然而，現(xiàn)代物理學(xué)的一個(gè)巨大分支卻岌岌可危地建立在一個(gè)巨大的“巧合”之上——這東西實(shí)在是太詭異了。
這種巧合植根于我們看待和定義“質(zhì)量”的方式。 它涉及到世界如何運(yùn)作，并且是如此基礎(chǔ)，以至于我們大多數(shù)人每天都會(huì)遇到它，但從未對(duì)此有過任何思考。 但對(duì)于世界領(lǐng)先的物理學(xué)家來說，這個(gè)巧合讓他們困惑了幾個(gè)世紀(jì)。 伽利略和牛頓都曾為此苦苦掙扎，但最終只能接受它的存在，卻無法解釋它。 愛因斯坦更進(jìn)一步：他聲稱這是自然原理。 然后，基于這個(gè)“等效原理”（），他建立了迄今為止解釋神秘引力的最佳理論——廣義相對(duì)論。
然而，有一個(gè)問題。 如果我們想找到一些更好、更全面的理論，將引力與統(tǒng)治世界的其他力統(tǒng)一起來，等效原理就不可能存在。 我們必須破譯這種巧合，或者更徹底地重新思考物理學(xué)應(yīng)該如何發(fā)展。
等效原理有很多版本，但同樣的原理仍然成立：引力場對(duì)物體的影響無法與加速運(yùn)動(dòng)的影響區(qū)分開來。 愛因斯坦的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)清楚地解釋了這一點(diǎn)。 想象一下一個(gè)人站在地球上的電梯里。 是什么讓他在地板上保持穩(wěn)定？ 當(dāng)然，重力無處不在。 現(xiàn)在，想象一下同一個(gè)人在同一部電梯里，只不過電梯位于浩瀚的宇宙深處，遠(yuǎn)離任何引力物體。 火箭將電梯推向與地球重力加速度相等的加速度。 乘客仍然可以穩(wěn)穩(wěn)地站在地板上，就像之前的情況一樣。
為什么沒有重力情況下情況是一樣的呢？ 在這種情況下，阻止乘客漂浮的是他的慣性。 慣性是一切抵抗加速度的自然屬性——當(dāng)駕駛員踩下油門時(shí)，你會(huì)感覺到它把你推到椅背上。
在這兩臺(tái)電梯中，乘客都有一個(gè)共同的屬性——質(zhì)量。 但這兩個(gè)質(zhì)量來自兩個(gè)完全不同的方面：前者是引力質(zhì)量，是對(duì)引力的一定反應(yīng)，導(dǎo)致物體在引力場中加速；后者是引力質(zhì)量物理學(xué)家莫爾，是對(duì)引力的一定反應(yīng)，導(dǎo)致物體在引力場中加速； 后者是慣性質(zhì)量，體現(xiàn)了物體對(duì)加速度的抵抗力。 能力。
愛因斯坦提出的等效原理是他推導(dǎo)解釋神秘引力的廣義相對(duì)論的重要基石。圖片來源：新科學(xué)家
兩個(gè)質(zhì)量在數(shù)值上總是完全相等，這是表述等效原理的另一種方式。 這種“巧合”具有深遠(yuǎn)的影響。 如果兩個(gè)質(zhì)量不相等，不同質(zhì)量的物體將以不同的速度在地球上下落，而不是在相同的引力場中以相同的方式加速。 這種“自由落體的普遍性”首先由伽利略進(jìn)行了測試，據(jù)說他在比薩斜塔上同時(shí)掉落了一袋羽毛和一袋鉛（當(dāng)然這只是傳說）。 事實(shí)上，引力和慣性質(zhì)量的等效性影響著整個(gè)宇宙的所有引力運(yùn)動(dòng)。 例如，如果引力質(zhì)量略大于慣性質(zhì)量物理學(xué)家莫爾，行星將圍繞恒星旋轉(zhuǎn)，而圍繞星系的恒星旋轉(zhuǎn)速度將比現(xiàn)在稍快。
然而，沒有明顯的理由說明兩個(gè)質(zhì)量應(yīng)該相等。 但只有做出這個(gè)假設(shè)，愛因斯坦才能充分發(fā)展他關(guān)于拉伸和擠壓時(shí)空的奇異想法，這個(gè)概念是他在 1905 年提出狹義相對(duì)論時(shí)首次引入的。愛因斯坦想象一個(gè)巨大的物體（例如一顆行星） ）壓縮周圍的空間，距離越近，壓縮越大。 當(dāng)一個(gè)物體落向地球表面時(shí)，它穿過壓縮空間所需的時(shí)間變得越來越短——它似乎在加速。
奇怪的力量
到 1916 年，這個(gè)想法引導(dǎo)愛因斯坦發(fā)展了廣義相對(duì)論。 在廣義相對(duì)論中，引力只是物體在逐漸壓縮的空間中以勻速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的“幻覺”。 沒有引力，引力質(zhì)量就變成了一個(gè)虛構(gòu)的概念。 宇宙中只剩下一種質(zhì)量仍能發(fā)揮作用，它賦予物體慣性。 等價(jià)原理背后隱含的“巧合”就這樣消失了。
