等效原理在現(xiàn)代物理學中之所以非常重要，是因為愛因斯坦1916 年建立的廣義相對論。這個理論基于等效原理和廣義協(xié)變原理這兩個基本假設。等效原理分為弱等效原理、強等效原理，甚至還有甚強等效原理。弱等效原理又叫作伽利略等效原理，是伽利略通過對物體在引力場中運動規(guī)律的多年研究之后洞察到的一個物理學的基本原理。弱等效原理可以這樣進行陳述：在地球表面（即地面）之上的同樣高度的真空管中讓兩個不同物體（材料或重量不同） 同時自由下落，在忽略管子中的殘余空氣的阻力并忽略地球表面彎曲的情況下，這 兩個做自由落體的物體將會同時落地。 如果使用牛頓力學第二定律和牛頓萬有引力 定律來描寫這兩個不同物體的自由落體運動的話，那么弱等效原理又可以說成是 “物體的慣性質量與引力質量之比是個與物體的材料、重量等具體物理性質無關的常數(shù)”，適當選取質量的單位之后則可以更簡練地說成“物體的慣性質量等于引力質量”。強等效原理是愛因斯坦對弱等效原理的推廣，所以又稱為愛因斯坦等效原理。強等效原理是說：在引力場中的任何位置和任何時間都能找到一個“局部慣性系（愛因斯坦比喻為自由下落的電梯）”，在其中一切物理定律與沒有引力場時的慣 性系中的形式相同。這里說的“局部”是指在進行實驗的時間和空間內引力場的不均勻性可以忽略不計（即測量儀器由于不夠精確而測量不出可能具有的微小引力勢梯度）。需要強調的是，愛因斯坦廣義相對論的基本假設之一的等效原理不是弱等效原理而是強等效原理（它已經(jīng)包含了弱等效原理）。甚強等效原理在強等效原理的基礎上把引力相互作用也包含在其中，即引力也 不會造成等效原理的破壞。這可以在弱等效原理的描寫中得到理解。提起弱等效原理的歷史，一個家喻戶曉的美麗故事流傳了幾個世紀：偉大的天文學家伽利略“在比薩大學任教的某一天中午，在比薩斜塔上兩手各握一個鐵球， 一個10 磅重而另一個只有1磅重，兩手同時松開，最后這兩個重量不一致的球卻同時落地”。表明任何類型的能量都有其相應的慣性質量。具體地說，物體由分子、原子 組成，原子由原子核和電子組成，原子核由中子和質子組成，中子和質子又由夸克 組成。不同層次的結構具有不同的勢能。這就是說，物體的能量E。與其內能有關，也就是與材料有關。一定的慣性質量m_i又相應地有一 定的引力質量m_g 。因此，一般說來方程中的比例系數(shù)可能會因物體材料的不同而不同，即不同的材料在外部引力場中可能會受到不同的新型作用力。因此， 尋找等效原理的可能破壞也就是尋找新類型作用力，其重要的科學意義不言而喻。檢驗弱等效原理的實驗通常是測量兩個不同材料的物體在引力場中的加速度的相對變化率η，即兩物體的加速度之差除以兩物體的平均加速度在眾多實驗中，值得一提的是第一個高精度的等效原理實驗檢驗，這是匈牙利 科學家 E?tv?s在19世紀末和20世紀初利用扭秤完成的。1890年左右，E?tv?s 是為了響應哥廷根大學的一個征獎活動，開始了他對慣性質量和引力質量相等的實驗研究，盡管這個獎當初打算授予的是理論研究而不是實驗研究，但是 評獎團因為E?tv?s的創(chuàng)新性實驗設計而最終將該獎授予了他。一根懸絲懸掛一根細桿，細桿兩端連接不同材料的兩個重物，例如，銅和鉑，這一個裝置稱之為扭秤。當兩個重物受到的水平方向外力不相等時（即秤桿受到外力矩時），會使得懸絲發(fā)生扭轉，該扭轉角度可通過望遠鏡精密測量。在地球上的觀察者看來，這兩個重物分別受到了地球的引力和由于地球轉動而引起的離心力，當兩個重物的慣性質量和引力質量之比不相等時，作用在秤桿上繞懸絲的合力矩將不相同，從而引起懸絲發(fā)生偏轉。E?tv?s通過將整個實驗裝置繞垂直軸旋轉180°比較秤桿的偏轉角度便可以檢驗出兩個重物的慣性質量與引力質量之比是否相同。E?tv?s等通過長達30多年的實驗研究，最終結果表明：在10^（?9） 相對精度內慣性質量和引力質量是相等的，二者之比與物體的材料無關。E?tv?s 高精度的實驗結果極大促進了人類對這一問題本質的深刻認識，而且該扭秤技術的應用極大地推動了地球重力梯度測量和資源勘探，E?tv?s制作的扭秤是人類第一臺重力梯度儀。正是因為 E?tv?s的研究工作，重力梯度的單位被命名為E，匈牙利一所大學也改名為E?tv?s Loránd大學，以紀念這位偉大的實驗物理學家對人類科學發(fā)展的貢獻。后來 Dicke、Braginski 和 Adelberger 等人進一步改進扭秤實驗裝置和測量方案，將 引力質量與慣性質量之比是否依賴于物質組分的檢驗精度提高到現(xiàn)在的 10^（?13） 水 平，這幾乎是地面方法的極限。為了統(tǒng)一四種基本相互作用力，人類提出了許多超越愛因斯坦廣義相對論的理論，例如引力規(guī)范理論、超弦理論以及其他高維理論等，這些理論預言了新的物理效應和新的相互作用力，其中包含了等效原理的破壞。