გავრცელებული ცნობების თანახმად, მე-17 საუკუნეში იტალიელმა მეცნიერმა, გალილეო გალილეიმ, პიზის დახრილი კოშკიდან სხვადასხვა მასის ობიექტები ჩამოყარა. ამ ექსპერიმენტით მან აჩვენა, რომ დედამიწის მიზიდულობის პირობებში ეს სხეულები მასის მიუხედავად თანაბრად ჩქარდება. ახლა მეცნიერებმა ცნობილი ცდა ატომურ დონეზე დაიყვანეს და დედამიწის ორბიტაზე ჩაატარეს.

ჩინურ კოსმოსურ სადგურ "ტიანგუნზე" (Tiangong) მკვლევრებმა ატომთა ორი ე.წ. ღრუბლის (მჭიდრო ერთობლიობა) თავისუფალი ვარდნა გამოცადეს. 28 აგვისტოს გამოცემა Science Advances-ში გამოქვეყნებული კვლევის მიხედვით, ორივე მათგანის ვარდნისას აჩქარება თითქმის იდენტური იყო.

კვლევის ფარგლებში ფიზიკოსებმა რუბიდიუმის ცივი ატომების ორი ღრუბლის ფარდობითი აჩქარებები გაზომეს. ბირთვებში ნეიტრონების განსხვავებული რაოდენობის გამო თითოეულ ღრუბელში შემავალ ატომებს სხვადასხვა მასა ჰქონდა. მიუხედავად ამისა, მათი აჩქარებების სხვაობა მხოლოდ 0.00005% იყო.

ეს შედეგი კიდევ ერთხელ ადასტურებს, რომ მასის განმარტების ორი სხვადასხვა გზა ეკვივალენტურია. პირველი გრავიტაციული მასაა და ის განსაზღვრავს, როგორ რეაგირებს ობიექტი მიზიდულობის ძალაზე. მეორე ინერციული მასაა, რომელიც გვიჩვენებს, როგორ ჩქარდება სხეული მასზე გარკვეული ძალის მოქმედებისას.

თუ ორივე მსგავსია, განტოლებებში მასის ეფექტი ბათილდება, ხოლო ვაკუუმში სხვადასხვა მასის სხეულების ვარდნის სიჩქარე ერთნაირია. ამას "სუსტი ეკვივალენტობის პრინციპი" ეწოდება. ის ფუნდამენტური საყრდენია ალბერტ აინშტაინის ფარდობითობის ზოგადი თეორიისთვის, რომელიც გრავიტაციას განმარტავს, როგორც დრო-სივრცის გამრუდებას.

მეცნიერები ამ პრინციპს დედამიწაზე სხვადასხვა სხეულის — მათ შორის ატომების — ჩამოგდებით ადრეც ამოწმებდნენ. პრობლემა ისაა, რომ დედამიწაზე თავისუფალი ვარდნის მანძილი შეზღუდულია, რაც ექსპერიმენტისას შედეგის გაზომვის სიზუსტეს ამცირებს. ორბიტაზე კი განსხვავებული გარემოა.

მანამდე თანამგზავრზე ლითონის ცილინდრების ვარდნით ეს პრინციპი უკვე დადასტურდა, მაგრამ ატომები, მაკროსკოპული ობიექტებისგან განსხვავებით, კვანტური ფიზიკის კანონებს ემორჩილება. შესაბამისად, მნიშვნელოვანი იყო იმის შემოწმება, როგორ მოქმედებს მატერია მიკროდონეზე. ორბიტაზე ჩატარებული ამ ექსპერიმენტით სუსტი ეკვივალენტობის პრინციპის დამაჯერებლობამ სრულიად ახალ საფეხურზე გადაინაცვლა.

როგორ მუშაობს კოსმოსური ექსპერიმენტი?

იმის გასაგებად, თუ როგორ მოახერხეს მეცნიერებმა კვანტურ დონეზე ატომების ვარდნის გაზომვა, თვალი გადავავლოთ ჩინეთის კოსმოსურ სადგურზე დამონტაჟებული ატომური ინტერფერომეტრის (CSSAI) მუშაობის სქემას:

• A ნაწილი: კოსმოსური ლაბორატორია. აქ ვხედავთ დედამიწას და მის გარშემო ორბიტაზე მოძრავ კოსმოსურ სადგურს. ეს გვიჩვენებს, სად ტარდება ექსპერიმენტი — პლანეტისგან მოშორებით, სადაც მიზიდულობის ძალა მცირეა და თავისუფალი ვარდნა დიდხანს გრძელდება;
• B ნაწილი: ატომური ინტერფერომეტრის შიდა მოწყობილობა. ვხედავთ კამერას, სადაც მაგნიტური სტრუქტურები (MOT-coils) და ლაზერები ატომების ღრუბელს აკავებს და აბსოლუტურ ნულთან მიახლოებულ ტემპერატურამდე აციებს. ექსპერიმენტის საწყისი ფაზა სწორედ აქ ვითარდება;
• C ნაწილი: სინათლის ატომების "მართვა". ექსპერიმენტის ამ მნიშვნელოვან ეტაპზე ლაზერის სხივებს სპეციალური სარკეებით ატომებისკენ მიმართავენ. ეს სინათლის ნაკადები ატომებს სხვადასხვა ტრაექტორიისკენ უბიძგებს, რათა შემდეგ ისინი არ გადაიკვეთოს (ინტერფერენცია). ეს პროცესი სინათლის ტალღების ურთიერთქმედებას წააგავს.
• D ნაწილი: შედეგების გაზომვა. აქ რუბიდიუმის ორი ტიპის (85Rb და 87Rb) ატომების ტრაექტორიას ვხედავთ. ისინი სხვადასხვა დროს ვარდება, მაგრამ ლაზერული ნაკადების მეშვეობით მათი აჩქარება ზუსტად იზომება. "Shear fringe" კი გვიჩვენებს, თუ როგორ იცვლება ატომების მდგომარეობა დროში.

ეს ყველაფერი ცხადყოფს, რომ აინშტაინის თეორია უნაკლოდ მუშაობს, თუმცა მთავარი კითხვა მაინც რჩება: სად გადის ზღვარი კვანტურ სამყაროსა და გრავიტაციას შორის? ამაზე პასუხის ძიება კოსმოსში ახლახან დაიწყო.