Kesetaraan massa inersia dan gravitasi pusat teori relativitas umum Einstein telah dikonfirmasi pada sensitivitas yang belum pernah terjadi sebelumnya oleh satelit MICROSCOPE. Setelah mengumpulkan data accelerometer beberapa ribu orbit dari dua massa yang jatuh bebas di sekitar Bumi, misi Prancis tidak menemukan pelanggaran prinsip kesetaraan pada tingkat beberapa bagian dalam seribu triliun. Ilmuwan misi mengatakan bahwa kontrol yang lebih baik dari kebisingan termal dan lainnya dapat meningkatkan presisi dengan faktor lebih lanjut dari 100, sehingga memungkinkan pengujian teori gravitasi kuantum.
Sejak diterbitkan oleh Albert Einstein pada tahun 1915, teori relativitas umum telah melewati sejumlah tes eksperimental dengan warna-warna terbang – dari pembelokan cahaya bintang Matahari hingga pergeseran merah gravitasi jam atom. Tetapi fisikawan menganggap teori itu tidak lengkap karena bertentangan dengan mekanika kuantum, sedangkan fenomena materi gelap dan energi gelap tetap tidak dapat dijelaskan. Para peneliti juga ingin menyatukan gravitasi dengan tiga interaksi fundamental alam lainnya – elektromagnetisme dan gaya nuklir kuat dan lemah.
Salah satu cara berburu pembawa gaya baru yang diprediksi oleh teori gravitasi alternatif adalah dengan menerapkan prinsip ekuivalensi lemah pada ujian yang lebih berat. Prinsip ini menyatakan bahwa massa inersia dan gravitasi adalah setara. Oleh karena itu semua benda, terlepas dari massa dan komposisinya, harus jatuh pada tingkat yang sama dalam medan gravitasi jika tidak tunduk pada gaya lain – seperti variasi tekanan udara. (Versi kuat dari prinsip ini lebih kuat karena juga mempertimbangkan efek gravitasi sendiri, yang menjadi penting untuk objek besar.)
Rasio Eötvös
Sejak Galileo Galilei, para eksperimentalis telah menyelidiki prinsip kesetaraan dengan kepekaan yang meningkat. Metrik yang digunakan dalam pengujian modern adalah rasio Eötvös, yang membandingkan percepatan dua benda uji jatuh bebas dan bernilai nol jika percepatan tersebut sama. Pada tahun 2008, Eric Adelberger dan rekan di University of Washington di Seattle, AS, menggunakan keseimbangan torsi berputar untuk mendapatkan rasio Eötvös nol pada tingkat sekitar 2 bagian dalam 1013. Sementara sepuluh tahun kemudian para peneliti di Observatorium Paris di Prancis menggunakan hampir 50 tahun data rentang laser – mencari variasi kecil dalam orbit Bulan ke Bumi – dan mengkonfirmasi prinsip kesetaraan dengan presisi sekitar 7×10.-14.
Gagasan di balik MIKROSKOP adalah untuk lebih meningkatkan presisi dengan memanfaatkan keunggulan berada di orbit Bumi – fakta bahwa pengukuran dapat dilakukan dalam jangka waktu yang lama dan tanpa gangguan terestrial seperti kebisingan seismik. Misi tersebut melibatkan pemantauan percepatan relatif dari dua silinder berongga konsentris yang terbuat dari paduan yang berbeda - satu terdiri dari titanium dan aluminium dan platinum dan rhodium lainnya - saat mereka melakukan perjalanan dalam terjun bebas terus menerus. Itu dilakukan dengan menggunakan elektroda untuk memantau setiap penyimpangan dalam gerakan silinder dan kemudian menerapkan tegangan kecil untuk mengatur silinder lurus – dengan variasi tegangan yang diberikan ini memberikan sinyal untuk setiap pelanggaran prinsip kesetaraan.
Misi MIKROSKOP € 140 juta diluncurkan pada tahun 2016 oleh badan antariksa CNES Prancis bekerja sama dengan para peneliti di Jerman, Belanda, dan Inggris. Ditempatkan ke orbit hampir kutub dengan periode sekitar 1.5 jam, satelit menghasilkan set data awal – diterbitkan pada 2017 – dari hanya 120 orbit. Itu menghasilkan peningkatan urutan besarnya secara kasar di atas sensitivitas rekor saat itu - mendorong ketidakpastian dalam nilai nol rasio Eötvös menjadi sekitar 2 bagian dalam 1014.
