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自由落体理论通过太空验证

2017-11-30 来源:科技日报 作者:聂翠蓉

  实验精度比地面最灵敏实验高出10倍

  科技日报北京11月29日电(记者聂翠蓉)等效原理是爱因斯坦广义相对论的基本假设之一,400多年前,伽利略提出自由落体理论并在比萨斜塔对等效原理进行了当时最精确的实验测试。现在,这种自由落体理论首次在太空获得验证。据《科学》杂志官网28日报道,法国“显微镜”卫星试验组证明,该旋转卫星上的两个物体在经历1500多次绕地旋转后,加速度一直保持相同,从而以10-14(10的-14次方)这一目前最高精度完成了对自由落体理论的太空验证。

 

  等效原理的基本含义认为,引力场中不同质量与材料的所有物体,都具有同样的加速度。16世纪伽利略进行了举世闻名的比萨斜塔实验,他将100磅重和1磅重的两个不同铁球同时从斜塔塔顶抛下,结果轻重不同的两个铁球几乎同时落到地上。此后的几百年来,物理学家们设计各种不同的实验,希望能找到违反等效原理的证据,即不同质量的物体自由下落时加速度会存在差异,这样就意味着还存在引力之外的另一种自然作用力,从而可以解释广义相对论与量子理论之间不可调和的矛盾。但这些“找茬”性实验并没有成功,反而以越来越高的精度验证了等效原理。

 

  耗资2亿欧元的“显微镜”卫星,由法国国家航天研究中心研制并于2016年发射。其上携带有两个直径几厘米的小圆柱形物体,一个用金属钛制成,另一个用铂铑合金制成,当其在地球轨道上旋转运动时,两个圆柱体不断自由下落。卫星上监控两个圆柱体的电极如果出现电压差异,则表明其中一个圆柱体比另一个下落得更快,可作为背离等效原理的信号。

 

  但卫星研究团队在绕轨运动1500次后也没有发现这种差异性信号,在太空以10的-14次方的精度进行了自由落体实验,比地面最灵敏实验的精度还要高出10倍。研究人员表示,到明年实验结束之前,他们还会继续进行900次太空自由落体实验,到时等效原理的精度可以提高到10的-15次方。

 

  佛罗里达大学理论物理学家克利福德·威尔表示,物理学家不能放弃,还需要继续提高实验精度,对等效原理进行验证。目前计划中的高精度实验包括意大利“伽利略”卫星实验以及斯坦福大学科学家提出的低温低噪音卫星实验,分别将精度设计目标推进到10的-17次方和10的-18次方。

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