.