Lebih banyak data
Kolaborasi MICROSCOPE sekarang telah menerbitkan kumpulan data lengkap misi, yang diperoleh selama setara dengan lima bulan dalam masa misi 2.5 tahun (satelit, masih di orbit, pada akhirnya akan terbakar di atmosfer bumi). Memiliki setidaknya urutan besarnya lebih banyak data daripada lima tahun yang lalu, beberapa di antaranya berasal dari perbandingan referensi antara dua silinder yang terbuat dari bahan yang sama (platinum), para peneliti telah mampu mengurangi ketidakpastian pada rasio Eötvös menjadi sekitar empat. bagian dalam 1015 – dan ternyata masih nol. Itu tidak setepat yang mereka harapkan – mereka ingin mencapai satu bagian dalam 1015 – namun tetap merupakan peningkatan lebih lanjut dalam presisi sekitar faktor lima.
Para ilmuwan yang tidak terlibat dengan misi menyambut hasil baru, meskipun Anna Bangsawan dari Universitas Pisa di Italia skeptis bahwa presisi setinggi yang dinyatakan. Dia menunjukkan bahwa sumber terbesar kesalahan sistematis adalah kebisingan termal, yang dihasilkan dari gradien suhu yang dibentuk oleh variasi sinar matahari langsung dan pantulan yang mencapai pesawat ruang angkasa. Dia mencatat bahwa dengan satelit yang sudah di orbit, satu-satunya cara untuk mengurangi efek kebisingan antara dua rilis data ini adalah dengan meningkatkan pemodelannya. Tapi dia merasa "tidak sepenuhnya meyakinkan" bahwa pemodelan bisa mencapai pengurangan yang diperlukan - faktor enam.
Meskipun demikian, Nobili menganggap bahwa MIKROSKOP menunjukkan "potensi ruang yang sangat besar" untuk uji presisi yang sangat tinggi dari prinsip kesetaraan. Secara khusus, dia berpendapat bahwa misi tersebut menunjukkan pentingnya memutar pesawat ruang angkasa dengan kecepatan tinggi untuk meningkatkan frekuensi sinyal pelanggaran ke tingkat di mana kebisingan termal diketahui lebih rendah. (Dia mencatat bahwa satelit itu dimaksudkan untuk berputar hingga lima kali frekuensi orbitnya tetapi akhirnya berputar 17.5 kali lebih cepat.)
Pengurangan kebisingan lebih lanjut
Anggota kolaborasi MICROSCOPE Joel Bergé dari Université Paris Saclay mengatakan bahwa dia dan rekan-rekannya sekarang sedang mengerjakan misi tindak lanjut yang lebih besar yang disebut MICROSCOPE 2, yang belum mereka usulkan ke badan antariksa mana pun, tetapi yang dapat diluncurkan "di paruh kedua tahun 2030-an”. Dia mengatakan bahwa satelit baru akan menggabungkan beberapa perubahan untuk mengurangi kebisingan, termasuk penggantian kabel emas yang digunakan untuk menghilangkan muatan yang tidak diinginkan dari massa uji dengan sistem nirkabel yang melibatkan dioda pemancar cahaya ultraviolet. Perubahan seperti itu, menurutnya, dapat mengurangi ketidakpastian pengukuran menjadi sekitar satu bagian dalam 10 .17.
Turunnya massa
Clifford Akan, seorang ahli teori di University of Florida di AS, percaya bahwa pengalaman yang diperoleh dengan misi awal akan memberi para peneliti MICROSCOPE "dasar yang baik untuk pindah ke versi 2.0". Dia mengatakan bahwa dia tidak dapat menilai kredibilitas 10 proyeksi mereka-17 ketidakpastian tetapi menunjukkan bahwa para ilmuwan di Universitas Stanford yang mengerjakan misi yang diusulkan yang dikenal sebagai STEP berpendapat bahwa mencapai tingkat presisi itu akan mengharuskan satelit didinginkan ke suhu kriogenik - sesuatu yang tidak dipertimbangkan untuk MIKROSKOP 2.
Penelitian ini dijelaskan dalam makalah yang diterbitkan di Physical Review Letters dan masalah khusus of Gravitasi Klasik dan Kuantum.