廣義相對(duì)論極其準(zhǔn)確，經(jīng)受住了我們迄今為止所做的所有測試。 它可以準(zhǔn)確預(yù)測天體位置，也被用于人造衛(wèi)星的精確制導(dǎo)。 但它的一些怪癖仍然讓物理學(xué)家感到不舒服。 在自然界中，物體之間的所有其他力都是通過極輕的粒子傳遞的。 例如，電磁力通過交換無質(zhì)量光子在帶電物體之間傳遞。 從表面上看，引力的作用方式似乎并沒有什么不同，而且似乎也應(yīng)該以這種方式來傳遞。
因此，統(tǒng)一引力和量子理論已成為嘗試構(gòu)建弦理論和其他所謂“萬物理論”的主導(dǎo)思想。 但要將重力重新歸類為真正的力，需要找到可以附著的東西，就像電磁力附著在電荷上一樣。 換句話說，“真正的”重力需要附著在重力質(zhì)量上，而重力質(zhì)量必須與慣性質(zhì)量分開。
這意味著，在通向“萬物完美真理”的道路上必須邁出的第一步就是犧牲愛因斯坦所鐘愛的等效原理。 英國劍橋大學(xué)理論物理學(xué)家本·格里帕奧斯（Ben ）表示：“任何量子引力理論都必須在某種程度上違反等效原理。”
那么應(yīng)該怎么辦呢？ 一種經(jīng)過嘗試和測試的方法是試圖證明這兩個(gè)質(zhì)量并不完全相等，只是在數(shù)值上非常非常接近。 即使它們之間有最微小的差異，也意味著廣義相對(duì)論只是一個(gè)近似值，這意味著必須有更深層次上更準(zhǔn)確的理論。 德國不萊梅大學(xué)的克勞斯·拉 (Claus L?) 表示：“如果有人發(fā)現(xiàn)了這種差異，我們將取得重大突破。”
實(shí)現(xiàn)這一突破的一種方法，類似于伽利略的“比薩斜塔實(shí)驗(yàn)”，就是測試自由落體和等效原理的其他推論的普遍性，希望能發(fā)現(xiàn)一些微妙的異常現(xiàn)象。 不過，到目前為止，基本上還沒有人成功（見補(bǔ)充閱讀《》）。
如果不同的物體在重力作用下以不同的速度下落，則等效原理被打破。 圖片來源：/ZARM
與此同時(shí)，理論家們提供了另一條線索。 他們指出，無論愛因斯坦所說的“引力不存在”是否正確，目前還沒有人能夠提出一種令人信服的方法來解釋慣性。 “我們不知道如何定義慣性，”格里帕奧斯說。 “我們只知道它一定與質(zhì)量密切相關(guān)，但除非我們能夠精確地定義它并知道如何測量它，否則我們無法給出一套理論來解釋它。”
可以肯定的是，慣性并不全部來自質(zhì)量的提供者——希格斯場。 2012年，物理學(xué)家仔細(xì)篩選了瑞士日內(nèi)瓦附近歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的粒子碰撞碎片后，發(fā)現(xiàn)了希格斯場及其相應(yīng)粒子存在的證據(jù)。 。 盡管希格斯場被認(rèn)為為電子和夸克等基本粒子提供了質(zhì)量，但當(dāng)夸克結(jié)合成更重的粒子（例如構(gòu)成普通物質(zhì)的中子和質(zhì)子）時(shí)，質(zhì)量大于夸克質(zhì)量的總和。 出去一千次。 這個(gè)額外的質(zhì)量不是來自希格斯機(jī)制，而是來自將夸克聚集在一起的能量。 這兩種效應(yīng)必須以某種方式結(jié)合起來，并與其他事物結(jié)合起來，為物體提供抵抗加速運(yùn)動(dòng)的能力。 格里帕奧斯說：“希格斯機(jī)制不能單獨(dú)承擔(dān)賦予物體慣性的神秘作用。”
接下來做什么？ 斯蒂芬·霍金在 20 世紀(jì) 70 年代的工作提供了一個(gè)想法。 具有諷刺意味的是，霍金思想的基礎(chǔ)是等效原理的嚴(yán)格推論。 霍金正在研究黑洞的性質(zhì)，黑洞是一種密度難以想象的物體，其存在是廣義相對(duì)論的核心預(yù)測。 霍金提出黑洞應(yīng)該向外輻射，因?yàn)樘罩胁粩喈a(chǎn)生的成對(duì)量子粒子會(huì)在黑洞附近分離，一個(gè)被黑洞吸進(jìn)去，另一個(gè)被留在外面。 因此，加拿大物理學(xué)家 Unruh等人提出：如果重力和加速度真的是同一件事，那么任何在真空中加速的物體也應(yīng)該發(fā)出類似的輻射。
與霍金輻射一樣，昂魯提出的輻射從未被明確檢測到。 為了產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)室檢測到的輻射強(qiáng)度，物體的加速度必須非常高。 然而，一些人聲稱他們觀察到了在粒子加速器的強(qiáng)磁場中加速的電子的輻射。
