超越爱因斯坦
Steve Nadis　文　Shea　编译
	为什么科学家们热衷于证明爱因斯坦是对的还是错的呢？这绝非是因为他是一个杰出人物、他的名字等同于天才以及他在一个多世纪前的工作深刻地重塑了物理学。 相反，这背后的动力源自于引力本身，因为它一直是物理学中的“刺儿头”。包括爱因斯坦在内，物理学家们早就希望能提出一个宇宙的统一理论，但他们一直在努力让引力与其他基本作用力相融合。其结果是，现在我们有一个引力理论——即爱因斯坦的广义相对论——和一个独立的有关其他所有基本作用力的理论——即粒子物理学的“标准模型”。不幸的是，这两个极为成功的理论是互不相容的，有时甚至还是相互矛盾的。 物理学家对此并不满意，他们相信应该存在一个统一的理论可以涵盖大自然的一切。实现这一长期诉求统一的线索可能就来自更深入地了解在什么样以及怎么样的情况下广义相对论会失效。 这也正是为什么科学家们一直致力于把这个理论推向它的极限，想看看它会在什么地方出现问题，从而弄清楚把引力与物理学的其他部分相连接的最佳途径。 [图片说明]：爱因斯坦。拍摄：William Horace Smith/Corbis。 一切皆等效 科学家们认为等效原理——广义相对论的核心原则——是大有可为的一个突破口，可以引导他们走向最终的万有理论。简单地说，等效原理认为，在同一引力场的影响下，所有的物体都会经受到相同的加速度，而无关乎它们的质量或组成。 这一策略的一个优点是，到目前为止，每一个被提出的统一理论都会引入新的作用力，它会细微地改变引力与物质相互作用的方式。如果这些理论是正确的且我们能测量得足够精确，就应该会看到等效原理出现微小的偏差。换句话说，一块金砖会与一块银砖有着不同的下落速度，对这些差异进行详细的分析可以为物理学家试图构建一个正确的统一理论提供有价值的线索。 尽管科学家们相信这一等效原理的破缺应该存在，因为所有试图把爱因斯坦的理论与其他作用力相统一的尝试都会破坏等效原理，但却并不清楚它会在哪个层面上表现出来。 在地球上已进行的实验表明，等效原理在十万亿分之一的精度上仍是成立的。不过，太空中的实验，例如等效原理卫星检验（STEP），则可能会对其进行更严苛的测试，把测量的精度再提升100 000倍。有一些理论预言，这一精度就足以向物理学家们证明，爱因斯坦的理论会在何处开始出现问题。 [图片说明]：STEP实验概念（左）和仪器设备（右）。 下一步 STEP始于1971年，当时是一个研究生的毕业论文。与其差不多同时代的还有引力探测器B计划，它是一颗由美国宇航局出资建造的卫星，用来检验并验证了爱因斯坦理论的另一个预言。 STEP有望显著地提高等效原理的检验精度。在地面上这些精密的测量很难进行，因为从街头的交通到大地的震颤等各种干扰无处不在。太空为此提供了一个更为安静的场所。 它的另一个优点则是观测时间。举例来说，你从比萨斜塔上下放不同大小的球体，它们自由下落持续的时间只有几秒钟。但你可以在太空中下放物体，它们永远也不会停止下落，一直停留在轨道上，不断落向地球。这使得测量可以持续很长一段时间——数天甚至更长，由此可以来寻找微弱的效应。 STEP计划使用四对“测试质量”，它们分别由至少三种不同的材料——例如铍、铌和铂-铱合金——制成。在真空中，它们会被冷却到只有几开的低温，这可以削弱温度造成的波动，提高测量的精度。这些材料的选择是为了尽可能反映出化学特性的差异，由此可以更容易地探测出它们加速度之间的差异。这也是为了精密地测量不同成分的物体是否会具有不同的下落加速度。 虽然自STEP这个概念问世以来已经过去了几十年，但科学家们一直在试图推动它。它也获得了研发的支持，但却始终没有得到实质性的经费资助。不过，科学家们仍然相信STEP是人类可以追求的最关键的基本物理学实验之一。对于STEP来说，真正的坏消息是2004年美国宇航局终止了其所有的基本物理学项目。自那时起，它一直维持在最低的限度之上。 不过，科学家们仍然抱以希望。2004年发射的引力探测器B卫星就经历了40年的研发历程。STEP的历史也差不多与之相当。 美国海军将领约翰·保罗·琼斯（John Paul Jones）曾说：“我还没有开始战斗。”运气好的话，STEP兴许也能峰回路转。也许它最终将会发现爱因斯坦理论中的裂隙，带领我们走向一个全新且无所不包的宇宙理论。
[Discover 2015年04月]

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