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空间测试证实自由落体理论

2017-12-01 15:53:09 来源:中国科学报

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“显微镜”卫星显示重力牵引物体的速度是一样的。图片来源:CNES

  阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论的一个重要原则已经成功通过了一项测试,只不过这次是在太空中。法国的一项卫星实验表明,不同质量的物体在重力作用下以完全相同的速度下落,就像相对论所指示的那样。这一结果是对等效原理的最精确证实,该原理是400多年前由伽利略·伽利莱首次测试的。“这项任务看起来表现得非常完美。”美国盖恩斯维尔市佛罗里达大学理论物理学家Clifford Will说。

  物理学家曾仔细研究等效原理,因为任何违背这一原理的可能性都指向自然界的新力量,这可能会解决广义相对论和量子理论之间长期存在的僵局。

  这颗被称为“显微镜”的卫星发现,在两个小型质量测试中,加速度在1014分之一的水平上没有任何差异。这比最灵敏的地基实验要高出10倍以上,后者在地球自转的过程中寻找重量响应的差异。

  由法国国家太空研究中心(CNES)于2016年4月发射的斥资2亿欧元的“显微镜”卫星得益于能够避免地面产生的震动。它依靠一对几厘米长的同轴的圆柱壳轴。外层的圆筒由钛铝合金制成,而内部的圆筒则由密度更高的铂铑合金组成。

  当卫星环绕地球运行时,圆筒在不断地进行自由落体运动。电极可以监测圆筒的位置,并在它们偏离中心的时候通过微小的电压,利用静电推动其工作。当卫星运行在一条1.5小时的轨道上时,两个应用电压之间的差异表明其中一个圆筒的下落速度要比另一个快一些,而这恰好是违反等效原理的信号。

  在这颗卫星经过了1500多次这样的轨道之后,由来自法国、德国、荷兰和英国的研究人员组成的“显微镜”研究团队并没有发现这样的信号。他们关于这项研究的论文已经被《物理评论快报》接收。在这项任务于明年结束之前还将进行另外900个研究轨道运行,研究团队可能会实现将等效原理确定为1015分之一的目标。

  Will说,到目前为止,这些测量并没有排除任何与等效原理相违背的有关相对论的特殊可能性。尽管如此,他认为,在新的物理学模式下,不断提高敏感性是很重要的。“在我们到达那里之前,我们什么都不知道。”Will说。

  一个提议中的被称为“伽利略·伽利莱”的意大利卫星,将在1017分之一的精度下测试等效原理,部分是通过快速旋转并将任何信号从更缓慢变化的系统效应中分离出来加以实现的。

  加利福尼亚州帕洛阿尔托市斯坦福大学的研究人员则已经提出了一种卫星,它的目标是利用降噪低温冷冻技术在1018分之一的精度上监测等效原理。还有一些研究人员希望能够使用“玻色—爱因斯坦”凝聚体(表现为单一量子波的冷原子云)达到测量的极限。

  Anna Nobili是意大利比萨大学的物理学家、“伽利略·伽利莱”卫星的首席研究员。她承认,为这项太空任务寻找资金并不容易。但最新的结果“证明了这些测试在太空中很容易”。

  等效原理是引力的最基本的物理性质。在任何一个时空点上都可以选取适当的参考系,使一切物质的运动方程中不再含有引力项,即引力可以局部地消除。如果认为这种消除了引力的参考系是惯性系,那么,等效原理表明,在任何一个时空点,一定存在局部惯性系。伽利略最早注意到,不同物体沿斜面的下滑运动是一样的,即引力加速度与物体的组成无关。

  等效原理是广义相对论的第一个基本原理,也是整个广义相对论的核心。其基本含义是指重力场与以适当加速度运动的参考系是等价的。爱因斯坦于1911年注意到这一规律,1915年正式以原理的形式提出。

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