太空中的落体实验
X.-M. Deng、Shea　译
	1971年，站在月球上的、“阿波罗”15号的指令长戴夫·斯科特（Dave Scott），举起双手与肩齐平，一只手握着铁锤，另一只手捏着羽毛。随着现场直播，他在全球亿万电视观众的众目睽睽之下松开了手中铁锤和羽毛。 　　奇怪的景象出现了：羽毛并没有飘落到月球表面，而是垂直下落，而且下落的与铁锤一样快。没有了空气阻力，羽毛和铁锤同时落到了月球表面上。 　　“你知道吗？”斯科特欢呼道：“伽利略是对的！” [图片说明]：戴夫·斯科特在月球表面松开手中铁锤和羽毛的那一刻。 　　斯科特证明了一个16世纪的著名实验。根据不同的说法，伽利略要么是从比萨斜塔上落下了不同的小球，要么他就是在家里的斜坡上滚落了不同的小球。但无论是哪种实验，其结果都是相同的：尽管这些小球是由不同材料组成的，但是它们都同时到达底部。 　　现在，这被称为“等效原理”——无论物体的质量是多少或其组成是什么，引力使得所有物体都以相同的加速度下落。它是现代物理的基石，尤其实在爱因斯坦的广义相对论中。 　　但是等效原理如果是错的将会怎样呢？ 　　伽利略实验的精确仅仅只有1%，从而留有令人质疑的余地。对此持有怀疑的物理学家们至今不断地在检验等效原理的正确性。现在，通过安放在月球上的反射镜，使用激光测距可以来测量月球在地球引力场中“下落”的速度，由此可以得出最好的结果——等效原理在万亿分之几的精度下是正确的。这是近乎完美的精确，然而在更高精度的水平下等效原理仍有被破坏的可能性。 　　“我们必须检验这种可能性，”在世界引力物理界权威、美国华盛顿大学物理学家克里弗德·威尔（Clifford Will）说：“即使仅仅发现了在不同物质上引力作用的最微小差别也将具有深远的意义。” 　　事实上，等效原理的破坏可以为检验弦理论提供第一个证据。弦理论近乎优美的把基本粒子解释成许多无穷小的弦的不同震动，这样做可以解决了现代物理中许多令人费解的问题。但是弦理论目前还极具争议，部分的原因是它的绝大部分预言实际上不可能通过实验来加以验证。如果它无法检验，那它就谈不上是科学。 　　等效原理为弦理论的检验开拓了道路。 　　“弦理论的许多变体预言了存在一个极其微弱的力，对于不同组成的物质它会使得引力发生微小的变化，”威尔说：“即使找到了不同物质中引力的变化也不能立即证明弦理论的正确性，但是它可能给该理论提供了一些支持。” 　　如果这种新的引力存在，那么它会极其的微弱，因此探测它会是一项巨大的挑战。引力本身已经是非常微弱的了——它要比电磁力弱上一百亿亿亿亿倍（1后面36个“0”）。但是物理学家们认为这种新的力至少比引力还要小十万亿倍（1后面13个“0”）。 　　就像磁力只对铁质物体起作用一样，这种新的力不会对所有物体起相同的作用。这种新的引力作用将根据物质组成的不同而不同。 　　例如，弦理论认为，这种新的力与物质中的电磁能相互作用。两个具有同样质量的原子，如果其中一个质子较多从而带上电荷，而另一个中子较多呈电中性，那么他们就具有不同的电磁能。通常的引力对这两个原子的作用完全相同，然而如果引力中还包含了这种新的力，那么作用在这两个原子上的力就会稍有不同。 [图片说明]：STEP卫星。 　　到目前为止还没有实验可以探测这么微小的差别。但是现在有三个科学研究小组正计划各自的空间计划，以前所未有的精度来探测这些微小的差别。 　　“很简单，你要做的就是，拿两块不同材料的物体，观察它们在下落过程中的微小差别，”威尔说：“在地球上，物体落到地面上所需的时间非常短。但是地球轨道上的物体可以看成处于不断地绕地球下落的过程中，所以它可以连续下落很长时间。”在引力中的这种微小差别会随着时间不断累积，增长到可以被探测的量级。 　　美国斯坦福大学和一个国际合作小组正在共同研发一个被称为“等效原理检验卫星”（STEP）的项目。STEP将有可能探测到等效原理中一百亿亿分之一的微小差别。这要比目前最好的实验还灵敏10万倍。 　　与以往的实验只用一对实验物体不同，STEP计划使用四对实验物体。之所以要用四对实验物体的原因是为了确保观测到的物体下落快慢的不同是由等效原理的破坏所引起的，而不是由于其它因素的干扰或者是实验仪器的缺陷所造成的。 　　“当你想要测量这样一个微小的效应时，你就必须尽可能地减小任何来自外界的干扰，”威尔解释说。STEP把实验物体放在了一个大的液态氦箱中，这样可以使得它们免受外部温度涨落的干扰。再用一个超导壳层包住实验物体，这样可以屏蔽掉外界电磁相互作用。此外，STEP上的微推进器可以消除了大气阻力对于卫星轨道的影响，从而使得实验物体近乎完美的自由下落。 　　在这样一纯净的环境下，当每一对实验物体绕着地球下落时，如果等效原理正确的话，它们的相对位置应该完美地保持不变。但是如果这种新的引力的确存在的话，一个实验物体下落时会与其他的有一些不同，所以一段时间后实验物体之间的排列会发生微小的变化。 [图片说明]：MICROSCOPE卫星。 　　目前，STEP仍然在设计之中。另一个法国的卫星实验MICROSCOPE计划在2010年发射。MICROSCOPE将使用两对实验物体，而不是四对，预计可以在一千万亿分之一的精度上探测等效原理的破缺。 　　第三个实验是意大利的伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）卫星，简称“GG”，它除了仅仅使用一对实验物体之外几乎与STEP和MICROSCOPE完全一样。为了提高精度，GG卫星将以0.5秒为周期绕它的中心轴旋转。这样一来，相当于把航天器中的扰动分布到了各个方向上，于是它们可以彼此抵消。因此虽然GG卫星仅仅使用一对实验质量，但是它的灵敏度却能达十亿亿分之一。 　　这些空间项目是否能够探测等效原理的破缺还很难说。不过，威尔说，他希望这些实验找不到任何偏差，部分原因是如果真的找到了与等效原理的偏差，那么它将会引发现代物理学的一场革命。另外，弦理论对于这种新的力的强弱做出了一定的估算，由于计算出的结果非常微小，因此即使是这些极为灵敏的太空实验很可能也无法探测到它。 　　如果等效原理完全正确的结果仍然是有帮助的：这可能就排除了弦理论，从而可以引领物理学家们朝着“万物之理”正确方向前进。但如果等效原理出现了偏差，那么无论它多小都将是一次巨大的飞跃。
出自：Science@NASA

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