Na kineskoj svemirskoj postaji dvije vrste atoma rubidija 280 su dana gotovo neprekidno slobodno padale. Njihova su se ubrzanja pod djelovanjem gravitacije podudarala unutar granica mjerenja, čime je izveden najprecizniji svemirski test načela ekvivalencije s atomima.
Načelo ekvivalencije jedan je od temelja Einsteinove opće teorije relativnosti. Ono predviđa da tijela različitog sastava u istom gravitacijskom polju padaju jednakim ubrzanjem. Ako bi se pojavila razlika, to bi bio trag fizike izvan sadašnjih teorija.
Dvije vrste rubidija u istom pokusu
Tim predvođen istraživačima iz Wuhanskog instituta za fiziku i matematiku ohladio je izotope rubidija-85 i rubidija-87 gotovo do apsolutne nule. Oba su oblaka atoma istodobno puštena u slobodan pad unutar komore opremljene laserskim impulsima.
Laseri su svaki oblak podijelili na dvije kvantne putanje, a zatim ih ponovno spojili. Interferencijski uzorak omogućio je da se ubrzanje dvaju izotopa usporedi s velikom osjetljivošću. Razlika u masi između izotopa pritom je bila namjerna: ako gravitacija ovisi o sastavu tijela, upravo bi se u takvoj usporedbi trebala pojaviti.
Na Zemlji mjerenje ograničava visina laboratorija. Atomi mogu slobodno padati samo kratko prije nego što dosegnu dno komore. U orbiti su instrumenti i atomi u stalnom slobodnom padu oko Zemlje, pa mjerenje može trajati mnogo dulje. Svemirska postaja pritom nije potpuno mirna: vibracije, pomicanje platforme i toplinska kolebanja stvaraju dodatne smetnje koje treba ukloniti iz podataka.
Rezultat unutar granica mjerenja
Nakon obrade podataka prikupljenih tijekom 280 dana istraživači su dobili testnu nesigurnost od približno 2,8 × 10⁻⁸. Konačni rezultat za razliku u ubrzanju iznosio je (-3,1 ± 4,6) × 10⁻⁷, što je u skladu s nulom, odnosno s jednakim padom dvaju izotopa.
Takav rezultat ne znači da su fizičari dokazali da se načelo ekvivalencije nikada ne može narušiti. Pokus samo sužava raspon u kojem bi eventualno odstupanje moglo postojati. Svaka buduća teorija koja predviđa razliku između ponašanja dvaju izotopa mora biti u skladu s ovom granicom.
Opažanje se razlikuje od nedavno objavljenog laboratorijskog pokusa u kojem su istraživači mjerili kvantnu fazu slobodnog pada. Ovdje nije cilj bio izdvojiti fazu jednog vala, nego usporediti pad dviju različitih vrsta atoma u uvjetima mikrogravitacije. Oba rezultata ispituju vezu između Einsteinove gravitacije i kvantne fizike, ali odgovaraju na različita pitanja.
Zašto je prostor važan za ovakva mjerenja
Svemirsko okruženje omogućuje da atomi ostanu u slobodnom padu stotinama dana, ali donosi i nove tehničke probleme. Platforma se stalno kreće, instrumenti moraju raditi u ograničenom prostoru, a laserski sustavi moraju ostati stabilni unatoč promjenama temperature i vibracijama.
Autori su razvili postupke za smanjenje utjecaja gibanja postaje, prebacivanje načina detekcije i kontrolu frekvencije laserskih impulsa. Time su preciznost poboljšali za otprilike tri reda veličine u odnosu na ranije atomske testove u mikrogravitaciji.
Još precizniji instrumenti mogli bi ispitivati vrlo male razlike u ponašanju materije, što je važno za potragu za novom fizikom. Takva mjerenja mogla bi ograničiti modele tamne tvari, kvantne gravitacije i drugih pojava koje se ne uklapaju u postojeći opis svemira.
