La théorie de la relativité d’Einstein reste forte après un défi quantique

Le concept de la physique quantique de la gravité

Les chercheurs ont confirmé une hypothèse de base en physique avec une précision sans précédent – que diverses propriétés de la masse, telles que le poids, l’inertie et la gravité, sont toujours équivalentes, quelle que soit la composition spécifique de la masse impliquée. Cela renforce le principe d’équivalence, essentiel à la théorie de la relativité d’Einstein, et aborde le point de différence critique entre la physique classique et la physique quantique.

Des équipes de recherche de l’Université Leibniz de Hanovre et de l’Université de Brême confirment un autre principe d’équivalence.

Les scientifiques ont utilisé un demi-siècle de données de télémétrie laser lunaire pour confirmer avec une précision 100 fois supérieure que toutes les propriétés de masse sont égales. Cette découverte soutient grandement le principe d’équivalence d’Einstein, qui est la pierre angulaire de la théorie de la relativité.

L’une des hypothèses les plus fondamentales de la physique fondamentale est que les différentes propriétés de la masse – poids, inertie et gravité – restent toujours les mêmes les unes par rapport aux autres. Sans cette équivalence, la théorie de la relativité d’Einstein serait contradictoire et les manuels de physique existants devraient être réécrits. Bien que toutes les mesures à ce jour confirment le principe d’équivalence, la théorie quantique postule qu’il doit y avoir une violation. Cette divergence entre la théorie gravitationnelle d’Einstein et la théorie quantique moderne est la raison pour laquelle des tests plus rigoureux du principe d’équivalence sont particulièrement importants.

Une équipe du Centre de technologie spatiale appliquée et de microgravité (ZARM) de l’Université de Brême, en collaboration avec l’Institut de géodésie (IfE) de l’Université Leibniz de Hanovre, a réussi à démontrer qu’il est 100 fois plus grand.[{ » attribute= » »>accuracy that passive gravitational mass and active gravitational mass are always equivalent – regardless of the particular composition of the respective masses. The research was conducted within the framework of the Cluster of Excellence “QuantumFrontiers.” On July 13, the team published their findings as a highlights article in the scientific journal Physical Review Letters.

Binary System Earth Moon

Binary system Earth-Moon. Credit: AEOS Medialab, ESA 2002

Physical context

Inertial mass resists acceleration. For example, it causes you to be pushed backward into your seat when the car starts. Passive gravitational mass reacts on gravity and results in our weight on Earth. Active gravitational mass refers to the force of gravitation exerted by an object, or more precisely, the size of its gravitational field. The equivalence of these properties is fundamental to general relativity. Therefore, both the equivalence of inertial and passive gravitational mass and the equivalence of passive and active gravitational mass are being tested with increasing precision.

Vishwa Vijay Singh

First Author of the Publication, Vishwa Vijay Singh. Credit: Singh

What was the study about?

If we assume that passive and active gravitational mass are not equal – that their ratio depends on the material – then objects made of different materials with a different center of mass would accelerate themselves. Since the Moon consists of an aluminum shell and an iron core, with centers of mass offset against each other, the Moon should accelerate. This hypothetical change in speed could be measured with high precision, via “Lunar Laser Ranging.” This involves pointing lasers from Earth at reflectors on the Moon placed there by the Apollo missions and the Soviet Luna program. Since then, round trip travel times of laser beams are recorded. The research team analyzed “Lunar Laser Ranging” data collected over a period of 50 years, from 1970 to 2022, and investigated such mass difference effects. Since no effect was found, this means that the passive and active gravitational masses are equal to approximately 14 decimal places. This estimate is a hundred times more accurate than the best previous study, dating back to 1986.

Unique expertise

LUH’s Institute of Geodesy – one of only four centers worldwide analyzing laser distance measurements to the Moon – has unique expertise in assessing the data, particularly for testing general relativity. In the current study, the institute analyzed the Lunar Laser Ranging measurements, including error analysis and interpretation of the results.

Vishwa Vijay Singh, Jürgen Müller and Liliane Biskupek from the Institute of Geodesy at Leibniz University Hannover, as well as Eva Hackmann and Claus Lämmerzahl from the Center of Applied Space Technology and Microgravity (ZARM) at the University of Bremen published their findings in the journal Physical Review Letters, where the paper was highlighted in the category “editors’ suggestion.”

Reference: “Equivalence of Active and Passive Gravitational Mass Tested with Lunar Laser Ranging” by Vishwa Vijay Singh, Jürgen Müller, Liliane Biskupek, Eva Hackmann and Claus Lämmerzahl, 13 July 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.021401

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