等效原理被證實,廣義相對論的基礎再一次被加固

2021-02-08 萬象經驗

今天,各大媒體爭相報導,相對論「自由落體的普適性」又一次被證明,愛因斯坦又一次正確了。準確來講,這只是廣義相對論的兩大假設之一在一定精度內被證明有效。

等效原理

等效原理在現代物理學中是非常重要的,它是1916年愛因斯坦建立的廣義相對論的兩個基本假設之一,另一個基本假設是廣義相對性原理。等效原理又分為弱等效原理、強等效原理和甚強等效原理。

弱等效原理最初是伽利略通過對物體在引力場中規律的研究而得出的一個基本原理,因此它又叫做伽利略等效原理。可能大家對這個名詞會感到有點陌生,但是相信大家在學習物理的時候都有聽過這樣一個故事:伽利略在比薩斜塔上同時釋放了兩個不同重量的小球,其結果是這兩個小球幾乎同時落地。如果用牛頓第二定律和萬有引力定律來描述自由落體的時候,那麼弱等效原理又可以表述為:「物體的慣性質量與引力質量之比是與物體的材料、重量等物理性質無關的常數。」如果我們選取適當的單位,比如使用國際單位,那麼物體的慣性質量就和引力質量相等了。

強等效原理是對弱等效原理的擴展,這是愛因斯坦在提出廣義相對論之時提出的,因此它又稱為愛因斯坦等效原理。以封閉的電梯為例,如果電梯以加速度g在太空中向上運動,那麼電梯內的觀察者是無法判斷電梯的運動情況。因為此時他感受到的是向下的加速度g,這種情況和在地球表面靜止的電梯是一樣的。反過來也是一樣。因此,強等效原理可以這樣表述:「在引力場的任何位置和任何時間都可以找到一個局部慣性系,其中一切的物理定律都與沒有引力場時相同。」這裡說的局部慣性系可以看成是一個點,它可以忽略掉引力場的不均勻性。有時會把弱等效原理和強等效原理統稱為弱等效原理。

甚強等效原理把引力的相互作用也包含在其中,它描述的是引力也不會造成等效原理的破壞。

等效原理的檢驗

我們前面說過,伽利略在比薩斜塔上進行了自由落體的實驗。但是,這個故事只出現在他學生在《伽利略傳記》中的追述,沒有其餘的文獻能證明這一點。而且這個實驗充滿著疑惑:兩個大小相差10倍的圓球其空氣阻力差別非常大,而且也無法做到同時釋放,最後居然得到了完美的結果,因此許多人認為這個故事是杜撰的。

有文獻記載的第一個進行實驗的是牛頓,他製作了兩個一模一樣的盒子,裡面分別裝了相同重量的木塊和金屬,再把它綁在相同長度的繩子上進行單擺實驗。這樣做的目的是可以減少空氣阻力對實驗的影響,並且盒子裡的東西還可以進行替換。最後牛頓在千分之一的精度上驗證了引力質量和慣性質量之比是與物質無關的常數。

1890年,匈牙利科學家利用扭秤完成了第一個高精度的實驗,在10^-9相對精度內證明了引力質量和慣性質量的相等。後來又有三位科學家改進了扭秤實驗和測量方法,使精度達到了10^-13量級。這幾乎是地面方法的極限了。

後來,人們提出利用衛星來檢驗等效原理。科學家把兩個物體裝在衛星之中,如果等效原理不成立,那麼這兩個物體就會在長年累月的繞地軌道運行中漸漸分開。該計劃可以在10^-18的精度內檢驗該原理。

甚強等效原理的檢驗

為了統一自然界的四種基本力量,許多人提出了超越廣義相對論的理論,例如超弦理論等,這些新理論會對等效原理造成破壞。而上述檢驗方法的質量太低,自引力太小。要想檢驗自引力是否能對等效原理造成破壞,需要使用天體來完成實驗。

地月系統是人類第一個能完成此實驗的天體,如果引力能造成等效原理的破壞,那麼地球和月亮在太陽的引力場下加速度會有所不同,月亮繞地球運轉的軌道就會出現畸變。冷戰期間,前蘇聯和美國在月球上總共放置了5個反射鏡,經過科學家30多年的研究,發現地月軌道沒有出現畸變,此實驗在10^-13的精度下驗證了等效原理並沒有被破壞。

6月10日發表在《天文學與天體物理學》雜誌上的一項研究也證明了等效原理。來自曼徹斯特大學的研究人員對一個三體系統進行了研究,這個系統包含兩顆白矮星和一顆脈衝星。科學家對這三顆星星的位置的追蹤達到納米級別,結果發現脈衝星和白矮星A在白矮星B的重力場下以相同的加速度落向B,從而在一定精度內證明了等效原理的正確性。

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  • 提出廣義相對論30多年後,愛因斯坦仍在擔憂這件事
    愛因斯坦在文中回顧了物理學的發展歷史、解釋了廣義相對論的基本思想,並介紹了如何通過非對稱的度量場來推廣廣義相對論的思想。我近期發表了一些有關場論的數學研究的文章,於是《科學美國人》的編輯找我寫一篇相關的文章。一些讀者可能會感到疑惑:我們尚在學校之時不就已經把物理的基礎知識學完了嗎?這個問題的答案可以是肯定的也可以是否定的,因為它取決於我們如何理解這個問題。
  • 為什麼說愛因斯坦的廣義相對論適用於包括非慣性系的一切參考系?
    愛因斯坦卻認為相對性原理應該是一個普遍性的原理,應該也能適用於電磁力學,麥克斯韋聯立方程組中隱含著光速是個常數,這個結果為麥可遜――莫雷實驗所證實,當時邁克耳遜――莫雷做的「以太漂移」實驗,實驗結果否定了「以太」的存在,多次精確測定的光速都是不變的。1905年愛因斯坦大膽把光速不變上升為一個原理,結合伽利略相對性原理,把伽利略相對性原理做了簡單推廣,最終創立狹義相對論。
  • 「廣義相對論」和「狹義相對論」都說時間會變慢,有啥區別?
    也就是狹義相對論分析的一切都是以「慣性系」為前提,但是我們現實生活基本都是非慣性系,所以急需一個理論拋開慣性系,讓所有理論再非慣性系也成立,這個理論就是:廣義相對論。廣義相對論中處理「時間變慢」就不需要慣性系了,隨便挑一個參考系就行,儘管這個參考系受力也沒關係,只要是參考系就可以用廣義相對論來分析。
  • ——從萬有引力理論到廣義相對論
    憑藉等效原理和廣義相對性原理,愛因斯坦於1916年提出了全新的引力理論——廣義相對論。在給出廣義相對論的引力場方程以後,愛因斯坦第一時間通過弱場近似方法求解引力場方程,並給出了廣義相對論下計算的水星近日點進動與牛頓理論的誤差值為43.03,與實際觀測值非常接近。