Экспериментальная гравитационная физика включает широкий спектр установок, начиная от простейших маятниковых систем до масштабных интерферометров длиной в километры, расположенных на разных континентах. Эти установки направлены на прямое измерение гравитационных эффектов, проверку фундаментальных законов и наблюдение новых физических явлений, предсказанных общей теорией относительности и альтернативными гравитационными теориями.
Маятники являются одними из первых устройств, использованных для изучения гравитации. Современные гравитационные маятники – это высокоточные приборы, применяемые, например, в лабораторных тестах эквивалентности инертной и гравитационной масс. Точные маятниковые установки требуют вакуумных камер, температурной стабилизации и активной виброизоляции.
Особое место занимают торзионные маятники, которые широко использовались в классических экспериментах Этвёша, а в последние десятилетия – в установках типа Eöt-Wash для проверки закона обратных квадратов и слабого принципа эквивалентности с точностью до 10−13.
Атомные интерферометры используют волновую природу материи для измерения гравитационных потенциалов. Эти установки основаны на когерентном расщеплении и интерференции атомных волн, движущихся в гравитационном поле. Примеры — установка Stanford 10-meter Atom Interferometer и аналогичные эксперименты в Европе и Китае. Применяются для высокоточного измерения гравитационного ускорения g, поиска вариаций фундаментальных констант, тестов общей теории относительности и потенциального детектирования слабых гравитационных сигналов.
Гравиметры предназначены для измерения локального значения ускорения свободного падения. Они делятся на относительные и абсолютные.
Супергравиметры, например, основанные на сверхпроводящих массах, обеспечивают непрерывный мониторинг g с высочайшей чувствительностью к приливным и геофизическим эффектам.
Для проверки общей теории относительности и гравитационного взаимодействия на больших расстояниях широко применяются методы лазерной локации и радиоинтерферометрии:
Интерферометры типа Майкельсона с длинными плечами — наиболее чувствительные устройства для регистрации гравитационных волн. Их работа основана на сравнении фаз световых волн, отражённых от зеркал, подвешенных как свободные массы.
Ключевые инженерные решения включают в себя подвески зеркал на многоступенчатых маятниках, активную и пассивную виброизоляцию, высокостабильные лазеры, зеркала из сверхнизкотепловых материалов.
Устройства с высоким моментом инерции, подвешенные на тонкой нити, используются для регистрации крутильных моментов, вызываемых возможными вариациями гравитационного поля. Особенно полезны при проверках закона обратных квадратов и для поиска новых короткодействующих сил. Некоторые установки позволяют наблюдать отклонения, вызванные прохождением массивных тел или гипотетических скалярных и векторных частиц.
Наиболее известные орбитальные гравитационные миссии:
Многие установки помещаются на борту МКС или суборбитальных ракет для проведения экспериментов в условиях, близких к нулевой гравитации. Эти условия критичны для точных измерений слабых гравитационных эффектов и взаимодействий между массами, свободными от паразитных земных влияний. Примеры – проекты MAIUS (атомный интерферометр в космосе) и подготовка к BECCAL (Bose-Einstein Condensate and Cold Atom Laboratory).
Современная гравитационная физика стремится к разработке лабораторных установок, чувствительных к микроскопическим эффектам гравитационного взаимодействия:
Для всех гравитационных установок особое значение имеют:
Развитие экспериментальной гравитационной физики тесно связано с технологическим прогрессом в оптоэлектронике, вакуумной технике, системах управления и квантовых измерениях. Результаты, полученные с помощью этих установок, уже изменили представления о Вселенной и продолжают расширять границы фундаментальной физики.