9月14日,发表在《物理评论快报》和《经典引力与量子引力》特刊上的一篇新研究报告中,一组研究人员提出了迄今为止对爱因斯坦等效原理的最精确测试结果,而等效原理是广义相对论的关键组成部分。这份报告描述了显微镜任务的最终测试结果,该任务通过测量绕地球运行的卫星中自由落体物体的加速度来测试该原理。研究团队得到的最终测试结果是,两个不同物体的加速度差异不超过10^15分之一。可以说,爱因斯坦理论的正确性再次毫无悬念地得到了证明。
显微镜卫星所谓等效原理,是爱因斯坦基于伽利略的自由落体定律,重新推导出的关于万有引力与加速度之间的关系,等效原理也是支撑起广义相对论的核心支柱。伽利略提出的自由落体定律认为,在同一引力场中,无论物体的质量和物质的构成如何相异,其下落速度都是相同的。现代已有很多实验能证明伽利略的自由落体定律是正确的,比如年阿波罗15号登月宇航员大卫·R·斯科特在月面进行的“锤子与羽毛”自由落体实验,事实证明锤子与羽毛同时落至月表。
再比如,NASA的喷气推进实验室(JPL)使用激光技术测量地球和月球绕日运转的速度,实验结果显示的偏差为1.5*10^-13,这充分表明了,虽然地球的质量是月球的80余倍,但它们朝太阳方向的向心加速度是一致的。对于伽利略的自由落体观点,包括牛顿在内的后来者并不清楚其中的内在原因,牛顿的万有引力理论体系对这个问题也没有作出解释。牛顿将伽利略的自由落体定律定性为“难以解释的孤立的实验现象”。换句话说,牛顿认可这是一个切实存在的物理现象,但无法为其提供合理的理论解释。
对于这个问题,爱因斯坦一度也曾十分苦恼。但是他确信,加速度与万有引力之间必定存在某种尚未被人发现的联系,而这一联系或许就是解释同一引力场中物体自由下落速度一致的关键所在。不得不说,爱因斯坦的伟大之处就体现在他不使用实验手段而仅仅凭借纯思维就能洞察一些疑难问题之中的玄机。爱因斯坦认为,在空气阻力忽略不计的情况下,自由落体的加速度抵消了万有引力的作用,由于两者产生的物理效用相同,所以两者可相互抵消,也即加速度与万有引力是等效的。
从物理层面上来看,在引力场中做自由落体运动,应该等同于在零重力的外太空做自由落体运动。也就是说,在自由落体运动中,不存在万有引力,万有引力造成的影响为零。为了验证爱因斯坦的观点是否完全正确,当代科学家想方设法去提高实验的精度,文章开头提到的显微镜卫星任务就是为此而设计的。
当近期得到了显微镜卫星的最终测试结果时,蔚蓝海岸天文台的科学家、显微镜卫星任务小组成员吉尔斯·梅特里斯说:“最终测试结果对任何未来的理论都具有新的和更好的约束,未来新出现的物理理论不能违反这个级别的等效原理,如果违反,那这个理论就是错误的。”