等效原理被證實，廣義相對論的基礎再一次被加固

2020-08-14 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。

相關焦點

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    為此，愛因斯坦經過十年的不懈探索最終以廣義協變原理和局部等效原理為基礎於1915年建立了彎曲時空的引力理論即廣義相對論（1916年發表）。本文將簡要介紹廣義相對論的兩個基本假設和各種預言及其實驗檢驗，例如：廣義協變原理、等效原理、磁型引力（或說引力磁場）效應、時鐘變慢與引力紅移、引力波、光線偏折（引力透鏡）、行星近日點進動、雷達回波的時間延遲、中子星、引力塌縮與黑洞、黑洞熱力學與霍金輻射、大爆炸宇宙模型、計算（數值）廣義相對論、量子引力，等等。
  • 愛因斯坦與廣義相對論
    然而，正是馬赫的這一思想，給了愛因斯坦重要的啟示，引導愛因斯坦提出等效原理，並進而建立起廣義相對論的大廈。在廣義相對論取得巨大成功之後，愛因斯坦高度評價馬赫的這一思想，認為自己的廣義相對論具體體現了馬赫原理預期的效應。不過，後來的深入研究表明，廣義相對論與馬赫原理並不一致。有趣的是，當時馬赫還活著。
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    愛因斯坦發表了具有劃時代意義的5篇物理學論文，這幾篇論文奠定了狹義相對論的基礎。在之後的10年時間裡，愛因斯坦不斷對自己的理論進行探索、研究和完善。1915年，愛因斯坦又提出了廣義相對論，終於完成了一項具有劃時代意義的偉大工程。
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    1915 年，愛因斯坦提出了廣義相對論，用來描述物質間引力相互作用。廣義相對論首次把引力場解釋成時空的彎曲——大質量物體將宇宙結構扭曲，創造出一口彎曲的「井」，其他物體則會圍繞其運行。一百多年後，這一理論出色地通過了有史以來最嚴格的考驗，等效原理對三星系統的預測與觀測到的脈衝星周期吻合。
  • 愛因斯坦廣義相對論的基本原理是否適用於所有類型物質中?
    這種等效原則的邏輯結果無論如何都是在引力的影響下：失重！隨著他的著名的，有時可怕的思想實驗幫助愛因斯坦來到了1907年，檢查什麼失重但真正含義是：在從一個人不能感覺到它的重量的屋頂墜落。他真的擺脫了他的體重。正是當「重」重力最明顯地起作用時，你感覺不到它。後來他稱這種知識為「他生命中最快樂的想法」。因為它使他了解了他的廣義相對論的基本思想：引力根本不是一種力量。
  • 愛因斯坦的廣義相對論講的是什麼?
    廣義相對論描述的是物質與空間、運動與時空之間的精妙聯繫，揭示了萬有引力的本質。1905年，愛因斯坦提出狹義相對論，狹義相對論的時空觀已經顛覆了經典時空觀，但是狹義相對論有一個非常大的缺陷，就是只能描述慣性系，無法描述非慣性系。狹義相對論的主要工作完成後，愛因斯坦著手把相對論推廣到非慣性系，在愛因斯坦苦思之時，腦海裡閃過一個想法——電梯思想實驗。
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    歡迎廣大宇宙愛好者持續關注我們微信平臺！宇宙解碼公眾平臺即將推出科幻故事連載活動，將會在每周六或周日發布一篇精選科幻故事，覺得好看就分享給朋友吧！但是除K以外，參照所有參考物體K』表述的自然界定律也應該是最簡單的，而且，只要這些參考物體相對於K是處於勻速直線無轉動運動狀態。這些參考物體對於表述自然界定律應該與K完全等效；所有這些參考物體都應認為是伽利略參考物體，以往我們假定相對性原理只是對於這些參考物體才是有效的，而對於其他參考物體（例如具有另一種運動狀態的參考物體）則是無效的。在這個意義上我們說它是狹義相對性原理或狹義相對論。
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  • 為什麼廣義相對論表現得更好?
    第三，弱等效原理的概念（即所有個體，不論他們的物質組成如何，都以相同的方式對重力做出反應）具有很重要的意義，即至少在自由落體的緊鄰處，一個簡單的幾何變換就能讓它擺脫重力。第四，萬有引力與它的觀測現象相矛盾。
  • 段一士先生的講義：《廣義相對論與引力規範理論》
    廣義相對論是現代物理學的重要基石之一, 是現代宇宙學的基礎, 在相對論天體物理等領域也有廣泛應用. 本書簡要介紹廣義相對論和引力規範理論的基礎內容.第1 章主要介紹廣義相對論的數學基礎——黎曼幾何.愛因斯坦是20 世紀最偉大的物理學家, 他在1915 年創建的廣義相對論, 是關於時間、空間與物質及其運動相互依賴關係的學說, 是建立在廣義協變性原理、等效原理和黎曼幾何基礎上的引力理論和宏觀物質運動理論.
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  • 從牛頓到愛因斯坦:廣義相對論的起源
    導語:2015年11月是愛因斯坦提出廣義相對論的百年紀念。本文介紹了廣義相對論的起源，從牛頓物理學與電磁學的矛盾到洛倫茲變換，從只適用於慣性系的狹義相對論到可適用於非慣性系的廣義相對論。
  • 再一次驗證廣義相對論正確性,天體物理學家觀測到恆星拖曳時空
    天體物理學家說，該事件再一次驗證廣義相對論是正確行。圖註：該插圖是位於澳大利亞的帕克電波望遠鏡(Parkes radio telescope)觀測到的脈衝星白矮星雙星系統。物理學家們花了大量時間試圖反駁愛因斯坦廣義相對論中的觀點，但每一次新的嘗試都在不斷地證明理論的正確性。這一最新發現，即「參考系拖拽」的證據，再次證明愛因斯坦是對的。
  • "顯微鏡"衛星將驗證愛因斯坦等效原理
    原標題："顯微鏡"衛星將驗證愛因斯坦等效原理 或開啟新物理學領域 　　[導讀] 據美國《基督教科學箴言報》報導,法國科學家最近發射了一顆衛星——「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。
  • 愛因斯坦是如何將狹義相對性原理,拓展到廣義相對性原理的!
    愛因斯坦是如何將狹義相對性原理，拓展到廣義相對性原理的！此文說的明白。狹義相對論建立在狹義相對性原理【即在所有慣性系中，物理定律有相同的表達形式。這是力學相對性原理的推廣，它適用於一切物理定律，其本質是所有慣性系平權。】和光速不變原理【任何光線在「靜止的」坐標系中都是以確定的速度c運動著，與光源和觀測者運動無關。】之上。
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  • 如何自學廣義相對論,這裡有一份秘籍
    著名的物理學家約翰·惠勒是這樣總結廣義相對論的：「物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何運動。」前半句概括了愛因斯坦場方程，而後半句則概括了運動方程。它還有個獨特之處，利用場方程能推導出運動方程，這在其它場都是沒有的。這句話也是普通大眾對廣義相對論的理解：物質會導致時空彎曲。事實上，我們的學習欲望不止於此，我們還想學會如何進行廣義相對論計算。