Теорию Эйнштейна подтвердил спирт

Физики проверили теорию относительности Эйнштейна, исследуя молекулу метанола сейчас и 7 млрд лет назад

Одна из основных физических констант — отношение массы протона к массе электрона — действительно является постоянной, это подтверждено экспериментально. Изучая спектр молекулы простейшего из спиртов — метанола — европейские исследователи установили, что за 7 млрд лет это отношение изменилось не более, чем на одну стотысячную процента.

О данном исследовании учёные сообщают в журнале Science.

Принцип эквивалентности сил гравитации и инерции

— эвристический принцип, использованный Альбертом Эйнштейном при выводе Общей теории относительности. Один из вариантов его изложения: «Силы гравитационного взаимодействия пропорциональны гравитационной массе тела, силы инерции же пропорциональны инертной массе тела. Если инертная и гравитационная массы равны, то невозможно отличить, какая сила действует на данное тело — гравитационная или сила инерции».

Исторически принцип относительности был сформулирован Эйнштейном так: «Все явления в гравитационном поле происходят точно так же, как в соответствующем поле сил инерции, если совпадают напряжённости этих полей и одинаковы начальные условия для тел системы».

Для доказательства этого принципа Эйнштейн предложил следующий мысленный эксперимент. Пусть тела находятся в лифте, который бесконечно удалён от гравитирующих тел и двигается с ускорением. Тогда на все тела, находящиеся в лифте действует сила инерции (F_in=–ma₀), а тела под действием этих сил будут давить на опору или подвес. То есть тела будут обладать весом. Если лифт не движется, а висит над какой-то гравитирующей массой в однородном поле, то все тела также будут обладать весом. Находясь в лифте, невозможно отличить эти две силы. Поэтому все механические явления будут в обоих лифтах происходить одинаково. Эйнштейн обобщил это положение на все физические явления.

Неизменность отношения масс протона и электрона μ напрямую вытекает из принципа эквивалентности (см. врез), введенного Альбертом Эйнштейном в основы Общей теории относительности. Согласно принципу эквивалентности, разницы между гравитацией и инерцией не существует: находясь в ускоренном лифте, вы никогда не сможете с уверенностью сказать, движется ли он с ускорением или на вас действует дополнительная сила тяжести. С точки зрения классической механики этот принцип мог провозгласить еще и Исаак Ньютон, но когда дело касается фотонов, возникают тонкости, из-за которых некоторые теоретики получают возможность обвинить Эйнштейна в некорректности принципа эквивалентности.

В результате даже спустя почти столетие после создания Общей теории относительности одни физики подвергают ее сомнению, а другие раз за разом доказывают справедливость ее выводов.

Сегодня не существует теории, из которой можно вывести значение константы μ, ее можно только измерить. В экспериментах, проведенных на Земле, ее постоянство доказано, однако остается вероятность того, что в разных местах Вселенной или в разных ее эпохах величина этой константы может оказаться другой. Для того чтобы проверить, что происходит с ней на самом деле, ученые решили воспользоваться спектром молекулы метанола (CH₄O, или CH₃—OH).

Помимо того что это очень вредная для здоровья молекула, она еще и довольно непростая. Ее гидроксильный радикал OH может вращаться вокруг ядра молекулы CH₃ подобно пропеллеру. Спектр молекулы метанола состоит из четырех линий, причем две из них благодаря этому вращению могут в зависимости от величины μ сильно сдвигаться по частоте, а на остальные две величина μ практически никак не влияет (так называемые якорные линии). Когда амстердамские физики выяснили эту особенность метанола в лабораторных условиях, они связались с германскими коллегами и вместе с ними попробовали изучить его спектр, каким он был на другом конце света и в совсем другую эпоху.

Они сосредоточили свое внимание на галактике, отстоящей от нас на семь миллиардов световых лет, которую называют «молекулярной фабрикой», потому что ее просвечивает мощный радиоисточник — квазар PKS 1830-211.

Исследуя спектр излучения квазара, можно по линиям его поглощения изучать спектры молекул этой галактики.

«Для наших целей это был наилучший объект наблюдения», — утверждает один из соавторов статьи, Христиан Хенкель из Института радиоастрономии.

Наблюдение проводилось на расположенном в Германии Эффельсбергском радиотелескопе с декабря 2011-го по апрель 2012 года. Проведя все необходимые вычисления, ученые получили спектр молекул метанола, находившихся в «молекулярной фабрике» семь миллиардов лет назад, и выяснили, что его линии могли сдвинуться не более чем на одну стомиллионную долю процента, то есть не сдвинулись вообще.

Это означало, что отношение массы протона к массе электрона было таким же, каким мы видим его сейчас на Земле.

Таким образом физики в очередной раз подтвердили Общую теорию относительности Эйнштейна. «Любое изменение этой фундаментальной константы означало бы, что мы неверно понимаем самые основы физики», — заявляет Карл Ментен, директор Института радиоастрономии им. Макса Планка.