科学家在极高精度下验证爱因斯坦广义相对论正确性

图片来源：Pixabay

　　尽管一个多世纪前，爱因斯坦的广义相对论就已广为人知，但对它的研究却一直没有停止过。在最近的一项研究中，科学家们在极高精度下验证了爱因斯坦广义相对论的正确性。

　　在这次实验中，科学家们想要研究了爱因斯坦广义相对论中的弱等效原理（weak equivalence principle），即“在不考虑空气阻力等干扰因素的情况下，不同物体在同一引力场中自由落体的加速度相同，与其质量或物质构成无关。”为了验证上述理论，科学家们在一颗发射于 2016 年、名叫“显微镜”（MICROSCOPE）的法国卫星上，测量了不同物体自由落体时的加速度。

　　在美国“阿波罗 15 号”（Apollo 15）的月表行走任务中，航天员大卫・斯科特（David Scott）在没有空气阻力的环境中，同时扔下了一根羽毛和一把地质锤。在月球引力作用下，两个物体以相同的加速度向月球表面下落，这也是弱等效原理最著名的实验之一。在最新的实验中，MICROSCOPE 采取了相似的办法，利用两个分别由钛合金和铂合金制成的圆柱体在地球的引力场中进行自由落体实验。通过对这两个物体施加静电力，卫星能让它们的相对位置保持一致。如果两个物体所需的静电力不同，也就意味着它们的加速度不同，从而违反了弱等效原理。

　　这项成果证明这一对物体自由落体时加速度相差不会超过 1015 分之一，这也是该研究团队 20 年来的工作结晶。这也意味着在这个尺度之上，他们没有发现存在任何违背弱等效原理的证据。

　　这个实验结果不仅为弱等效原理的偏差界定了新的约束条件，同时也意味着在这一尺度下，爱因斯坦于 1915 年提出的引力理论，也就是广义相对论，作为一个整体也没有偏差。长久以来，科学家们都在试图寻找该理论中的偏差，因为广义相对论是人类对引力最好的描述，但其与在极小尺度下最好的物理模型量子力学并不相容。

　　实验中没有发现偏差也就意味着，目前还没有需要我们拓展广义相对论的迹象，从而使其与量子力学建立联系。“在未来的理论研究中，我们有了这个新的更好的约束条件，因为我们现在已经知道弱等效原理在这个尺度下一定是成立的。” Gilles Métris 在美国物理学会的一个报告表示。他是 MICROSCOPE 团队的一员，同时也是法国蔚蓝海岸天文台（Côte d'Azur Observatory）的科学家，他们的这项研究正是由美国物理学会发表的。

　　MICROSCOPE 卫星发射于 2016 年四月，2017 年，研究人员公布了初步的实验结果。在 2018 年实验结束后，他们一直对实验数据进行分析。这项最新的研究没有发现弱等效原理在目前最严格的约束条件下失效的证据，意味着广义相对论中这一部分仍然成立。同时，这项研究的结果也为进行未来精度更高的实验打下了基础。

　　这是因为，科学家们已经总结出了一些能用于改进实验设备的方案。一些潜在的升级措施包括减少卫星外涂层的缺陷，从而减小卫星对于加速度测量的影响；以及使用无线连接取代目前的线路系统。

　　通过上述的升级措施后，卫星有望在 1017 分之一的精度上探测实验是否会违背弱等效原理，精度将达到目前实验的 100 倍。不过，研究团队也表示，这些改进措施目前还难以实现，也就是说，在短时间内，目前完成的实验仍将是验证弱等效原理最精确的实验。

　　“在未来的 10 年甚至 20 年中，卫星实验将不会有更多进展了，” Manuel Rodrigues 表示，他是 MICROSCOPE 项目的成员之一，同时也是法国宇航研究院（ONERA）的科学家。

　　研究成果于当地时间 9 月 14 日发表在《物理评论快报》期刊（Physical Review Letters）以及《经典与量子引力》（Classical and Quantum Gravity）特刊上。