因此，物理學和天文學的發(fā)展都要求在更高精度上檢驗等效原理的正確性。要想再提高精度就必須在衛(wèi)星上進行實驗。因而等效原理的衛(wèi)星檢驗計劃籌備了多 年。例如，早在1970年就提出了衛(wèi)星檢驗等效原理的概念和方案。下圖給出了空間等效原理實驗檢驗原理示意圖。其原理與伽利略比薩斜塔實驗原理相同，安裝在 航天器內部的兩個檢驗物體在地球引力場中自由下落，如果等效原理不成立，意味著二者在地球引力場中下落加速度不同，那么二者因其繞地軌道的不同而逐漸分離，通過測量二者之間距的變化來檢驗等效原理。相對地面檢驗而言，空間檢驗主要優(yōu)勢有- 自由下落時間長，可以對信號進行累積，提高實驗檢驗精度；
甚強等效原理的實驗是檢驗引力自相互作用對等效原理的可能破壞上述實驗所用物體都是宏觀物體，引力自能太小。要想檢驗引力自能對等效原理的可能破壞需要用天體：如果引力自能造成等效原理的破壞， 那么地球和月球在太陽引力場中的自由落體加速度會不同，月球繞地球運動的軌道就要有畸變。這種用天體系統(tǒng)檢驗等效原理的設想最早是牛頓提出來的；后來拉普拉斯研究的“地-月”系統(tǒng)最適合于用來做這種檢驗，他得到η < × 2.9^（10?7）。1969~1973年期間，人類在月球上安放了5個角錐反射鏡，其中3 個分別由美 國“阿波羅 11”、“阿波羅 14”、“阿波羅 15”放上去，另外兩個由前蘇聯(lián)“月神 17” 和“月神 21”放上去。自從1976 年以來，一直通過地面站與月球上安裝的角錐反射鏡精確測量月地之間的距離，這就是所謂的月球激光測距（ LLR ） 。到2004年積累將近30 年的 LLR 數(shù)據(jù)表明，地月之間距離變化不確定度在2cm以內，將這一不確定全部歸于地球和月球的慣性質量與引力質量之比不相等所引起，二者之差也只有 13即在10^（?13）的精度上沒有發(fā)現(xiàn)等效原理的破壞。弱等效原理的檢驗、局部羅倫茲不變性的檢驗、局部位置不變性的檢驗。強等效原理之所以一定包含弱等效原理是因為自由下落的電梯無論它是用何種材料建造的都必須具有相同的自由落體加速度才能被看做是“局部慣性系”。第二類是驗證“局部慣性系”中狹義相對論的正確性。第三類包括引力紅移實驗和非引力的基 本常數(shù)的普適性測量：精確的引力紅移實驗大多是在 20 世紀六七十年代做的，結果都與廣義相對論預言符合；非引力的基本常數(shù)包括精細結構常數(shù)、弱相互作用常數(shù)、強相互作用常數(shù)、電子/質子的質量比等，其數(shù)值可能與時間有關的猜測起源 于狄拉克。觀測這種可能的變化要在宇宙的時間尺度進行，最近有報道說精細結構常數(shù)在宇宙早期的數(shù)值比今天的數(shù)值略小，這一新結果對等效原理有何影響還有待進一步研究。近年來，極高精度冷空間原子鐘技術的發(fā)展為上述第三類的空間實驗帶來了希望。上面的實驗使用的都是宏觀物體。自然的問題是：微觀粒子是否滿足等效原理？由于微觀粒子（在低速情況下）需要用量子力學來描寫，這會面臨一些概念性問題。從20 世紀60年代以來，人們就在理論和實驗兩個方面對微觀粒子在引力場中的自由落體運動進行了許多研究。當實驗相當困難，精度也較低。1976 年中子自由落體實驗的精度只有近年來，冷原子干涉儀技術為極高精度的實驗提供了基礎，預計精度高達10^（-15）甚至10^（-17） 。另外，微觀粒子的自旋與地球引力場（地球自轉）的耦合可能對等效原理的影響也在理論上開始了研究宏觀物體的轉動與等效原理：既然微觀粒子的自旋與引力場存在耦合，那么 宏觀物體的轉動同樣有可能與引力場進行相互作用。第一，這種相互作用可能會使自由落體的陀螺改變它的自轉方向，廣義相對論預言了這種效應（當然，這種效應與等效原理無關）。第二種效應是對等效原理的破壞：在地球引力場中，一個轉動物體的自由落體與一個無轉動物體的自由落體會有不同的質心加速度廣義相對沒有預言，但是有撓率場的引力規(guī)范理論（它是一種更廣泛的Einstein-Cardan 型理論）預言了這種效應：無論是具有自旋的微觀粒子還是具有轉動的宏觀 物體在引力場中的運動都會偏離測地運動，即破壞等效原理。在地面實驗室已經(jīng)使用兩個真空管進行了這類實驗的觀測：一個真空管中自由落體的陀螺高速旋轉，另一個真空管中的自由落體陀螺沒有旋轉，結果表明，在10^（-7）的精度內等效原理成立。由于機械陀螺的摩擦力難于克服，高精度的實驗需要在空間衛(wèi)星上使用陀螺-加速度計進行，有關的空間實驗還處于規(guī)劃之中。
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