基本介紹
- 中文名：等效性原理的衛星試驗
- 外文名：Satellite test of equivalence principle
等效性原理,等效性原理的衛星試驗發展,地面試驗階段,空間衛星試驗階段,
等效性原理
具有不同結構和組成的物體會以相同的加速度在引力場中下落嗎?如果不是，則表明我們所說的弱等效原理(WEP)破缺。弱等效原理蛀早是伽里略提出的，牛頓進一步明確表述，愛因斯坦則將弱等效原理作為廣義相對論的一個基本假設，也是它的根本出發點。事實上弱等效原理並不適用於其它相互作用，它是引力理論獨有的一個初始假設。幾乎所有試圖將引力和其它相互作用統一的理論都要求等效原理破缺，這意味著廣義相對論或許並不是最完善的引力理論，就象二十世紀初牛頓引力理論被愛因斯坦廣義相對論所取代那樣。所有，廣義相對論的實驗檢驗都與理論的某些特殊預測相關，只有等效原理實驗是檢驗廣義相對論的基本假設，這也是為什麼WEP的實驗檢驗被科學界所特別重視的原因。一個高精度的等效原理的實驗結果——不論證實等效原理是成立的或破缺的，都將具有重要的科學意義。
等效原理可以簡單表述為：不同結構和不同物質組成的檢驗物體其慣性質量與引力質量之比相同。檢驗弱等效原理是否成立就是驗證引力質量與慣性質量的等價性。弱等效原理的實驗檢驗需要測量出不同檢驗物體的不同效應。單擺實驗和落體實驗是絕對性實驗，即測量不同材料的物體在引力場中的自由擺動或降落，然後加以比較，它們並不是對差別敏感的零實驗，因而實驗精度受到限制。
等效性原理的衛星試驗發展
地面試驗階段
檢驗等效原理的理想裝置應設計為差動模式，即僅當WEP破缺時它給出一個非零信號，否則它將是零結果。扭秤正是這樣的差動裝置：連線於細桿具有不同組成的兩檢驗物體被一細絲懸掛，可在水平面內擺動。每一物體受到地球的引力和源於地球自轉的離心力。物體所受引力正比於引力質量mg，而離心力正比於慣性質量mi，如果兩種物體mg/mi不同，則扭秤上出現一附加力矩，從而使扭秤偏轉：交換兩檢驗物體(或將扭秤旋轉180°)，附加力矩將改變方向。如果兩物體mg/mi相同(即兩物體mg和/mi等效，等效原理不破缺)，扭秤將不會發生偏轉。由於扭秤靈敏度極高，可以測量10-12m/s2的加速度的變化，扭秤實驗技術的套用將等效原理實驗檢驗推到了一個嶄新的階段。
二十世紀初，Eotvos領導的小組花了十多年的時間，第一次用扭秤精確地檢驗了弱等效原理，他們用扭秤這種零實驗技術將實驗精度一下提高到10-8的量級。二十世紀三十年代Renner利用Eotvos裝置重複了其實驗，將精度提高到10-9量級。六十年代，普林斯頓的Dicke領導的小組改進了Eotvos實驗，使用了一個具有三重對稱性的扭秤，並且用它去比較太陽的引力場及由於地球繞太陽公轉產生的離心力場所產生的扭矩，從而避免了Eotvos實驗的根本缺點，將精度提高到10-11。七十年代，莫斯科大學的Braginsky小組進一步得到10-12精度的實驗結果。九十年代，華盛頓大學的Adelberger小組採用旋轉扭秤法，也在10-12的精度上驗證了等效原理的成立。
二十世紀八十年代，美國Colorado大學Failer領導的小組改進了自由落體實驗，採用雙落體差動檢測方式，將自由落體法檢測等效原理的精度提高到5×10-10的量級。九十年代，Dickey小組分析了雷射月地測距數據，檢驗了具有不同構成的地球和月球落向太陽的加速度，在10-12量級上驗證了等效原理的成立。然而雷射月地測距是基於月地軌道的很多攝動效應的高度複雜的物理模型，其中包含很多未知參量的調整，而這些效應的大小可以與等效原理破缺效應相當，因而雷射月地測距數據給出的結論有待於進一步證實。
地面實驗已驗證弱等效原理在10-12量級成立，是否在更高的量級上會發生破缺?唯有更高精度的實驗才能告訴我們這一問題的答案。由於10-12量級的實驗精度己接近地面實驗的極限水平，科學家們又致力於空間等效原理實驗研究，如美國空間局和歐洲空間局支持的史丹福大學的STEP(Satellite Test ofthe Equivalence Principle)計畫，義大利比薩大學的GG(Galileo Galilei)計畫。空間等效原理實驗的突出優點是待測信號大。由於地球衛星軌道上的檢驗物體處於失重狀態，它們受到的地球引力加速度即是待測信號，比地面待測信號大三個數量級。其次，地球衛星軌道比地面具有更安靜的實驗環境，因而外部干擾噪聲較地面小。STEP計畫採用超導磁懸浮兩檢驗質量使其同軸並可沿軸向運動．並用SQUID感測器檢測位移，希望提高到10-18量級，GG計畫採用多組軟彈簧連線兩同軸圓柱，檢測他們徑向的微小相對運動，希望將檢驗精度提高到10-17的量級。
空間衛星試驗階段
法國科學家2016年發射了一顆衛星——“顯微鏡”（Microscope），將直接驗證愛因斯坦廣義相對論的重要組成部分——等效原理。研究人員表示，如果證明這一理論有誤，將拉開新物理學的序幕。
等效原理是廣義相對論的第一個基本原理。那么，等效原理正確嗎?這就是法國發射的“顯微鏡”衛星的使命，該衛星已從法屬蓋亞那搭載俄羅斯“聯盟”號火箭進入太空。
“顯微鏡”衛星由法國國家航天研究中心（CNES）研製而成，其上攜帶兩個圓柱形物體：一個用金屬鈦製造；另一個用鉑銠合金製造。CNES在新聞發布會上表示：“在太空中，旋轉衛星上的這兩個物體將在長達數月內處於幾乎完美且持久的自由落體運動中，沒有在地球上可能受到的擾動影響，因此，我們能很精確地對它們的相對運動進行研究。”
如果愛因斯坦是正確的，那么不管其組成如何，兩者的運動將會一樣。CNES稱：“如果兩者加速度不同，那么等效原理將被推翻，這將撼動物理學的基礎。”
科學家們一直無法讓愛因斯坦的引力理論與粒子物理學標準模型統一起來。標準模型預測，廣義相對論會在非常小的尺度上失效，但迄今還沒有人觀察到這一現象。現在，“顯微鏡”衛星的觀測精度比迄今地球上進行的實驗提高了3個數量級。研究人員表示，任何違反愛因斯坦等效原理的情況均將開啟新的物理學領域。
