爱因斯坦的广义相对论刚刚通过了它的又最严格的检验

By Robert Lea

2022/9/16

显微镜使命用在一个卫星上的自由落体物体测试了弱等效原理。

科学家们已经证明爱因斯坦的广义相对论是正确的到一个显著精确的程度，尽管已经存在了一个多世纪。

研究背后的团队想要来测试爱因斯坦的叫弱等效原理的广义相对论，这声明所有物体无论它们的质量或组成当来自像一个气压等因素的干扰被消除时应该在一个特定的引力场中以同样的方式自由下落。为了这样做，科学家们在一颗叫“显微镜（MICROSCOPE）”的法国卫星上测量了自由落体物体的加速度，卫星在2016年发射的。

弱等效性原理的最著名的测试之一发生在一个阿波罗15号月球行走期间，当时宇航员大卫·斯科特同时扔下了一根羽毛和一根地质锤；没有空气阻力两个物体以相同的速度加速朝向月球表面。以类似的风格，显微镜携带由铂和钛合金制成的自由落体测试质量。静电力保持测试质量对彼此以相同的相对位置，因此这种施加的静电力中产生的任何差异都必须是物体加速度中偏差的结果。

显微镜实验被涉及来检验爱因斯坦的广义相对论。 (Image credit: ONERA)

该团队的结果是20年研究的顶点，解释了自由落体对中的物体的加速差异不超过10^15或0.000000000000000001，这意味着他们没有发现弱等效原则的比这更大的违反。

除了在弱等效原理中在偏差上放上约束外，这些发现也不利于在爱因斯坦的1915年作为一个整体的引力理论、广义相对论中的任何偏差。科学家们继续寻找这样的偏差，因为我们有的引力的最佳描述的广义相对论与量子物理学不一致，量子物理学是我们有的在难以理解的小尺度上现实的最佳模型。

那么没有偏差的迹象意味着对广义相对论等待被发现可以桥接到量子物理学的间隙仍然没有扩展的暗示。

法国蔚蓝海岸天文台的显微镜团队成员和科学家吉尔斯在美国物理学会的一份声明中说，“我们对任何未来的理论都有新的、更好的约束，因为这些理论一定不违反在这个水平上的等价原理”。

艺术家的显微镜卫星的描绘。. (Image credit: CNES 2015)

显微镜于2016年4月发射，使命人员发布了它的2017年的初步结果。甚至在2018年实验结束后，数据分析已经继续越发敏感的。

新研究没有发现违反弱等效原理在广义相对论的这一元素上又放上最高的约束，结果也为甚至未来更敏感的测试奠定基础。

这是因为科学家们包括了如何改进他们所用的实验设置的建议。他们写道，潜在的升级包括减少能影响加速测量的卫星涂层中的不完美，以及用无线连接的系统替换有线系统。

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一个实施这些改进的卫星可能潜在的拾起小至10^17分之一的弱等效原理的违反，比显微镜更100倍灵敏的。但该团队预测这些改进在一段时间内还不可行的，这意味着目前显微镜实验将仍是弱等效性原理的最佳测试。

法国航空航天专业研究机构ONERA的科学家曼努埃尔·罗德里格斯在同一份声明中说，“在至少10年或也许20年，我们不会看到一个太空卫星实验有任何改进”。

该团队的研究于周三（9月14日）发表在《物理评论快报》杂志和《古典引力和量子引力》特刊上。