愛因斯坦的廣義相對論中的核心原則正通過其最嚴格的測試。

弱等效原理

藉由使用一個特別設計的衛星,一個國際科學家團隊測量了在地球軌道上,一對自由落體物體的加速度。基於五個月來的資料而得出的結果指出,加速度間的差異並沒有超過千兆分之一(1/1015),排除掉任何降到該尺度下時,違反弱等效原理(weak equivalence principle)的行為。

要觀察弱等效原理相對簡單。其觀念是說,當沒有其他因素作用下,在同一個重力場的物體的加速度會相同,而不論他們的質量或成分。

戲劇性地證明此原理最有名的例子,或許是在 1971 年。當時,當太空人大衛·史考特(Dave Scott)站在月球上時,他同時讓一支鐵鎚及一根羽毛從同一個高度掉落。在沒有空氣阻力讓羽毛速度減慢的情況下,兩個物體以同樣的速度掉落至月球的表面上。

實驗計畫

由已逝物理學家皮埃·吐布爾(Pierre Touboul)所領導、稱作「顯微鏡」(MICROSCOPE)的新實驗,比起史考特太空人的展示更為嚴格些。實驗包括了一顆衛星,從 2016 年 4 月 25 日開始繞著地球軌道運行,直到 2018 年 10 月 18 日除役。

在這段時間內,研究團隊使用了自由落體中的物體,進行了多次實驗,而提供了總共五個月的數據。這些數據中的 2/3,是由成對的、不同成分鈦鉑合金的質量進行測試。剩下的 1/3 是一對相同成分的鉑作為參考組。

實驗設備使用靜電力,來讓兩個測試物體,保持在相對於彼此相同的位置上。如果在加速度上有任何不同的話(這個指標被稱作厄缶比率(Eötvös ratio)),儀器設備會在將物體維持於位子上的靜電力上,紀錄下變化。

實驗數據結果

在 2017 年發布的初期結果是具有希望的,發現在低至 −1±9 x 10−15 的厄缶參數時,並不會違反弱等效原理。然而,衛星仍然在運作,並產生數據,這代表研究還未完整。完整的數據組鞏固了初期的發現,將厄缶參數限制到 1.1 x 10−15

這是截至目前為止,對弱等效原理最嚴格的約束,且不太可能在不久後就被超越。這指的是說,科學家可以比以往更有信心地持續倚賴廣義相對論,並將新的限制擺放於廣義相對論與量子力學,這兩個在不同規則下運作的領域之交叉口上。

法國蔚藍海岸天文台(Côte d’Azur Observatory)的天文學家吉耶斯·梅特利(Gilles Métris)說:「我們現在,對任何未來的理論,都有新的且更好的約束,因為這些理論在這個尺度之下,都必定不能違反弱等效原理。」

這是一個令人嘆為觀止的結果,畢竟設計來在地球軌道的微重力環境下運作的儀器設備,在發射之前沒有辦法進行測試。現在,既然 MICROSCOPE 計畫已經成功完成了,研究團隊可以使用該結果,來設計更為嚴格的測試。

這些測試將會幫忙測試廣義相對論(一個以物理空間與時間,描述重力的框架)的限制。然而,在原子與次原子的尺度下,廣義相對論會崩解,取而代之的是量子力學。科學家們已經花了一些時間,試著解決兩者之間的差異。理解出廣義相對論究竟在何處會崩解,是一個可能的做法。

未來目標

我們現在知道,對弱等效原理而言,直到低至千兆分之一前,這個崩解都不會發生。對下一代衛星所進行的特定改善,可以試著將該尺度推到 1/1017。不過,這還會需要一些時間來達成。

法國國家航空研究中心(Office National d’Etudes et de Recherches Aérospatiales,ONERA)的物理工程師曼努爾·羅德里奎斯(Manuel Rodrigues)說:「至少十年或二十年,我們不會在太空衛星實驗上看到任何改善。」

但在現階段,我們猜測這些結果將是相當足夠的。

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參考資料:

  1. Starr, M., (2022, September 15). A Core Principle of General Relativity Just Passed Its Strictest Test Yet. ScienceAlert
  2. Touboul, P. et al., (2022, September 14). MICROSCOPE Mission: Final Results of the Test of the Equivalence Principle. Physical Review Letters. doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.121102
  3. Touboul, P. et al., (2022, September 14). The MICROSCOPE space mission: the first test of the equivalence principle in a space laboratory. Classical and Quantum Gravity. doi.org/10.1088/1361-6382/ac5acd
  4. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/a-core-principle-of-general-relativity-just-passed-its-strictest-test-yet(圖:CNES, 2015/D Ducros)
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