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更近期的一些验证

时间:2022-01-31 百科知识 版权反馈
【摘要】:爱因斯坦从中得到启发得出了引力与时空弯曲等效的想法。但这个终极验证任务的起飞时间还没有确定。自爱因斯坦的工作以来,有人提出了新的思想来形成超越相对论的理论。目前,爱因斯坦理论似乎仍然运行良好。三个经典验证已经确认它完美地描述了太阳系中的引力。而没有任何更现代的实验证实它是错误的。例如插入水中的筷子在水面以上看来发生了弯折,筷子插入水中部分的视位和其实际位置并不相同。
更近期的一些验证_海滩上的爱因斯坦

等效原理自伽利略以来已经有许多版本。爱因斯坦从中得到启发得出了引力与时空弯曲等效的想法。被称为“弱等效原理”的版本(由伽利略观察到的一切物体自由落体的普遍性)可以通过比较相邻的两个不同材质的物体的加速度来验证。这些验证另外还可以测量重力(记为G)的普遍恒定性,它在牛顿理论的方程式中出现。

对等效原理最早的、真正精确的验证是由匈牙利物理学家罗兰·厄特沃什在1885年至1890年间进行的,验证使用了专门为此设计的精巧的秤。厄特沃什观察到两个物体的加速度的差别绝不会超过百万分之一(考虑到测量的精确度)。这些验证在二十世纪初期再次进步:物理学家们在1910年左右证明了这些加速度的区别也许不超过亿分之一(1/108)。在1980年代,某些理论提出(在电磁力、强弱核力和引力之外)“第五力量”的存在,它可能改变了结论,但却没有观察到任何变化量。另外,阿波罗计划的宇航员们曾在月球表面的多个地点放置了小反射镜,今天人们通过发射光束到这些反射镜了解到了地球与月球之间的距离,误差仅为2厘米。通过紧密跟踪这一距离(也就是月球在地球重力场中的加速度)的变化,我们这次得到的结论精确到了万亿分之一(1/1012)!

但科学家们还想做得更好,这得益于位于地球轨道上的卫星。法国的微型卫星计划(MICROSCOPE,是用来观察等效原理、经过轨迹补偿的微型卫星),由法国国家空间研究中心(CNES)展开,于2016年4月25日发射,来精确地验证等效原理,其精确度应该比从地面得到的数据高100倍。机载的两个不同材质的大质量物体的运动将会在两年间被研究。而由意大利空间局展开的伽利略计划,则打算用与法国微型卫星计划一样的方法将精确度达到令人难以置信的1/1017!但这个终极验证任务的起飞时间还没有确定。

在整个地球上,日常习惯使用GPS(全球定位系统)的人数量众多。无论是为了找到开车更好的路线,在一个城市里辨认步行的标志,探索无人居住的区域还是在远洋航行,误差都精确到了几米,这是个令人赞叹的工具,许多人都很难离开它。GPS基于一个在地球轨道上海拔约2万千米的卫星群(目前有30多个可利用)。这些卫星装备有原子钟,发出的无线电信号有着详细的日期记录。使用者的GPS导航仪接收至少4个卫星发出的信号并计算它们到达自己所用的时间,于是可以算出自己与每个卫星的距离,随后结合每个卫星的具体位置,得到自己的位置:游戏结束!

按理说没有什么特别复杂的,除了爱因斯坦的相对论提到了一个卫星的固有时间与在地面的设备的固有时间并不相符!人们可以根据卫星的运行进行一次校正(狭义相对论效应)以及根据地球重力场进行另一次校正(广义相对论效应)。这两次校正都非常微弱——以相对值来说约为十亿分之一——但却在GPS的良好运行中扮演了重要角色:如果我们忽略它们,在仅仅几分钟之内系统就会失去准确性(多1微秒就是300米的误差)。每当我们成功使用GPS系统时(也就是利用它确实找到了最优路线时),我们就在无意识中确证了相对论!

广义相对论没有让理论家们停止关于时空和引力的研究。自爱因斯坦的工作以来,有人提出了新的思想来形成超越相对论的理论。它们可能包含更多的维度或拥有新的几何形状。它们的名称都比较特异:弦理论、膜论、量子引力理论……它们现在还都处于发展阶段,但它们的某些预言——与广义相对论预言不同——也许会在接下来的几年内获得验证。

目前,爱因斯坦理论似乎仍然运行良好。三个经典验证已经确认它完美地描述了太阳系中的引力。而没有任何更现代的实验证实它是错误的。但是,在引力场相对较弱的“太阳郊区”,辨别广义相对论和其他理论的预言是很困难的。要做到这些,必须在其他条件下验证它们的预言,例如在脉冲双星的密集引力场中(第7章),或通过引力波的传播(第8章)。结果仍然更倾向于相对论,但理论家们肯定还没得出最后的结论!此事还须继续关注……

[1] 视位即站在观测者角度观测到的宇宙中物体的位置,由于物理或几何效应,视位和物体的实际位置或几何位置并不相同。例如插入水中的筷子在水面以上看来发生了弯折,筷子插入水中部分的视位和其实际位置并不相同。——编者注,后同。

[2] 视角是被观测的物体对人眼光心的张角,通常用弧度表示,其大小取决于物体的实际大小和物体到人眼的距离。物体的视角越大,其在视网膜上的成像也越大,其产生的主观感觉也越大。

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