兩個同步的鐵球
意大利科學(xué)家伽利略手持質(zhì)量不同的兩個鐵球，一步步登上了比薩斜塔。
只見他雙手一松，兩個鐵球落向了地面，在撞擊地面的一剎那，同時發(fā)出了聲響。塔下的人群被聲響震動了，因為一個被人信奉了千載的鐵律被打破了。古希臘科學(xué)家亞里士多德曾經(jīng)說，質(zhì)量不同的物體，下落的速度也不同?，F(xiàn)在，伽利略用兩個鐵球推翻了這個鐵律，人們怎能不為他喝彩呢！
上面這一幕是科學(xué)歷史上非常有名的故事，這個實驗證實了伽利略的說法：無論物體的質(zhì)量大小，組成成分如何，引力會使所有物體都以相同的加速度下落。如今，這個物理原理被稱為“等效原理”，它可以說是物理學(xué)知識大廈的一塊重要的基石，即使是在愛因斯坦的相對論中，等效原理依然被認(rèn)為是正確的，并得到使用。
但是，伽利略實驗的精確度并不算高。因此當(dāng)年伽利略從斜塔上扔下鐵球時，兩個鐵球落在地面上的情形還有另一個版本的故事。這個故事說，實際上兩個鐵球發(fā)出了間隔十分短的兩個落地聲，于是一些亞里士多德的支持者根據(jù)這兩個聲音反駁伽利略。伽利略對此的解釋是空氣阻力的作用，讓不同體積的鐵球受到了不同的空氣阻力，所以它們不會同時落地。如果去掉了空氣阻力等外界干擾因素，兩個鐵球肯定會同時落地。
沒有了空氣阻力，等效原理就一定是正確的嗎？1971年，站在沒有大氣的月球上，阿波羅15號的宇航員一只手握住鐵錘，一只手捏著羽毛，在同一高度上同時松手，只見羽毛和鐵錘都豎直下落，同時到達(dá)了月球表面。這個實驗雄辯地證明了伽利略是對的。
現(xiàn)在，科學(xué)家通過安放在月球上的反光鏡，使用激光測距技術(shù)，測量月球在地球引力場中的運動情況，并證明了等效原理在萬億分之幾的高度精度下，依然是正確的。如此高的精度，讓人們幾乎不用再懷疑這個原理了。
一種微弱的引力
不過，某些“吹毛求疵”的科學(xué)家卻并不這樣想，這幫科學(xué)家是研究弦論的。
弦論是最近一些年興起的一種物理學(xué)理論，它把基本粒子解釋成由許多無窮小的弦的振動產(chǎn)生，我們整個宇宙也都是無數(shù)的弦的振動以及相互作用所形成的。這個理論可以解決現(xiàn)代物理中的一些難題，但是也有許多人對用微小的弦解釋世界表示懷疑，畢竟弦的尺寸太微小，它和宏觀世界之間隔著巨大的尺度鴻溝，根據(jù)弦論做出的許多理論預(yù)言，似乎都無法通過科學(xué)實驗來加以檢驗。而在科學(xué)上，如果理論不能得到證實，就不能得到承認(rèn)。
弦論學(xué)者預(yù)言，自然界中存在一個極其微弱的力，它不同于普通的萬有引力。當(dāng)物質(zhì)的組成成分不同時，這個力能夠讓引力發(fā)生微小的變化。假如我們能夠觀察到不同成分的物質(zhì)（質(zhì)量相同）的引力是有變化的，就說明弦論的預(yù)言很可能是對的，弦論就有了實驗的支持。
現(xiàn)在，弦論研究者決定從等效原理上找到突破口，檢驗這個預(yù)言是否正確。
根據(jù)弦論，如果這種新的引力確實存在，它也非常非常微弱。我們知道，引力本身已經(jīng)很微弱了，它只是電磁力的1/1036數(shù)量級。比如，整個地球的質(zhì)量產(chǎn)生的引力可以讓鐵釘停在桌面，但我們拿來一小塊吸鐵石，電磁力就可以輕松地把鐵釘吸離桌面。這就是說，電磁力對引力具有絕對優(yōu)勢。而這種新的引力比普通的引力還要小得多，大概只是普通引力的1/1013數(shù)量級。
更加玄妙的是，就像吸鐵石的磁力只對鐵鎳質(zhì)物體起作用一樣，這種預(yù)言中的引力也只對某種物體起作用，而對其他物體不起作用，也就是說，物體組成成分不同，引力就不一樣。這是因為，這種新的力能夠與物質(zhì)中的電磁能相互作用。
電磁能和物質(zhì)中所帶的電荷有關(guān)。假如兩個原子質(zhì)量相同，但是其中一個含有的質(zhì)子較多而中子較少，就帶有更多電荷；而另一個質(zhì)子少而中子多，電荷也就較少，那么兩個原子就具有不同的電磁能。比如碳-14原子和氮-14原子，兩者的質(zhì)量基本相同，但前者含有6個質(zhì)子和8個中子，而后者含有7個質(zhì)子和7個中子，所以它們的電磁能有明顯的差別。普通的引力對這兩個原子的作用是完全相同的，然而這種新的引力作用在它們上時，就會稍微有所不同。
捕捉最微弱的引力
這種力是非常微弱的，那么有沒有實驗方法能夠探測到它呢？就如同“振動的弦”目前無法看到一樣，這種力小得也難以辨別出來。
最直接的方式自然是拿兩塊質(zhì)量相同，但成分不同的物體，排除其他干擾因素，讓它們在相同的高度自由落下，觀察它們在下落過程中是否出現(xiàn)了微小的差別。然而在地球上，物體下落到地面的時間往往很短暫，即使確有這樣的力，也難以觀察到什么不同。
幸好，我們可以把處于繞地軌道上的物體看成處于不斷地繞地球的下落過程中的物體，只是這個過程非常漫長，比如月球就已經(jīng)繞著地球運動了幾十億年。因此，如果存在那種新的力，產(chǎn)生的微小差別會隨著時間不斷累積，最終增大到人們可以探測的級別。
現(xiàn)在，科學(xué)家正在研制一種叫做“等效原理檢驗衛(wèi)星”的裝置，里面裝有實驗用的對比物體，他們準(zhǔn)備把它發(fā)射到太空中，檢測等效原理是否正確。應(yīng)該說，這種裝置不論肯定或是否定了等效原理，都將對物理學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。如果裝置證實了等效原理，那么弦論所預(yù)言的微弱的力并不存在，也許科學(xué)家應(yīng)該拋棄“宇宙中無數(shù)個弦在振動”這樣的理論；而如果裝置發(fā)現(xiàn)了等效原理確實有漏洞，在更高的精度上失效了，那么弦論將獲得證實，現(xiàn)代物理學(xué)也許又將迎來一次革命。
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