Принцип эквивалентности, лежащий в основе общей теории относительности, утверждает тождественность инерционной и гравитационной массы. Исторически первые проверки восходят к работам Галилея, показавшего, что ускорение падения тел не зависит от их массы и состава. Исаак Ньютон формулировал законы механики, исходя из экспериментально подтверждаемого равенства масс.
На рубеже XIX–XX вв. Этвёш применил высокоточные крутильные весы и впервые количественно подтвердил равенство масс с точностью порядка 10−8. Эти опыты стали фундаментом для последующих экспериментов.
Современные лабораторные тесты принципа эквивалентности используют сложные методы компенсации систематических ошибок и вибраций.
Крутильные весы. Эта методика продолжает традицию Этвёша. Тела различного состава подвешиваются на горизонтальной перекладине, закреплённой на тонкой нити. При различии в ускорении падения система начинает вращаться. Точность достигла уровня 10−13.
Интерферометрия с атомами. В экспериментах с холодными атомами используют интерференцию де Бройлевских волн. Сравнивая время свободного падения атомов различных изотопов или элементов, удаётся достигать чувствительности до 10−15. Эти методы минимизируют влияние механических шумов и открывают путь к дальнейшему повышению точности.
Маятниковые установки. Используются длиннопериодные маятники, подвешенные в вакууме. Наблюдаются отклонения их положения в зависимости от состава грузов. Этот метод менее чувствителен по сравнению с атомными интерферометрами, но остаётся важным для независимой проверки.
Принцип эквивалентности можно проверять и в условиях космоса, где доступна гораздо большая масса притягивающих тел и исключаются земные шумы.
Лунно-лазерная локация. С 1969 года на поверхности Луны установлены отражатели, и регулярные лазерные измерения позволяют сравнивать ускорение падения Луны и Земли в гравитационном поле Солнца. Достигнутая точность подтверждает эквивалентность масс на уровне 10−13.
Спутниковые миссии. Эксперимент MICROSCOPE (2016–2023 гг.) впервые провёл тесты принципа эквивалентности в космосе с использованием электростатических сенсоров. Достигнутый уровень точности составил около 10−15. Это рекордный результат, недостижимый в наземных условиях.
Будущие проекты. Планируются миссии STE-QUEST и STEP, использующие холодные атомы и сверхточные акселерометры на спутниках. Их целевая чувствительность — 10−18.
Многие теории, выходящие за рамки общей теории относительности, предсказывают возможные нарушения принципа эквивалентности. Среди них:
Таким образом, предельно точные проверки принципа эквивалентности становятся не просто экспериментами по подтверждению общей теории относительности, но и ключевыми тестами фундаментальных физических теорий.
На сегодняшний день:
Развитие технологий атомной интерферометрии и космических платформ обещает продвинуть эти пределы как минимум на три порядка величины. Нарушение принципа эквивалентности даже на столь малом уровне стало бы прямым указанием на физику за пределами общей теории относительности и важным шагом к созданию непротиворечивой квантовой теории гравитации.