这一物理学基本原理，通过了最精确的检验

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨，头图来自：CNES

物理学中存在许多有悖我们日常直觉的事实，一个典型的例子是：两个质量不同的物体在真空中的同一高度同时落下时，会同时落到地面。这一违反直觉的例子，恰恰表明了我们日常熟悉的引力，实际上是一种非常特殊的相互作用，它可能蕴藏着许多深刻的奥秘。

广义相对论的基础  

早在17世纪，伽利略就推断真空中的所有物体都以相同的速度下落。相传，他曾提出过要将两个质量不同的物体，同时从比萨斜塔的塔顶扔下去的实验。不过，这一想法似乎并没有付诸实际。

后来，牛顿在万有引力理论中指出，两个有质量的物体之间的引力，与它们引力质量的乘积成正比。此外，他还在第二运动定律中，用惯性质量将物体的加速度与作用在物体上的力联系了起来。牛顿假设，惯性质量和引力质量是相等的，并预测在地球或其他大质量物体的引力场中，一个有质量物体的运动应该与它的质量无关。

这种最初由伽利略和牛顿洞见到的自由落体的普适性，在1907年被爱因斯坦提升为一个原理，即弱等效原理。弱等效原理描述了两个组成或者质量不同的物体，在相同的引力场中会以相同的速度下落。同样，它也强调了惯性质量与引力质量的等效性。

1915年，爱因斯坦发表了广义相对论，而他对广义相对论的整个建构，都依赖于弱等效原理的有效性。因此，验证弱等效原理也成了验证广义相对论的方法之一。

太空卫星上的最高精度：10⁻¹⁵  

由于广义相对论无法解释已观测到的量子现象，不断有物理学家试图在各种场景下，以更高的精度水平来验证这一理论。近年来，尽管科学家已经做到了以10⁻¹³的精度来对其加以验证。但它仍然有可能在更高的精度水平上被违反。

现在，在一项新的研究中，一个研究团队对弱等效原理进行了迄今为止最精确的检验。他们在MICROSCOPE卫星上进一步将这一理论推向极限，以10⁻¹⁵的精度验证了弱等效原理。

MICROSCOPE卫星是一颗绕地球运行的重300千克的微型卫星。为了避免实验结果受到影响，卫星上配备了冷气微推进器，能够补偿最微小的轨道扰动。2016年，它首次在太空中测试自由落体的普适性，其实验精度远远高于任何在地球上进行的实验。

以检验等效原理为目标的MICROSCOPE卫星，于2016年发射升空。（图／CNES）

之所以要在太空中进行自由落体实验，是因为在那里，物体不会像在地球上那样遇到的扰动（特别是地震扰动）的影响。研究人员可以用几个月的时间，来观察两个不同的物体在轨道卫星上，进行几乎完美的自由落体运动，从而通过分析物体的加速度来测试弱等效原理。

太空里的自由落体实验  

在新的研究中，对弱等效原理的检验是通过测量厄特沃什比率（Eötvös ratio）来实现的。厄特沃什比率是一个与两个自由落体物体的加速度有关的比率，它是两个有质量物体的加速度之差与它们的平均加速度之间的比值。

在实验中，MICROSCOPE团队选用了两种不同的材料，制成了两个同心圆柱形试验质量——一个由钛制成，另一个由铂铑合金制成。他们用可以通过静电力来精确控制物体的仪器，使两个试验质量维持在在相对相同的位置。接着，研究人员通过寻找势差，来分析两个试验质量的加速度差异。如果弱等效原理在这一精度级别上仍然成立，那么这两个试验质量将受到相同的加速度，即使它们的质量或组成不同。

2017年，MICROSCOPE团队发表了他们的首个结果，表明在厄特沃什比率不超过10⁻¹⁴的水平上，不存在弱等效原理被违反的迹象。在MICROSCOPE卫星于2018年任务结束后，研究人员继续分析数据。现在，他们得到的最终结果证实了先前的发现。

新的结果在精确度上有了进一步的提高，它表明在厄特沃什比率不超过10⁻¹⁵的情况下，没有任何违反弱等效原理的情况。这打消了目前对广义相对论在这一精度水平上的偏差顾虑，再次证明了——爱因斯坦是对的！

展望10⁻¹⁷  

这一结果是对弱等效原理设置的迄今为止最严格的限制。它标志着，未来的任何广义相对论的替代理论，都需要在这样的精度水平上不违反弱等效原理。

此外，这项工作也为使用卫星实验来对弱等效原理进行更精确的测试铺平了道路。科学家希望，未来通过对实验仪器进行升级，能够在10⁻¹⁷的水平上检测弱等效原理，但这样的升级需要我们耐心等待。研究人员表示，至少在接下来的10到20年时间里，MICROSCOPE团队这次所得到的结果，将会一直是弱等效原理的最精确约束。

参考来源：

https://www.aps.org/newsroom/pressreleases/microscope.cfm

https://physics.aps.org/articles/v15/94

https://physics.aps.org/articles/v15/95

https://microscope.cnes.fr/en/MICROSCOPE/index.htm

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