În general, există trei principii ale echivalenței : principiul „slab”, cel al lui Einstein și principiul „puternic”.
Primul este observarea egalității dintre masa inerțială și masa gravitațională. Albert Einstein îl prezintă pe cel de-al doilea ca o „interpretare” a primei în termeni de echivalență locală între gravitație și accelerație (sunt indistincte local ); este un element cheie în construcția relativității generale . A treia este o extensie a celei de-a doua și este verificată și de relativitatea generală.
Verificările experimentale și observaționale ale acestor principii trebuie să facă posibilă, prin precizia lor crescândă, eliminarea teoriilor gravitației care nu se conformează realității pe aceste puncte precise.
Observații terminologiceUnii autori disting, în cadrul principiului echivalenței slabe , două principii, și anume: pe de o parte, „principiul echivalenței Galileo” conform căruia căderea liberă a corpurilor este universală; și, pe de altă parte, „principiul echivalenței lui Newton” conform căruia masa gravitațională este egală cu masa inerțială.
Unii autori califică principiul de echivalență al lui Einstein drept un „principiu de echivalență puternic” ; Apoi descriu principiul echivalenței puternic al „principiului echivalenței ultra-puternic” .
Acest principiu este o observație experimentală, niciodată negată și cu consecințe teoretice, precum și practice, ridicată la rangul de principiu, deoarece inexplicabilă (printr-un principiu mai simplu sau mai natural). Principiul echivalenței slabe spune că masa inerțială și masa gravitațională sunt egale , indiferent de corp (de fapt , este vorba de proporționalitatea lor, dar din aceasta deducem că , cu o alegere bună de unități de măsură, vom obține egalitatea lor).
Consecința acestui principiu este că toate corpurile supuse aceluiași câmp gravitațional (și fără nicio altă influență externă, deci în vid ) cad simultan atunci când sunt eliberate simultan, indiferent de compozițiile lor interne.
Această observație a simultaneității căderilor a fost făcută încă din Galileo . Isaac Newton, prin legea sa gravitațională universală, a arătat că acest lucru este echivalent cu egalitatea dintre masa inerțială și masa gravitațională și a experimentat această egalitate folosind comparația frecvențelor pendulelor realizate din diferite materiale.
Ulterior, mai mulți experimentatori au testat această egalitate, reducând și mai mult posibilul decalaj dintre aceste două mase.
Experimentator | An | Metodă | Rezultat |
Simon Stevin | ~ 1586 | Aruncați bile de plumb de diferite greutăți | Nu s-a detectat nicio diferență |
Galileo Galilei | ~ 1610 | Rulați bilele de-a lungul unui plan înclinat | Nu s-a detectat nicio diferență |
Isaac Newton | ~ 1680 | Măsurarea perioadelor de pendule grele de diferite mase și materiale, dar de aceeași lungime | Nu s-a detectat nicio diferență |
Friedrich Wilhelm Bessel | 1832 | Aceeași metodă ca și Newton | Nu s-a detectat nicio diferență |
Loránd Eötvös | 1908 | Bilanț de torsiune: măsurarea torsiunii unui fir, de care este suspendată o tijă la capetele căreia sunt plasate două mase identice, supuse gravitației și rotației Pământului pe sine. | Diferența este mai mică decât 1 pentru |
Roll, Krotkov și Dicke | 1964 | Scală de torsiune, cu mase de aluminiu și aur | Diferența este mai mică decât 1 pentru |
David Scott | 1971 | Aruncă un ciocan și o pană pe lună | Nu s-a detectat nicio diferență. Experimentul este renumit deoarece este filmat și este primul de acest fel pe Lună: video de mai sus. |
Branginsky și Panov | 1971 | Scală de torsiune, cu mase de aluminiu și platină | Diferența este mai mică decât 1 pentru |
Eöt-Wash | 1987– | Scală de torsiune, cu diferite materiale. | Diferența este mai mică decât 1 pentru |
Satelit MICROSCOP | 2016-2018 | accelerometru plasat pe orbita sincronă a soarelui | Diferența este mai mică de 1 pentru (rezultate parțiale dedecembrie 2017) |
Principiul echivalenței lui Einstein este astfel desemnat în onoarea lui Albert Einstein (1879-1955) care a declarat-o, pentru prima dată, în 1907 și calificați-l, în 1920, a „celei mai fericite idei de [s] o viață” .
