伽利略自由落體理論通過太空驗證

畫家筆下的法國微型衛星對等觀測系統
等效原理是愛因斯坦廣義相對論的基本假設之一,四百多年前,伽利略提出自由落體理論並在比薩斜塔對等效原理進行了當時最精確的實驗測試。現在,這種自由落體理論首次在太空獲得驗證。

法國微型衛星對等觀測系統 (Micro-Satellite à traînée Compensée pour lʻObservation du Principe dʻEquivalence,簡稱 MICROSCOPE )試驗組證明,該旋轉衛星上的兩個物體在經歷一千五百多次繞地旋轉後,加速度一直保持相同,從而以10^-14(10的-14次方)這一目前最高精度完成了對自由落體理論的太空驗證。

等效原理的基本含義認為,引力場中不同質量與材料的所有物體,都具有同樣的加速度。 16世紀伽利略進行了舉世聞名的比薩斜塔實驗,他將一百磅重和一磅重的兩個不同鐵球同時從斜塔塔頂拋下,結果輕重不同的兩個鐵球幾乎同時落到地上。此後的幾百年來,物理學家們設計各種不同的實驗,希望能找到違反等效原理的證據,即不同質量的物體自由下落時加速度會存在差異,這樣就意味著還存在引力之外的另一種自然作用力,從而可以解釋廣義相對論與量子理論之間不可調和的矛盾。但這些實驗並沒有成功,反而以越來越高的精度驗證了等效原理。

耗資二億歐元的微型衛星對等觀測系統,由法國國家太空研究中心研製並於2016年發射。其上攜帶有兩個直徑幾厘米的小圓柱形物體,一個用金屬鈦製成,另一個用鉑銠合金製成,當其在地球軌道上旋轉運動時,兩個圓柱體不斷自由下落。衛星上監控兩個圓柱體的電極如果出現電壓差異,則表明其中一個圓柱體比另一個下落得更快,可作為背離等效原理的訊號。

但衛星研究團隊在繞軌運動一千五百次後也沒有發現這種差異性信號,在太空以10^-14次方的精度進行了自由落體實驗,比地面最靈敏實驗的精度還要高出十倍。研究人員表示,到明年實驗結束之前,他們還會繼續進行九百次太空自由落體實驗,到時等效原理的精度可以提高到10^-15次方。

【圖:互聯網;文:節錄自科學網頁;新聞訊息由林景明提供】

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