盡管一個多世紀前，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，與其質量或物質構成無關?！睘榱蓑炞C上述理論，科學家們在一顆發(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，這也是該研究團隊 20 年來的工作結晶。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 在美國物理學會的一個報告表示。他是 MICROSCOPE 團隊的一員，同時也是法國蔚藍海岸天文臺（C?te d'Azur Observatory）的科學家，他們的這項研究正是由美國物理學會發(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果。在 2018 年實驗結束后，他們一直對實驗數(shù)據(jù)進行分析。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，這項研究的結果也為進行未來精度更高的實驗打下了基礎。
這是因為，科學家們已經(jīng)總結出了一些能用于改進實驗設備的方案。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，精度將達到目前實驗的 100 倍。不過，研究團隊也表示，這些改進措施目前還難以實現(xiàn)，也就是說，在短時間內，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）的科學家。
研究成果于當?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 （ID：huanqiukexue），撰文：Robert Lea，翻譯：張逸飛，審校：clefable
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