211service.com
Ny kvantteori skiljer gravitations- och tröghetsmassa åt
Ekvivalensprincipen är en av de mer fascinerande idéerna inom modern vetenskap. Den hävdar att gravitationsmassa och tröghetsmassa är identiska. Einstein uttryckte det så här: gravitationskraften vi upplever på jorden är identisk med den kraft vi skulle uppleva om vi satt i ett rymdskepp som accelererade med 1g. Newton kan ha sagt att m i F=ma är detsamma som ms i F=Gm1m2/r^2.
Detta verkar ytterst vettigt. Och ändå är det inte mer än ett påstående. Visst, vi kan mäta ekvivalensen med ständigt ökande noggrannhet, men det finns inget som hindrar oss från att tro att relationen någon gång kommer att gå sönder. Faktum är att flera modifieringar av relativitetsteorien förutspår att den kommer att göra det.
En viktig fråga är vad kvantmekaniken har att säga om saken. Men fysiker har hittills inte kunnat använda kvantteorin som en hävstång för att reta upp beteendet hos tröghets- och gravitationsmassa.
Allt detta förändras idag med Endre Kajaris extraordinära arbete vid universitetet i Ulm i Tyskland och några kompisar. De visar hur det är möjligt att skapa situationer i kvantvärlden där effekterna av tröghets- och gravitationsmassa måste vara olika. Faktum är att de visar att dessa skillnader kan vara godtyckligt stora.
Deras tänkande börjar med att påpeka den viktiga skillnaden mellan kinematik, som enbart handlar om rörelse, inte hur den uppstår, och dynamik som fokuserar på rörelsens ursprung. I den klassiska världen har detta ingen betydelse för effekterna av tröghets- och gravitationsmassa.
Men i kvantvärlden har hur stater förbereds enorm betydelse. De påpekar till exempel att vågfunktionen för en partikel i en låda inte alls beror på massan, medan energivågfunktionen hos en harmonisk oscillator beror på kvadratroten av massan.
Det leder till en intressant idé: att det är möjligt att skapa kombinationer av gravitations- och elektromagnetiska lådor och oscillatorer där tröghets- och gravitationsmassa spelar olika roller.
Det visar sig att fysiker redan leker med exakt den här typen av upplägg: den så kallade atomstudsmattan, där en materiavåg faller under inverkan av gravitationen men studsas av en elektromagnetisk kraft. De beräknar att atomens energiegenvärden är proportionella mot (gravitationsmassan)^2/3 men mot (tröghetsmassan)^-1/3.
Det är ett fantastiskt resultat. Den typ av energispektroskopi av atomer eller Bose Einstein-kondensat som kan upptäcka denna skillnad borde kunna uppnås, om inte nu, så mycket snart inom de närmaste åren.
Om de lyckas kommer dessa typer av undersökningar att ge ett helt nytt sätt att studera massans natur och, kanske ännu viktigare, att undersöka det förbryllande förhållandet mellan generell relativitetsteori och kvantmekanik.
Till exempel kommer kosmologer att vilja veta hur tröghets- och gravitationsmassa beter sig under de mest extrema förhållandena i universum, som inuti svarta hål.
Det lovar några spännande år framåt.
Ref: arxiv.org/abs/1006.1988 : Tröghets- och gravitationsmassa i kvantmekanik