Principiul echivalenței lui Einstein afirmă că principiul echivalenței slabe este valid și că, la nivel local, efectele unui câmp gravitațional sunt identice cu efectele unei accelerații a cadrului de referință al observatorului, pentru un experiment n 'care nu utilizează gravitația .
Este echivalent să considerăm că în orice punct al spațiului există un cadru de referință inerțial local, cadrul de referință în cădere liberă în câmpul gravitațional (și în absența oricărui alt câmp extern, deci în vid ), care ' nicio experiență non-gravitațională locală nu poate distinge de un cadru care nu este supus gravitației. În contextul relativității generale, acest lucru implică faptul că acest cadru de referință este (local) un spațiu Minkowski .
Adăugăm, în general, afirmația, foarte legată de principiul relativității , că experimentul este independent de locul și momentul în care se face.
Acest principiu permite extinderea principiului relativității pentru a include gravitația, local și sub formă de cadre de referință accelerate. Datorită lui, Einstein a făcut primul pas pentru a merge de la speciale relativitatea la relativității generale . Este unul dintre principiile fundamentale la originea teoriei relativității generale.
Einstein îl prezintă ca o interpretare a principiului echivalenței, numit slab din moment ce, adică principiul echivalenței lui Albert Einstein dă un sens relativist principiului echivalenței slabe, din punctul de vedere al relativității gravitației și accelerației. Această interpretare este concepută cu ajutorul experimentului de gândire al ascensorului lui Einstein . Acest experiment de gândire folosește doar fenomene mecanice și, prin urmare, poate fi doar o justificare a principiului echivalenței pentru acestea.
Acest principiu poate fi împărțit în două etape:
Numai primul pas este justificat de experimentul de gândire al liftului, includerea electromagnetismului este un postulat. Având în vedere forța slabă și forța puternică a fizicii cuantice , putem rescrie acest principiu pentru a include experimente la nivel cuantic.
Acest principiu este interpretat ca o cuplare universală între câmpul gravitațional și toate celelalte câmpuri de „forță”: niciunul dintre acestea nu permite introducerea unei distincții între efectele gravitației și proprietățile spațiului-timp .
Principiul echivalenței lui Einstein combină trei condiții:
Primul test al invarianței poziției locale este legat de efectul Einstein. Cel mai bun test pentru invarianța locală Lorentz este cel obținut prin experimentul Hughes-Drever.
Conjectura Schiff spune că orice teorie a principiului gravitatiei „cuprinzătoare și coerentă“ și verificarea echivalenței slabe trebuie să verifice în mod necesar principiul echivalenței al lui Einstein.
Cele metrice teorii gravitaționale , postulează echivalența Einstein.
Pe de altă parte, anumite teorii non-metrice ale gravitației introduc o cuplare între gravitație și electromagnetism și nu respectă principiul de echivalență al lui Einstein (la experimentele de electromagnetism), în timp ce sunt compatibile cu principiul echivalenței scăzute și, astfel, par să invalideze Conjectura lui Schiff. Prognozele experimentale au fost făcute de Carroll și Fields în 1991 din teorii non-metrice și testate în 1994 prin observarea rotației polarizării luminii emise de radio-galaxiile îndepărtate. Aceste observații nu au dezvăluit o încălcare a principiului echivalenței lui Einstein.
Cu toate acestea, conjectura lui Schiff nu este încă considerată dovedită sau invalidată.
Principiul lui Einstein, inclusiv principiul slab, orice experiment pe acesta din urmă este, de asemenea, unul pe cel al lui Einstein.
Principiul puternic al echivalenței generalizează principiul lui Einstein afirmând că, la nivel local, efectele unui câmp gravitațional asupra oricărui experiment, chiar și asupra gravitației în sine (cum ar fi experimentul Cavendish de exemplu), sunt identice efectele unei accelerări a cadrului de referință al observatorului.
