[科普中国]-等效性原理的卫星试验

等效性原理

具有不同结构和组成的物体会以相同的加速度在引力场中下落吗?如果不是，则表明我们所说的弱等效原理(WEP)破缺。弱等效原理蛀早是伽里略提出的，牛顿进一步明确表述，爱因斯坦则将弱等效原理作为广义相对论的一个基本假设，也是它的根本出发点。事实上弱等效原理并不适用于其它相互作用，它是引力理论独有的一个初始假设。几乎所有试图将引力和其它相互作用统一的理论都要求等效原理破缺，这意味着广义相对论或许并不是最完善的引力理论，就象二十世纪初牛顿引力理论被爱因斯坦广义相对论所取代那样。所有，广义相对论的实验检验都与理论的某些特殊预测相关，只有等效原理实验是检验广义相对论的基本假设，这也是为什么WEP的实验检验被科学界所特别重视的原因。一个高精度的等效原理的实验结果——不论证实等效原理是成立的或破缺的，都将具有重要的科学意义。

等效原理可以简单表述为：不同结构和不同物质组成的检验物体其惯性质量与引力质量之比相同。检验弱等效原理是否成立就是验证引力质量与惯性质量的等价性。弱等效原理的实验检验需要测量出不同检验物体的不同效应。单摆实验和落体实验是绝对性实验，即测量不同材料的物体在引力场中的自由摆动或降落，然后加以比较，它们并不是对差别敏感的零实验，因而实验精度受到限制。2

等效性原理的卫星试验发展地面试验阶段检验等效原理的理想装置应设计为差动模式，即仅当WEP破缺时它给出一个非零信号，否则它将是零结果。扭秤正是这样的差动装置：连接于细杆具有不同组成的两检验物体被一细丝悬挂，可在水平面内摆动。每一物体受到地球的引力和源于地球自转的离心力。物体所受引力正比于引力质量mg，而离心力正比于惯性质量mi，如果两种物体mg/mi不同，则扭秤上出现一附加力矩，从而使扭秤偏转：交换两检验物体(或将扭秤旋转180°)，附加力矩将改变方向。如果两物体mg/mi相同(即两物体mg和/mi等效，等效原理不破缺)，扭秤将不会发生偏转。由于扭秤灵敏度极高，可以测量10-12m/s2的加速度的变化，扭秤实验技术的应用将等效原理实验检验推到了一个崭新的阶段。

二十世纪初，Eotvos领导的小组花了十多年的时间，第一次用扭秤精确地检验了弱等效原理，他们用扭秤这种零实验技术将实验精度一下提高到10-8的量级。二十世纪三十年代Renner利用Eotvos装置重复了其实验，将精度提高到10-9量级。六十年代，普林斯顿的Dicke领导的小组改进了Eotvos实验，使用了一个具有三重对称性的扭秤，并且用它去比较太阳的引力场及由于地球绕太阳公转产生的离心力场所产生的扭矩，从而避免了Eotvos实验的根本缺点，将精度提高到10-11。七十年代，莫斯科大学的Braginsky小组进一步得到10-12精度的实验结果。九十年代，华盛顿大学的Adelberger小组采用旋转扭秤法，也在10-12的精度上验证了等效原理的成立。

二十世纪八十年代，美国Colorado大学Failer领导的小组改进了自由落体实验，采用双落体差动检测方式，将自由落体法检测等效原理的精度提高到5×10-10的量级。九十年代，Dickey小组分析了激光月地测距数据，检验了具有不同构成的地球和月球落向太阳的加速度，在10-12量级上验证了等效原理的成立。然而激光月地测距是基于月地轨道的很多摄动效应的高度复杂的物理模型，其中包含很多未知参量的调整，而这些效应的大小可以与等效原理破缺效应相当，因而激光月地测距数据给出的结论有待于进一步证实。

地面实验已验证弱等效原理在10-12量级成立，是否在更高的量级上会发生破缺?唯有更高精度的实验才能告诉我们这一问题的答案。由于10-12量级的实验精度己接近地面实验的极限水平，科学家们又致力于空间等效原理实验研究，如美国空间局和欧洲空间局支持的斯坦福大学的STEP(Satellite Test ofthe Equivalence Principle)计划，意大利比萨大学的GG(Galileo Galilei)计划。空间等效原理实验的突出优点是待测信号大。由于地球卫星轨道上的检验物体处于失重状态，它们受到的地球引力加速度即是待测信号，比地面待测信号大三个数量级。其次，地球卫星轨道比地面具有更安静的实验环境，因而外部干扰噪声较地面小。STEP计划采用超导磁悬浮两检验质量使其同轴并可沿轴向运动．并用SQUID传感器检测位移，希望提高到10-18量级，GG计划采用多组软弹簧连接两同轴圆柱，检测他们径向的微小相对运动，希望将检验精度提高到10-17的量级。2

空间卫星试验阶段法国科学家2016年发射了一颗卫星——“显微镜”（Microscope），将直接验证爱因斯坦广义相对论的重要组成部分——等效原理。研究人员表示，如果证明这一理论有误，将拉开新物理学的序幕。

等效原理是广义相对论的第一个基本原理。那么，等效原理正确吗?这就是法国发射的“显微镜”卫星的使命，该卫星已从法属圭亚那搭载俄罗斯“联盟”号火箭进入太空。

“显微镜”卫星由法国国家航天研究中心（CNES）研制而成，其上携带两个圆柱形物体：一个用金属钛制造；另一个用铂铑合金制造。CNES在新闻发布会上表示：“在太空中，旋转卫星上的这两个物体将在长达数月内处于几乎完美且持久的自由落体运动中，没有在地球上可能受到的扰动影响，因此，我们能很精确地对它们的相对运动进行研究。”

如果爱因斯坦是正确的，那么不管其组成如何，两者的运动将会一样。CNES称：“如果两者加速度不同，那么等效原理将被推翻，这将撼动物理学的基础。”

科学家们一直无法让爱因斯坦的引力理论与粒子物理学标准模型统一起来。标准模型预测，广义相对论会在非常小的尺度上失效，但迄今还没有人观察到这一现象。现在，“显微镜”卫星的观测精度比迄今地球上进行的实验提高了3个数量级。研究人员表示，任何违反爱因斯坦等效原理的情况均将开启新的物理学领域。1