在Unruh輻射提出大約10年后，德國馬克斯·普朗克地外物理研究所的天體物理學(xué)家伯納德·赫施（ Hesch）和美國加州州立大學(xué)長灘分校的電氣工程師阿方索·魯達(dá)（ Rueda）意識(shí)到真空與物體之間的相互作用是不限于物體表面，而是作用于整個(gè)物體——會(huì)產(chǎn)生與物體運(yùn)動(dòng)方向相反的力。 他們率先將這種力與洛倫茲力進(jìn)行類比，洛倫茲力是帶電粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)感受到的力。 這相當(dāng)于量子真空中的某種“電磁”相互作用。 用赫施的話說，“這似乎正是你想要的那種慣性。”
異常加速度
英國普利茅斯大學(xué)的邁克·麥卡洛克認(rèn)為，這種相互作用正是打破等效原理所必需的。 對(duì)Unru輻射的一個(gè)預(yù)測是這樣的——就像熱物體發(fā)出的熱輻射一樣，Unru輻射在不同波長下也有不同的強(qiáng)度。 對(duì)于加速度很小的物體，其Unruh輻射對(duì)應(yīng)的溫度較低，并且將以超長波輻射為主。 如果加速度真的很小，一些輻射的波長將大于可觀測宇宙的尺度，并且會(huì)被有效地截?cái)唷?span style="display:none">2Kv物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
在這種情況下，根據(jù)麥卡洛克2007年的計(jì)算，物體所受到的安魯輻射總量將會(huì)減少，其所受到的與加速度相反方向的力也會(huì)減少。 結(jié)果，它的慣性變得更小，比標(biāo)準(zhǔn)牛頓運(yùn)動(dòng)定律更容易運(yùn)動(dòng)——這樣，慣性和引力質(zhì)量之間的聯(lián)系就被切斷了。
這種觀點(diǎn)的問題在于它很難檢驗(yàn)。 在地球這樣的強(qiáng)引力環(huán)境中，小到足以產(chǎn)生可觀測效應(yīng)的加速度并不容易獲得。 但在星系邊緣等弱引力環(huán)境中，這種效應(yīng)可能很容易看到。 事實(shí)上，麥卡洛克注意到大多數(shù)螺旋星系中出現(xiàn)的恒星運(yùn)動(dòng)異常，他認(rèn)為這種機(jī)制可能解釋另一個(gè)長期存在的宇宙謎團(tuán)——暗物質(zhì)（參見“補(bǔ)充閱讀”）。
平心而論，這種觀點(diǎn)并沒有震驚世界。 Hesch和Rueda提出他們的機(jī)制后，NASA立即撥款支持他們進(jìn)一步研究，他們還從私人籌集了約200萬美元的研究經(jīng)費(fèi)。 但由于缺乏可以測試以證明他們的觀點(diǎn)正確的預(yù)測，資金和興趣很快就耗盡了。
盡管如此，即使是像拉默扎爾這樣的保守派也認(rèn)為我們不應(yīng)該讓這個(gè)想法從我們手中溜走。 “雖然我更喜歡弦理論，但這些‘真空相互作用’的想法并非沒有優(yōu)點(diǎn)，”他說。 “我們必須仔細(xì)觀察它們，看看它們能否給我們帶來新的方法來測試等等有效性原則。”
2010年，以巴西塔爾朱巴聯(lián)邦大學(xué)維托里奧·德·洛倫奇（De）為首的三名巴西天文學(xué)家提出了一項(xiàng)測試計(jì)劃。 他們建議使用旋轉(zhuǎn)盤來抵消地球在太空中旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)時(shí)的加速運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)加速度最小化時(shí)，圓盤的慣性應(yīng)該減小，這意味著它的旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)該比牛頓定律規(guī)定的要快。 雖然成本低，但他們無法籌集到資金進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
除非有人完成實(shí)驗(yàn)證明等價(jià)原理是錯(cuò)誤的，或者從理論上證明它一定是正確的，否則這個(gè)結(jié)是解不開的。 然而，如果最終引力質(zhì)量真的是慣性質(zhì)量的另一種形式——不管慣性是什么——那么就輪到弦理論被推上祭壇祭天了。 量子引力論。 通向“萬物圓滿真理”的道路也將更加曲折。 如果引力不是一種力，而確實(shí)是廣義相對(duì)論所描述的時(shí)空彎曲造成的幻覺，那么我們必須從更深層次上理解是什么導(dǎo)致了這種時(shí)空彎曲。