Este echivalent să considerăm că în orice punct al spațiului există un cadru de referință inerțial local, cadrul de referință în cădere liberă în câmpul gravitațional (și în absența oricărui alt câmp extern), că nici o experiență (gravitațională sau nu) ) nu poate distinge de un cadru de referință care nu este supus gravitației.
Adăugăm, în general, afirmația, foarte legată de principiul relativității , că experimentul este independent de locul și momentul în care se face.
Pentru acest principiu, noțiunea de cameră este mai extinsă decât în principiul anterior: putem considera astfel că sistemul solar ca întreg este o experiență gravitațională într-un cadru de referință aproximativ inerțial mult mai mare.
Relativitatea generală cu acest principiu că doar metrica spațiu-timp determină câmpul gravitațional.
Teoria Tarite și Dicke nu respectă acest principiu , deoarece , în plus față de metrica, un câmp scalar determină gravitatia, iar aceasta nu poate fi eliminată la nivel local printr - o alegere a cadrului de referință: chiar și într - un cadru în cădere liberă, un experiment gravitațional este influențat de acest câmp scalar.
Teoriile „ cu o preliminară geometrică ” cuplează gravitația cu o bază geometrică non-metrică, locală sau globală (cum ar fi o coordonată cosmologică temporală, care face posibilă ipoteza Big Bang ): este de conceput că atunci câmpul gravitațional depinde de unde sau când se are în vedere.
Nu s-a demonstrat riguros că, dacă principiul este respectat, atunci gravitația depinde doar de metrica spațiului. Relativitatea generală pare a fi singura teorie metrică care respectă principiul puternic, în afară de teoria lui Gunnar Nordström datând din 1913, care respectă versiunea gravitațională a principiului puternic, dar nu anumite aspecte ale principiului echivalenței lui Einstein, de exemplu. gravitatie.
Dacă există nerespectarea principiului puternic, atunci gravitația are efecte diferite în diferitele cadre de referință, care sunt inerțiale pentru principiul lui Einstein. Chiar și principiul slab ar fi încălcat în cadre de referință care nu sunt inerțiale în raport cu Universul : astfel sistemul solar fiind în cădere liberă într-un câmp gravitațional (deoarece doar gravitația acționează asupra acestuia), acesta poate fi considerat ca un cadru de referință. inerțial (pentru principiul lui Einstein) și experimentele gravitaționale care se desfășoară acolo depind apoi de câmpul gravitațional în care este scufundat, în special acest lucru trebuie să poată fi detectat pe experimentele care testează principiul slab pentru corpuri masive (de masă deloc neglijabilă în comparație cu câmpul gravitațional înconjurător) și în măsurători precise ale mișcărilor planetelor, chiar și printr-o evoluție (lentă) a constantei gravitaționale în comparație cu vârsta universului .
Cea mai precisă metodă de testare a principiului puternic este în prezent Lunar Laser Ranging (LLR) efectuată de NASA . Experimentul constă în utilizarea unui reflector plasat pe solul lunar (în timpul Apollo 11 din 1969, urmat de alți reflectori depuși de Apollo 14 și Apollo 15 ) pentru a măsura distanța Pământ-Lună cu ajutorul laserelor cu o precizie de aproximativ 2 cm (față de 384.400 km între Pământ și Lună), deci pot fi detectate mici variații. În prezent, datele permit să spunem acest lucru și în anul -1 , ceea ce confirmă ideea că principiul puternic este respectat. La fel, măsurătorile privind consecințele variațiilor spațiale și anizotrope ale constantei gravitaționale s-au dovedit a fi mai mici decât incertitudinile măsurătorii.
Pentru a rafina măsurătorile, NASA are în vedere înființarea unui experiment similar, dar mai complet, numit Apache Point Observatory Lunar Laser-range Operation (APOLLO).
Observațiile pulsarilor binari nu au dat măsurători mai precise.
Cercetările teoretice și experimentale în gravitația cuantică duc la luarea în considerare a unei revizuiri a principiului echivalenței la nivel cuantic, deoarece se pare că în acest context „căderea obiectelor se face în etape în funcție de masă”.
: document utilizat ca sursă pentru acest articol.