หลักการวัตถุตกอิสระในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ผ่านการทดสอบในอวกาศ

ทีมนักฟิสิกส์ในโครงการทดลอง “ไมโครสโคป” (MICROSCOPE) ขององค์การอวกาศยุโรป ประกาศผลวิเคราะห์ข้อมูลขั้นสุดท้ายซึ่งพิสูจน์ว่า หลักความสมมูลอย่างอ่อน (weak equivalence principle) ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ยังคงถูกต้องและใช้ได้จริงในระดับละเอียดแม้อยู่ในห้วงอวกาศ

หลักความสมมูลอย่างอ่อนในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปนั้น กล่าวถึงการตกอย่างอิสระของคู่วัตถุในสนามความโน้มถ่วงเดียวกัน โดยไม่มีแรงใด ๆ มากระทำจากภายนอกเพิ่มเติมอีก ในกรณีนี้วัตถุทั้งสองชิ้นจะตกถึงพื้นพร้อมกันเสมอ ไม่ว่าแต่ละชิ้นจะมีมวลมากน้อยกว่ากันเพียงใดก็ตาม 

ทีมนักฟิสิกส์ในโครงการทดลองไมโครสโคปพบว่า หลักการนี้ยังคงเป็นจริงในทุกสถานที่ หากความเร่งที่เกิดขึ้นกับวัตถุทั้งสองต่างกันไม่เกิน 1 ส่วนใน 1 พันล้านล้านส่วน (1.1 X 10^15)

ข้อมูลเหล่านี้มาจากการทดลองปล่อยวัตถุให้ตกอย่างอิสระในดาวเทียมไมโครสโคป ซึ่งโคจรรอบโลกเป็นเวลา 2 ปี ระหว่างปี 2016-2018 โดยใช้ก้อนไทเทเนียมอัลลอยและแพลทินัมอัลลอยซึ่งมีมวลแตกต่างกันมาเป็นคู่เปรียบเทียบ 

จากนั้นทีมผู้วิจัยใช้พลังไฟฟ้าสถิตเป็นตัวควบคุมก้อนโลหะผสมทั้งสองชนิด เพื่อจับให้อยู่ในตำแหน่งเดียวกันก่อนจะปล่อยตกอย่างอิสระ และหากมีความแตกต่างในอัตราเร่งของคู่วัตถุดังกล่าวเกิดขึ้น อุปกรณ์ภายในดาวเทียมจะบันทึกค่าความเปลี่ยนแปลงของพลังไฟฟ้าสถิตเอาไว้ทันที

ผลการทดลองพบว่าก้อนโลหะผสมที่มีมวลไม่เท่ากันและมีองค์ประกอบไม่เหมือนกันนั้น มีความเร่งขณะก่อนตกถึงพื้นต่างกันเพียงเล็กน้อยราว 1 ส่วนใน 1 พันล้านล้านส่วน โดยอัตราความแตกต่างนี้เรียกว่า “สัดส่วนเอ็ตเวิช” (Eötvös ratio) ซึ่งในทางเทคนิคแล้วจัดว่าน้อยมากจนปราศจากนัยสำคัญ ทั้งสามารถถือได้ว่าวัตถุทั้งสองตกถึงพื้นพร้อมกัน

อย่างไรก็ตาม ค่าของสัดส่วนเอ็ตเวิชที่ค้นพบในการทดลองนี้ ได้กลายมาเป็นขีดจำกัดสูงสุดของการประยุกต์ใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เพราะหลักความสมมูลอย่างอ่อนจะไม่เป็นจริงในทุกสถานการณ์อีกต่อไป หากคู่วัตถุที่ตกอย่างอิสระมีความแตกต่างของอัตราเร่งมากเกินไปกว่านี้ และเราอาจต้องหันไปพึ่งทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมซึ่งขัดแย้งกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เพื่อให้คำอธิบายแทน

ภายในราว 10-20 ปีข้างหน้า ทีมนักฟิสิกส์ของโครงการไมโครสโคปมีแผนจะทำการทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปให้ละเอียดลึกซึ้งยิ่งขึ้น โดยคาดว่าอาจพบขีดจำกัดใหม่ของหลักความสมมูลอย่างอ่อนที่ 1 ส่วนใน 1 แสนล้านล้านส่วน (1.1 X 10^17) เลยทีเดียว ซึ่งจะเป็นประโยชน์ต่อการศึกษาวิจัยประเด็นทางฟิสิกส์ทฤษฎีที่เกี่ยวข้องต่อไป