編者按:據傳在16世紀末,伽利略曾在比薩斜塔上進行自由落體實驗,驗證了兩個不同質量的鐵球同時落地,推翻了亞里士多德的臆斷。比薩斜塔實驗的本質是檢驗等效原理,即慣性質量等于引力質量,為牛頓建立萬有引力理論、愛因斯坦建立廣義相對論奠定了基石。
到了今天,現代物理學大統一理論的最關鍵拼圖,是量子力學和廣義相對論的最終統一,而這要求等效原理在某些極端條件下失效。對等效原理進行更大范圍、更高精度的檢驗,亦成為物理學的前沿課題。一起來聽聽中國科學院紫金山天文臺副臺長、研究員吳雪峰為我們講述宇宙版比薩斜塔實驗是怎么回事兒?
吳雪峰:中國科學院紫金山天文臺副臺長、研究員、中國科學技術大學天文與空間科學學院常務副院長
400多年前,伽利略在意大利比薩斜塔從上往下扔兩個鐵球,兩個不同的質量的鐵球,結果是同時落地。這就是著名的比薩斜塔實驗。
那我們所謂的宇宙版的比薩斜塔實驗,實際上指的是我們把實驗中的地球引力替換成更大的,比如說太陽系或者說銀河系的引力,,兩個鐵球則替換成太陽系外,甚至是銀河系外的不同的粒子。不同的粒子從同一個天體同時產生、發出,然后經過茫茫宇宙,比如穿過銀河系,受到銀河系的引力,然后我們來觀察,它們最終是否同時落地,是否能夠同時到達地球或者地球上的探測器。
宇宙版比薩斜塔試驗,背后的物理原理,叫弱等效原理,也就是慣性質量和引力質量是相等的。
等效原理是愛因斯坦廣義相對論中的一個重要理論,在具有相同加速度的引力場中,引力質量及慣性質量相等。等效原理有弱等效原理和強等效原理,其中弱等效是指觀測者不能在局部的區域內分辨出由加速度所產生的慣性力或由物體所產生的引力。
現代物理學有兩大基石性的理論,第一大理論就是量子力學,第二大理論是相對論,包括狹義相對論和廣義相對論。但目前,描述宇宙宏觀天體的引力學,也就是廣義相對論和描述微觀的量子力學沒法統一。
所以,物理學家們一直在追求一個物理學的大統一理論,一方面是物理學家們心里面就追求美,總覺得心里有遺憾,因為我們相信終極理論肯定是能統一的;另一方面,從現實角度來講,比如說我們的宇宙大爆炸,天文學家已經可以追溯到宇宙大爆炸的時刻,但在宇宙大爆炸的前多少秒,比如說叫普朗克時標,很短暫的一剎那,就那么一點點時間我們沒法追溯,因為這個時間段需要同時描述萬有引力和描述量子力學,只有統一了以后你才能了解。
所以,牛頓的萬有引力相當于以前的描述低速宇宙是一個近似,我們不是說它錯誤,它是一個近似,但是它沒法拓展到速度接近光速的宇宙,所以,如果我們所說的四大力(引力、電磁力、弱核力和強核力)真的能夠統一的話,那么也意味著目前我們所認識的宇宙,了解的這些規律也是一種近視,那么近似的話就意味著什么?這也意味著我們對一些基本假設,還存在著一些它到達不了的一些極限。所以,我們就要去探索這個基本假設,比如說到了極端小或者極端大、極端低或者極端高的時候,它有可能是破缺的。 一旦找到破缺,那么我們就有希望把這個四個力特別是量子力學和廣義相對論給統一起來。那為了完成這個目標,我們就要去檢驗弱等效原理。
聯合攝制:中國科學院國家天文臺 光明網
監 制:戰 釗
記 者:宋雅娟
肖春芳
[ 責編:宋雅娟 ]
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