據(jù)傳在16世紀末，伽利略曾在比薩斜塔上進行自由落體實驗，驗證了兩個不同質(zhì)量的鐵球同時落地，推翻了亞里士多德的臆斷。比薩斜塔實驗的本質(zhì)是檢驗等效原理，即慣性質(zhì)量等于引力質(zhì)量，為牛頓建立萬有引力理論、愛因斯坦建立廣義相對論奠定了基石。
中國科學院紫金山天文臺副臺長、研究員
中國科學技術(shù)大學天文與空間科學學院常務副院長
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到了今天，現(xiàn)代物理學大統(tǒng)一理論的最關(guān)鍵拼圖，是量子力學和廣義相對論的最終統(tǒng)一，而這要求等效原理在某些極端條件下失效。對等效原理進行更大范圍、更高精度的檢驗，亦成為物理學的前沿課題。一起來聽聽中國科學院紫金山天文臺副臺長、研究員吳雪峰為我們講述宇宙版比薩斜塔實驗是怎么回事兒？ 400多年前，伽利略在意大利比薩斜塔從上往下扔兩個鐵球，兩個不同的質(zhì)量的鐵球，結(jié)果是同時落地。這就是著名的比薩斜塔實驗。那我們所謂的宇宙版的比薩斜塔實驗，實際上指的是我們把實驗中的地球引力替換成更大的，比如說太陽系或者說銀河系的引力，兩個鐵球則替換成太陽系外，甚至是銀河系外的不同的粒子。不同的粒子從同一個天體同時產(chǎn)生、發(fā)出，然后經(jīng)過茫茫宇宙，比如穿過銀河系，受到銀河系的引力，然后我們來觀察，它們最終是否同時落地，是否能夠同時到達地球或者地球上的探測器。宇宙版比薩斜塔試驗，背后的物理原理，叫弱等效原理，也就是慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量是相等的。等效原理是愛因斯坦廣義相對論的基礎(chǔ)，在具有相同加速度的引力場中，引力質(zhì)量及慣性質(zhì)量相等。等效原理有弱等效原理和強等效原理，其中弱等效是指觀測者不能在局部的區(qū)域內(nèi)分辨出由加速度所產(chǎn)生的慣性力或由物體所產(chǎn)生的引力。現(xiàn)代物理學有兩大基石性的理論，第一大理論就是量子力學，第二大理論是相對論，包括狹義相對論和廣義相對論。但目前，描述宇宙宏觀天體的引力學，也就是廣義相對論和描述微觀的量子力學沒法統(tǒng)一。所以，物理學家們一直在追求一個物理學的大統(tǒng)一理論，一方面是物理學家們心里面就追求美，總覺得心里有遺憾，因為我們相信終極理論肯定是能統(tǒng)一的；另一方面，從現(xiàn)實角度來講，比如說我們的宇宙大爆炸，理論上天文學家已經(jīng)可以追溯到宇宙大爆炸的時刻，但在宇宙大爆炸的前多少秒，比如說叫普朗克時標，很短暫的一剎那，就那么一點點時間我們沒法追溯，因為這個時間段需要同時描述萬有引力和描述量子力學，只有統(tǒng)一了以后你才能了解。所以，牛頓的萬有引力相當于以前的描述低速宇宙是一個近似，我們不是說它錯誤，它是一個近似，但是它沒法拓展到速度接近光速的宇宙，所以，如果我們所說的四大力（引力、電磁力、弱核力和強核力）真的能夠統(tǒng)一的話，那么也意味著目前我們所認識的宇宙，了解的這些規(guī)律也是一種近似，那么近似的話就意味著什么？這也意味著我們對一些基本假設(shè)，還存在著一些它到達不了的一些極限。所以，我們就要去探索這個基本假設(shè)，比如說到了極端小或者極端大、極端低或者極端高的時候，它有可能是破缺的。一旦找到破缺，那么我們就有希望把這個四個力特別是量子力學和廣義相對論給統(tǒng)一起來。那為了完成這個目標，我們就要去檢驗弱等效原理。
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