這只是巧合嗎？ 這一次，連科學(xué)都無法輕易反駁。
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編譯自：《新科學(xué)家》：該走了
附加閱讀 自由落體
不萊梅大學(xué)的“自由落體塔”高146米，像一枚等待發(fā)射的白色火箭矗立在德國北部的平原上。 該塔建于 1990 年，是應(yīng)用空間技術(shù)和微重力中心 (ZARM) 的一部分。 它可以為各種實(shí)驗(yàn)提供長達(dá)9.3秒的自由落體（譯者注：自由落體時(shí)間為4.74秒，9.3秒被來回彈出）。 到目前為止，銣和鉀原子的自由落體實(shí)驗(yàn)表明，它們的運(yùn)動(dòng)與等效原理的預(yù)測沒有什么不同。 兩個(gè)原子下落時(shí)的加速度等于小數(shù)點(diǎn)前11位。
在美國西雅圖華盛頓大學(xué)，埃里克·阿德爾伯格（Eric）和他的“E?t-Wash”團(tuán)隊(duì)使用高精度扭力秤來比較由不同元素（包括銅、鈹、鋁和硅）制成的材料。 標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)模式。 他們維持著這個(gè)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度記錄——小數(shù)點(diǎn)后13位內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)違反等效原理的結(jié)果。
然而，總有一天這些地面實(shí)驗(yàn)將面臨碰壁的危險(xiǎn)。 “很難再改進(jìn)儀器了，”阿德爾伯格說。 通過在重力小得多的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以更容易地發(fā)現(xiàn)與等效原理的偏差。 這項(xiàng)由法國牽頭的任務(wù)計(jì)劃于 2016 年發(fā)射，將研究由鉑和銥制成的塊體如何在太空微重力環(huán)境中移動(dòng)。 ZARM 的克勞斯·拉梅扎爾 (Klaus ) 表示：“它的準(zhǔn)確度將比地面實(shí)驗(yàn)室高 100 倍。”
他的團(tuán)隊(duì)正在“自由落體塔”中測試衛(wèi)星的加速度計(jì)，并為衛(wèi)星開發(fā)數(shù)據(jù)分析軟件。 歐洲航天局還在評(píng)估一項(xiàng)更復(fù)雜的任務(wù)，稱為時(shí)空和空間測試。 他們將在今年年底前決定是否投資該項(xiàng)目。
暗慣性
在 20 世紀(jì) 30 年代，我們發(fā)現(xiàn)星系在繞其他星系運(yùn)行時(shí)并不遵守牛頓和愛因斯坦的引力定律。 幾十年后，在觀察單個(gè)螺旋星系的旋轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象——就好像有某種看不見的物質(zhì)施加了更大的引力，導(dǎo)致我們能看到的物質(zhì)旋轉(zhuǎn)得更多。 很快。
這個(gè)想法現(xiàn)在已經(jīng)成為主流：標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)教科書會(huì)告訴你，“暗物質(zhì)”與普通物質(zhì)的質(zhì)量比高達(dá) 5 比 1。盡管粒子物理學(xué)家提出了幾乎無限種的假設(shè)粒子來解釋暗物質(zhì)，但沒有一個(gè)目前已被最終查明。
20世紀(jì)80年代，美國普林斯頓大學(xué)物理學(xué)家莫迪亞·米爾格羅姆提出了另一種觀點(diǎn)：引力定律需要在星系邊緣進(jìn)行修正。 對(duì)于星系外圍的恒星來說，它們以非常低的加速度運(yùn)動(dòng)，如果它們的慣性質(zhì)量減小并且它們的引力質(zhì)量不變，那么觀察到的現(xiàn)象就可以解釋——因?yàn)檫@樣它們自然會(huì)運(yùn)動(dòng)得更快。 如果真空相互作用真的可以帶來這樣的效應(yīng)，那么暗物質(zhì)可能就是這種效應(yīng)的產(chǎn)物。
