盡管一個多世紀(jì)前，愛因斯坦的廣義相對論就已廣為人知，但對它的研究卻一直沒有停止過。在最近的一項研究中，科學(xué)家們在極高精度下驗證了愛因斯坦廣義相對論的正確性。
在這次實驗中，科學(xué)家們想要研究了愛因斯坦廣義相對論中的弱等效原理（weak equivalence principle），即“在不考慮空氣阻力等干擾因素的情況下，不同物體在同一引力場中自由落體的加速度相同，與其質(zhì)量或物質(zhì)構(gòu)成無關(guān)?！睘榱蓑炞C上述理論，科學(xué)家們在一顆發(fā)射于 2016 年、名叫“顯微鏡”（MICROSCOPE）的法國衛(wèi)星上，測量了不同物體自由落體時的加速度。
在美國“阿波羅 15 號”（Apollo 15）的月表行走任務(wù)中，航天員大衛(wèi)?斯科特（David Scott）在沒有空氣阻力的環(huán)境中，同時扔下了一根羽毛和一把地質(zhì)錘。在月球引力作用下，兩個物體以相同的加速度向月球表面下落，這也是弱等效原理最著名的實驗之一。在最新的實驗中，MICROSCOPE 采取了相似的辦法，利用兩個分別由鈦合金和鉑合金制成的圓柱體在地球的引力場中進(jìn)行自由落體實驗。通過對這兩個物體施加靜電力，衛(wèi)星能讓它們的相對位置保持一致。如果兩個物體所需的靜電力不同，也就意味著它們的加速度不同，從而違反了弱等效原理。
這項成果證明這一對物體自由落體時加速度相差不會超過 1015 分之一，這也是該研究團(tuán)隊 20 年來的工作結(jié)晶。這也意味著在這個尺度之上，他們沒有發(fā)現(xiàn)存在任何違背弱等效原理的證據(jù)。
這個實驗結(jié)果不僅為弱等效原理的偏差界定了新的約束條件，同時也意味著在這一尺度下，愛因斯坦于 1915 年提出的引力理論，也就是廣義相對論，作為一個整體也沒有偏差。長久以來，科學(xué)家們都在試圖尋找該理論中的偏差，因為廣義相對論是人類對引力最好的描述，但其與在極小尺度下最好的物理模型量子力學(xué)并不相容。
實驗中沒有發(fā)現(xiàn)偏差也就意味著，目前還沒有需要我們拓展廣義相對論的跡象，從而使其與量子力學(xué)建立聯(lián)系?！霸谖磥淼睦碚撗芯恐?，我們有了這個新的更好的約束條件，因為我們現(xiàn)在已經(jīng)知道弱等效原理在這個尺度下一定是成立的。” Gilles Métris 在美國物理學(xué)會的一個報告表示。他是 MICROSCOPE 團(tuán)隊的一員，同時也是法國蔚藍(lán)海岸天文臺（C?te d'Azur Observatory）的科學(xué)家，他們的這項研究正是由美國物理學(xué)會發(fā)表的。
MICROSCOPE 衛(wèi)星發(fā)射于 2016 年四月，2017 年，研究人員公布了初步的實驗結(jié)果。在 2018 年實驗結(jié)束后，他們一直對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。這項最新的研究沒有發(fā)現(xiàn)弱等效原理在目前最嚴(yán)格的約束條件下失效的證據(jù)，意味著廣義相對論中這一部分仍然成立。同時，這項研究的結(jié)果也為進(jìn)行未來精度更高的實驗打下了基礎(chǔ)。
這是因為，科學(xué)家們已經(jīng)總結(jié)出了一些能用于改進(jìn)實驗設(shè)備的方案。一些潛在的升級措施包括減少衛(wèi)星外涂層的缺陷，從而減小衛(wèi)星對于加速度測量的影響；以及使用無線連接取代目前的線路系統(tǒng)。
通過上述的升級措施后，衛(wèi)星有望在 1017 分之一的精度上探測實驗是否會違背弱等效原理，精度將達(dá)到目前實驗的 100 倍。不過，研究團(tuán)隊也表示，這些改進(jìn)措施目前還難以實現(xiàn)，也就是說，在短時間內(nèi)，目前完成的實驗仍將是驗證弱等效原理最精確的實驗。
“在未來的 10 年甚至 20 年中，衛(wèi)星實驗將不會有更多進(jìn)展了，” Manuel Rodrigues 表示，他是 MICROSCOPE 項目的成員之一，同時也是法國宇航研究院（ONERA）的科學(xué)家。
研究成果于當(dāng)?shù)貢r間 9 月 14 日發(fā)表在《物理評論快報》期刊（Physical Review Letters）以及《經(jīng)典與量子引力》（Classical and Quantum Gravity）特刊上。
原文鏈接：
https://www.scientificamerican.com/article/einsteins-greatest-theory-just-passed-its-most-rigorous-test-yet/
本文來自微信公眾號：環(huán)球科學(xué) （ID：huanqiukexue），撰文：Robert Lea，翻譯：張逸飛，審校：clefable
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