物理學(xué)中存在許多有悖我們?nèi)粘Ｖ庇X的事實(shí)，一個(gè)典型的例子是：兩個(gè)質(zhì)量不同的物體在真空中的同一高度同時(shí)落下時(shí)，會(huì)同時(shí)落到地面。這一違反直覺的例子，恰恰表明了我們?nèi)粘Ｊ煜さ?strong>引力，實(shí)際上是一種非常特殊的相互作用，它可能蘊(yùn)藏著許多深刻的奧秘。

廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)

早在 17 世紀(jì)，伽利略就推斷真空中的所有物體都以相同的速度下落。相傳，他曾提出過要將兩個(gè)質(zhì)量不同的物體，同時(shí)從比薩斜塔的塔頂扔下去的實(shí)驗(yàn)。不過，這一想法似乎并沒有付諸實(shí)際。

后來，牛頓在萬有引力理論中指出，兩個(gè)有質(zhì)量的物體之間的引力，與它們引力質(zhì)量的乘積成正比。此外，他還在第二運(yùn)動(dòng)定律中，用慣性質(zhì)量將物體的加速度與作用在物體上的力聯(lián)系了起來。牛頓假設(shè)，慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量是相等的，并預(yù)測(cè)在地球或其他大質(zhì)量物體的引力場(chǎng)中，一個(gè)有質(zhì)量物體的運(yùn)動(dòng)應(yīng)該與它的質(zhì)量無關(guān)。

這種最初由伽利略和牛頓洞見到的自由落體的普適性，在 1907 年被愛因斯坦提升為一個(gè)原理，即弱等效原理。弱等效原理描述了兩個(gè)組成或者質(zhì)量不同的物體，在相同的引力場(chǎng)中會(huì)以相同的速度下落。同樣，它也強(qiáng)調(diào)了慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量的等效性。

1915 年，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)論，而他對(duì)廣義相對(duì)論的整個(gè)建構(gòu)，都依賴于弱等效原理的有效性。因此，驗(yàn)證弱等效原理也成了驗(yàn)證廣義相對(duì)論的方法之一。

太空衛(wèi)星上的最高精度：10 ¹

由于廣義相對(duì)論無法解釋已觀測(cè)到的量子現(xiàn)象，不斷有物理學(xué)家試圖在各種場(chǎng)景下，以更高的精度水平來驗(yàn)證這一理論。近年來，盡管科學(xué)家已經(jīng)做到了以 10 ¹³ 的精度來對(duì)其加以驗(yàn)證。但它仍然有可能在更高的精度水平上被違反。

現(xiàn)在，在一項(xiàng)新的研究中，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)弱等效原理進(jìn)行了迄今為止最精確的檢驗(yàn)。他們?cè)?MICROSCOPE 衛(wèi)星上進(jìn)一步將這一理論推向極限，以 10 ¹ 的精度驗(yàn)證了弱等效原理。

MICROSCOPE 衛(wèi)星是一顆繞地球運(yùn)行的重 300 千克的微型衛(wèi)星。為了避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果受到影響，衛(wèi)星上配備了冷氣微推進(jìn)器，能夠補(bǔ)償最微小的軌道擾動(dòng)。2016 年，它首次在太空中測(cè)試自由落體的普適性，其實(shí)驗(yàn)精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于任何在地球上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。

以檢驗(yàn)等效原理為目標(biāo)的 MICROSCOPE 衛(wèi)星，于 2016 年發(fā)射升空。（圖／CNES）

之所以要在太空中進(jìn)行自由落體實(shí)驗(yàn)，是因?yàn)樵谀抢铮矬w不會(huì)像在地球上那樣遇到的擾動(dòng)（特別是地震擾動(dòng)）的影響。研究人員可以用幾個(gè)月的時(shí)間，來觀察兩個(gè)不同的物體在軌道衛(wèi)星上，進(jìn)行幾乎完美的自由落體運(yùn)動(dòng)，從而通過分析物體的加速度來測(cè)試弱等效原理。

太空里的自由落體實(shí)驗(yàn)

在新的研究中，對(duì)弱等效原理的檢驗(yàn)是通過測(cè)量厄特沃什比率（Eötvös ratio）來實(shí)現(xiàn)的。厄特沃什比率是一個(gè)與兩個(gè)自由落體物體的加速度有關(guān)的比率，它是兩個(gè)有質(zhì)量物體的加速度之差與它們的平均加速度之間的比值。

在實(shí)驗(yàn)中，MICROSCOPE 團(tuán)隊(duì)選用了兩種不同的材料，制成了兩個(gè)同心圓柱形試驗(yàn)質(zhì)量——一個(gè)由鈦制成，另一個(gè)由鉑銠合金制成。他們用可以通過靜電力來精確控制物體的儀器，使兩個(gè)試驗(yàn)質(zhì)量維持在在相對(duì)相同的位置。接著，研究人員通過尋找勢(shì)差，來分析兩個(gè)試驗(yàn)質(zhì)量的加速度差異。如果弱等效原理在這一精度級(jí)別上仍然成立，那么這兩個(gè)試驗(yàn)質(zhì)量將受到相同的加速度，即使它們的質(zhì)量或組成不同。

2017 年，MICROSCOPE 團(tuán)隊(duì)發(fā)表了他們的首個(gè)結(jié)果，表明在厄特沃什比率不超過 10 ¹ 的水平上，不存在弱等效原理被違反的跡象。在 MICROSCOPE 衛(wèi)星于 2018 年任務(wù)結(jié)束后，研究人員繼續(xù)分析數(shù)據(jù)。現(xiàn)在，他們得到的最終結(jié)果證實(shí)了先前的發(fā)現(xiàn)。

新的結(jié)果在精確度上有了進(jìn)一步的提高，它表明在厄特沃什比率不超過10 ¹ 的情況下，沒有任何違反弱等效原理的情況。這打消了目前對(duì)廣義相對(duì)論在這一精度水平上的偏差顧慮，再次證明了——愛因斯坦是對(duì)的！

展望 10 ¹

這一結(jié)果是對(duì)弱等效原理設(shè)置的迄今為止最嚴(yán)格的限制。它標(biāo)志著，未來的任何廣義相對(duì)論的替代理論，都需要在這樣的精度水平上不違反弱等效原理。

此外，這項(xiàng)工作也為使用衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)來對(duì)弱等效原理進(jìn)行更精確的測(cè)試鋪平了道路。科學(xué)家希望，未來通過對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行升級(jí)，能夠在 10 ¹ 的水平上檢測(cè)弱等效原理，但這樣的升級(jí)需要我們耐心等待。研究人員表示，至少在接下來的 10 到 20 年時(shí)間里，MICROSCOPE 團(tuán)隊(duì)這次所得到的結(jié)果，將會(huì)一直是弱等效原理的最精確約束。